入射器クライオモジュールにおける超伝導空洞のパルス・エージングによる性能回復の効果
2016.2.25 ERL検討会
許斐太郎

1

発表内容

1. パルス・エージングの目的
1. X線モニターの配置
2. 入射空洞の履歴
3. パルス・エージング直前の状況
2. パルス・エージングのセットアップ
1. パルス波形
2. インターロック設定値
3. パルス・エージング中のトレンド
4. パルス・エージングの効果

2パルス・エージングの目的： X線モニターの配置• X線モニターが空洞のField Emission状況を最も良く反映する。
• X線モニターは空洞モジュールの上流、側面、下流に1つずつ取り付けている。
• エージングは空洞ゲートバルブを閉めきって行っている。

3

パルス・エージングの目的：入射空洞の履歴
Pulse Agingの目的
入射空洞は立上げ直後から2015.6月の運転までで、は、Field Emissionにより徐々に空洞性能が低下していることを示す。Pulse AgingによりFEを取り除き回復させる。
Pulse Agingを選ぶ理由
STFでは低電界でのFEはPulse Agingで取り除かれる現象が頻繁に見られる、ERL入射空洞でもPulse Agingにより低電界でのFEを取り除くことができると期待できる。
Pulse Agingの方法
可能な限りのShort Pulse から徐々にPulse 長さを伸ばし、低熱負荷、FEの雪崩を制御して高電界まで印加して、FEの発生源を散らす。
Eacc=7.0 MV/m
Eacc=7.0 MV/m4

パルス・エージングの目的：パルスエージング前の状況• 2016年2月のパルスエージング直前にCWで測定した、各空洞単体の放射線量を示す。
• 昇温、冷却によるフィールドエミッションの改善は見られない。
• 中央空洞はフィールドエミッション電子の衝撃によるクエンチが起こる状況となっていた。

20160203 #1 Cavity CW
DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

10.10.010.001

Stop0246Eacc(Pt)(MV/m)

8100.10.001Quench
at 6.5 MV/m
02

4

DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

10

10.01

20160203 #3 Cavity CW

100

DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

10

X-ray (mSv/h)

Xray (mSv/h)

10

20160203 #2 Cavity CW

100

X-ray (mSv/h)

100#3/下流空洞#2/中央空洞#1/上流空洞

6Eacc(Pt)(MV/m)

8

10

10.1

2K He Flow lim.

0.01

0.001

02

468

10

Eacc(Pt)(MV/m)

5パルス・エージングのセットアップ：パルス波形
空洞に電界が十分に立つだけのパルス幅からエージングを行っている。
1msx 5Hz
10msx 5Hz

#1/上流空洞
QL=1.26×106
Τ(1/2)=106 µs

1ms#2/中央空洞
QL=5.3×105
Τ(1/2)=45 µs

500usx 5Hz10ms

Pt
Pin
SG

5msx 5Hz500us#3/下流空洞
QL=5.0×106
Τ(1/2)=42 µs

Pt
Pin
SG

Pt
Pin
SG

500usx 5Hz5ms

Pt
Pin
SG

5msx 5Hz
500us

Pt
Pin
SG

Pt
5ms

Pin
SG
6パルス・エージングのセットアップ：インターロック
パルスエージングのために、RFグループにQLインターロックを作成してもらった。
インターロック

#1空洞

#2空洞

#3空洞

真空(Base 0.97×10-7 Pa)

5×10-7

5×10-7

5×10-7

ARCモジュールの目盛

4と26と44と4QL

8×105(Base 1.26×106)

4×105
4×105
(Base 5.3×105 ) (Base 5.0×105 )傾きからQLを計算して設定値を下回ればインターロックが働く。
QL インターロック
通常

1msPt
PinSGPt
PinSG

7パルスエージングのトレンド：#1上流空洞の状況
1msx5Hz

1msx5Hzと10msx5Hzを使用。
実Aging時間:3時間
最大Pin 16kW

10msx5Hz
18:40 13.02MV/m 通常

14:52 3.22MV/m 通常

QL=1.26x106
Tau(1/2)=100us

Pt

Pt

Prf

Prf

SG

SG

X-ray

1msx5HzEacc

KL IGBT2
ADC1 High lim.

10msx5Hz
QL ITLQL ITL

CWパルスエージングのトレンド：#1上流空洞の状況
1msパルスのエージング中クエンチを経ることで、大幅なX線減少効果が見られた
投入電力の上限により制限された。
1ms x 5Hz Pulse
10ms x 5Hz Pulse
20160204 #1 Cavity 1ms pulse

20160204 #1 Cavity 10ms pulse

10010DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

1①Quench

②0.1

10.1

0.01

0.01

0.001

0.001

02

46810Eacc(Pt)(MV/m)

121416DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

10
X-Ray (mSv/h)

X-Ray (mSv/h)

100

02

468

10

121416

Eacc(Pt)(MV/m)
9パルスエージングのトレンド：#2中央空洞の状況
5msx5Hz

500usx5Hz

500usx5Hzと5msx5Hzを使用。
実Aging時間:3時間
最大Pin 40kW

20:07 11.04MV/m 通常

14:53 10.53MV/m 通常QL=5.5x105
Tau(1/2)=50us

Pt

Pt

PrfPrfSG

SG

X-ray500usx5Hz

Eacc
QL ITLRF off(ミスオペ)

QL ITLQL ITL

5msx5Hz

CW

停電

10パルスエージングのトレンド：#2中央空洞の状況
500usパルスのエージング中クエンチを経ることで、大幅なX線減少効果が見られた。
16MV/m以上の電界はクエンチにより制限された。
500us x 5Hz Pulse

5ms x 5Hz Pulse

20160205 #2 Cavity 500us pulse

20160205 #2 Cavity 5ms pulse

100100

1

①0.1

②0.01

0.001

DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

10

X-ray (mSv/h)

10

X-ray (mSv/h)

QuenchDOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

10.10.01

04812Eacc(Pt)(MV/m)

16200.001

0246810Eacc(Pt)(MV/m)

12141116パルスエージングのトレンド：#3下流空洞の状況
5msx5Hz

500usx5Hz
500usx5Hzと5msx5Hzを使用。
強力なFE-Quenchで~12MV/mまでのAging
時間の都合でAging Stop

11:59 7.55MV/m 通常

最大Pin=18kW
QL=5.5x105
Tau(1/2)=50usPt

19:44 8.03MV/m 通常

Pt

Prf

Prf

SG

SG

X-ray

Eacc

500usx5Hz

5msx5HzCWQL ITL

12パルスエージングのトレンド：#3下流空洞の状況
クエンチを経るごとに到達電界は徐々に伸びるが、時間の都合でこれ以上のエージングは行えなかった。

100

5ms x 5Hz Pulse

20160208 #3 Cavity 500us pulse

20160208 #3 Cavity 5ms pulse
100

DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

10First Quench@8.5MV/m

10.1

0.010.001

DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

10

X-ray (mSv/h)

X-ray (mSv/h)500us x 5Hz Pulse

10.1

0.010246810 12Eacc(Pt)(MV/m)

14160.001

024681012131416

パルスエージングの効果：Pulse Aging前後の各空洞状況
大幅なField Emissionの改善が見られた。
DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)#1Before
Pulse Aging

0.10.1

Stop024680.001

1002

20160204 #1 Cavity CW after pulse aging

Stop0.01

実際はX-rayは観測されていない。
図を見やすくするための表記
0246Eacc(Pt)(MV/m)

8X-ray (mSv/h)

X-ray (mSv/h)

0.10.001

82K He Flow lim.

0.01

0.001

1002

168

Stop

0.1

0.01 実際はX-rayは観測されていない。

DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

#3
After
Pulse Aging

10.10.01

図を見やすくするための表記
100.001

0246Eacc(Pt)(MV/m)

1020160208 #3 Cavity CW after aging
100

10

#2
After
Pulse Aging

4Eacc(Pt)(MV/m)

DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

10

#1
After
1Pulse Aging

0.1

20160205 #2 Cavity CW after pulse process
100

DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

106BeforePulse Aging

Eacc(Pt)(MV/m)

Eacc(Pt)(MV/m)

100

4

#3

1Quenchat 6.5 MV/m

0.01

0.01

0.001

BeforePulse Aging

1

DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

10#2

X-ray (mSv/h)

1

20160203 #3 Cavity CW

100

DOWN (mSv/h)
CENTER (mSv/h)
UP (mSv/h)

10

X-ray (mSv/h)

Xray (mSv/h)

10

20160203 #2 Cavity CW

100

X-ray (mSv/h)

20160203 #1 Cavity CW

100

8100.001

Stop
02

46

Eacc(Pt)(MV/m)

148

10

パルスエージングの効果：Pulse Aging前後の空洞同時運転状況••#1+#2+#3 空洞3台同時運転の比較
3MV運転• Field Emissionは無くなった。冷凍機負荷は10m3/h。
5MV運転• Field Emission強度は2ケタ減少。冷凍機負荷は25m3/h。
• 主空洞との同時運転が可能になるまで回復した。
#1+#2+#3 Cavity performance
before/after pulse aging

•100

90

down Before
center Beforeup before
down after
center after
up after

10.1

0.010.001

Before Pulse Aging
After Pulse Aging80

He Flow(m3/h)

X-ray (mSv/h)10#1+#2+#3 Cavity performance
before/after pulse aging

70
60
50
400

1

2

3

4Total Voltage (MV)

5630

01

2

3

4Total Voltage (MV)5156まとめ• FEによりQ値が減少しX-rayが生じていたcERL入射空洞のPulse Agingを行った。
• #1のPulse Agingは1ms x5Hzと10msx5Hzで行った。
• #2のPulse Agingは500usx5Hzと5msx5Hzで行った。
• #3のPulse Agingは500usx5Hzと5msx5Hzで行った。
• Aging前後のCW測定で各空洞のFE Onsetは#1: 5MV/m ⇒ 8MV/m#2: 5 MV/m ⇒ 8MV/m#3: 4 MV/m ⇒ 6.5 MV/m
#1+#2+#3同時: 3MV ⇒ 4MVまで向上した。
• #1,#2は最短パルスでのAgingで15~16MV/mまで到達。
1~2ケタのX-ray減少を確認できた。
• #3は最短パルスで11MV/mまで、5msで12MV/mまで到達• 入射空洞において8MV/m以下のFEは、Eacc＝15~16MV/mまでのPulse Agingにより取り除けることが分かった。
16