Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 TUP051

Field emission 抑制のための超伝導空洞組立のクリーン作業改善に向けてIMPROVEMENT FOR CLEAN ASSEMBLY WORK ABOUT SUPERCONDUCTING RF
CAVITY & CRYOMODULE TO SUPPRESS FIELD EMISSION阪井寛志#, A), 梅森健成 A), 加古永治 A), 許斐太郎 A), 沢村勝 B),
篠江憲治 A ), 野上隆史 A ), 古屋貴章 A) ,本田融 A ),Hiroshi Sakai #, A), Kensei Umemori A), Eiji Kako A), Taro Konomi A), Masaru Sawamura B),
Kenji Shinoe A), Takashi Nogami B) ,Takaaki Furuya A) ,Tohru Honda A)A)
KEK , B) QSTAbstract
We usually encountered the degradation of the superconducting RF cavities on the cryomodule test even though theperformance of these cavities was good on the vertical test. In reality, the degradation of Q-values of two cavities of cERL
main-linac were observed after cryomodule assembly in KEK [1]. Some dust and invisible particles might enter the cavity
and generate field emission during the assembly work. Field emission is the most important cause of this degradation. Itis crucially important not to degrade the cavity performance for not only vertical test but also the cryomodule operation
after string assembly work of the cryomodule. In this paper, first we show what work produced the field emission source
during assembly work of the cryomodule construction in detail. Next we introduce some trials for the improved clean
assembly work to SRF cavity by re-examining our clean assembly work and considering the elaborated clean work in theother laboratory, like EURO-XFEL in DESY, to overcome the degradation by field emission.

1.

はじめに

我々は次世代光源 ERL 用に超低エミッタンス大電流ビーム(100mA)を安定に加速&減速するために、ERL 用の CW で運転可能な超伝導空洞の開発を行ってきた。特に ERL 用の超伝導空洞としては、いかに高い加速勾配(15～20MV/m 程度が目標)にてなおかつ空洞損失の少ない状態(Q 値 > 1×1010)を維持できるかが、課題であった。我々は、ERL 用に 100mA もの大電流(最大 600mA)の回収を可能とする独自に開発した 9 セル空洞[2]にて、縦測定と呼ばれる性能評価試験にて図１（左）に示すように最大加速勾配25MV/m、また、15MV/m にて Q 値 > 1×1010 を実現し、ERL の要求を満たす空洞を実現した[3]。その性能を実現した２空洞を 2012 年度は KEK にて建設が行われた Compact ERL(cERL)[4]のビームラインに、モジュール化した後に組み込んだ所、２空洞とも、図１(右)に示すように 10MV/m から Q 値の劣化が発現するとともに、強烈な放射線を発生することとなった[1,5]。縦測定により、空洞自身に欠損はないことは確認されているが、組立時において、微小な埃、異物の混入による空洞内面での電界放出（fieldemission）による多大なエネルギーロスが起こったと考えられる。この性能劣化の回復が本 cERL 主空洞モジュールの当面の課題となっている。このような縦測定で性能が出ていた超伝導空洞がクライオモジュールに組み立てた後に劣化する現象は世界中で問題になっている。

___________________________________________# hiroshi.sakai.phys@kek.jp

本 proceedings では、cERL 主空洞モジュールでの組み立て工程をもう一度見直し、どの組み立て工程が field emission の原因かを検討する。その後、超伝導空洞の組み立てによって性能劣化を起こさない
particle free な組み立てを行うためのクリーン化のテスト結果を示すとともに、今後のモジュール組み立て時に対する我々の改善方法を紹介する。

ERL target

Figure 1: (Left) Performance result of two cavities in verticalmeasurement. A horizontal axis shows an acceleration slope(Eacc) and a vertical axis shows Q value (Q0). (Right) Cavity
performance of two cavities in the cryomodule after cERL
beamline installation. In white red circle and a blue square, theperformance evaluation test result after the module inclusion in2012. A horizontal axis shows accelerating voltage (Vc) (it isalmost the same as an acceleration slope), and a vertical axis
shows Q value (Q0).

2.

cERL 主空洞モジュール組立からの考察ビームラインには空洞単体で行った性能試験を行った後、実際ビームを通す時に必要な HOM ダンパーや大電力パワーを送る入力カプラーなどの他の重要コンポネントが付けるために、再度クリーンルーム内にて組立て直す必要がある。この作業を- 444 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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string assembly と呼ぶ。その際、何回か行うリーク 最大のゴミの元である。我々は図 2 右のように取りチェック時の真空引きやパージ作業などの作業が空 外したネジの穴からのゴミをパーティクルカウン
洞性能劣化に影響しないかが問題となる。さらに最 ターで測定し、それが０になるまで、十分に ion gun
終的に cERL のビームラインにモジュールを接続す で blow するが、このようにゴミが出るコンポネントる際はその現場でローカルクリーンブースを使用し、 をいかに減らすかが課題である。
クリーンルーム内と同じ接続作業を行うことになり、 我々のネジはクリーンな環境下で使用するためにそこでの組み立て作業および真空作業も空洞内に埃 銀メッキネジを使用しているが、この銀メッキネジを持ち込んでいないかどうかが極めて重要になる。 を取り外した際の埃の量と通常の SUS のネジの場合
こ れ ら 空 洞 と 直 接 ア ク セ ス を 行 う 作 業 工 程 が モ の取り外し時のゴミの量を比較してみた。図 3 がそジュール化後の field emission による空洞性能劣化を の 2 つのネジを取り外した際のネジからのゴミの量の比較である。パーティクルカウンターとしては 0.1引き起こす可能性が高いと考えられる。
μm レベルが測定可能な RION 社のものを使用した。
銀メッキネジと SUS ネジは超音波洗浄済みのものをion gun で blow し、基本 particle が 0 の状態にしたものをナットにつけ外しを行い、その着けた際、および外した際のパーティクルの量を測定したのが図 3の結果である。それぞれ 2 つのネジを 2 回取り外しを行った際のパーティクルの量を測定したものである。外した際に多くのゴミが出る傾向は同じであり、まずはこれが、string assembly 時のゴミのもととなっている。ただし、SUS のネジに対し、銀メッキネジ
Figure 2: String assembly work of cERL main linac cryomodule.
はカウント数で最大１０倍もの違いがあることが分
図 2 は空洞のモジュールアセンブリに向けた string かった。メッキが剥がれ、それが大量のゴミ源になassembly の作業の様子である。組立は ISO class 4 の ると予想される。銀メッキネジは潤滑油を使用でき中で行われる。我々の組み立てでは一度縦測定で取 ない真空かつクリーン環境でネジが噛まないためのり付けたフランジを一度、外し、再度図 2 右に見ら 措 置 で あ る が 、 今 後 の string assembly で の field
れるように他のコンポネントに接続し直す必要があ emission の大元となる可能性が高いため、このネジる。その際にゴミを空洞内に持ち込まないことが重 部の改善は必要である。EURO-XFEL[7]ではネジは要となる。まず、組立前に一度空洞内にパージ作業 SUS316L を用いているのに対し、ナットを CuNiSnを行うが、その時、我々はサブミクロンの埃の混入 （キュプロニッケル）を用いてネジの取り外しのゴを防ぐフィルターを介してガスの流量コントロール ミの削減＋ネジが噛ないような措置を行っており、を行っている。しかし、パージの流量が多い場合は そのような改善が今後、必要である。
フィルターから先にある配管などのゴミが移動する可能性がある。実際に STF でのクライオモジュールの組み立てでも誤って圧力差のある場所で Ar gas のパージ作業を行い、一瞬大きな流れが発生した可能性があり、その結果として、パージした近くの空洞のモジュールでの性能が field emission により、劣化する例が見られている[6]。ゴミなどの移動がないよう微小な流量などで真空引きやパージのコントロールをする必要がある。
またこれとは別に組立時には図 2 に見られるように外からのゴミが入るのを防ぐための空洞内部からカウンターフローを流している。カウンターフローはフィルターを介しており、そのフローは particle
free であることを確認しているが、その流量を変えた際のゴミ混入の可能性の検証を行う必要がある。
このように真空＆パージ作業時および組立時のガス流量のコントロールによる性能劣化の確認が重要である。これに対する改善については４章で述べる。
組立でさらに重要なのは、ゴミが接続場所に近い場所にないことである。外したねじからのダストはFigure 3: (Top) Measured particle trend during connecting anddisconnecting of sliver-plated screw in ISO class 4 clean room.
(Bottom) Measured particle trend during connecting anddisconnecting of SUS screw in ISO class 4 clean room. Both were
measured by 0.1 um particle counter (RION).

もう一つの懸念事項はクリーンルーム外での作業である。我々はクリーンルーム外で図 4 のように組立時はローカルクリーンブースを用いた。この作業の際に ISO class 5 程度のクリーン度をローカルクリーンブースに検討したが、このクリーンブースが- 445 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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果たして超伝導空洞のクリーン作業に十分な環境であったのかどうかは疑問であった。

ンブースは 2m×2m×高さ 2.4m のブースであるが、上面に 0.5 m2 の 2 枚の HEPA filter を置いた簡易のクリーンブースであり、クリーンルームとは違い一様流が作成できず、乱流を起こしている。さらに十分な換気能力がないこともあり、0.1μm レベルはずっとクリーンブース内に存在することがわかった。このようにローカルブースの改善もモジュール組立の課題である。その改善に向け、まずは次節で示す
KOACH を用いたテストを行った。

3.
Figure 4: Assembly work of cERL main linac in local cleanboose.

そこで、我々は作業に使ったクリーンブースとstring assembly に使ったクリーンルーム(ISO class 4)の清浄度測定を 0.1μm レベルで再測定した。図 5 がその測定の比較である。

Figure 5: (Top) Measured particle trend in clean boose of cERL
main linac. local clean boose. (Bottom) Measured particle trend
in ISO class 4 clean room of cERL main linac in KEK. Both weremeasured by 0.1 um particle counter (LASAIR II).

図 5 上は図 4 で用いたクリーンブースに電源を入れ、立ち上げたときから particle がどのように変化しているかを測定したものである。図 5 下はそれに対し、string assembly に用いた ISO class 4 の cERL 用のクリーンルーム内で、手袋を大きく叩き、敢えてゴミを出した後のパーティクルカウンターで測定の変化を見たものである。両方とも 0.1μm レベルが測定できる LASAIR II というパーティクルカウンターを用いて測定した。その結果、cERL のクリーンルー
ムでは 20 秒ほどで particle のカウントが 0.1μmr レ
ベルでも 0 count/s に到達したのに対し、我々のクリーンブースでは、6 分程度たってようやくカウントが収まった。さらに 0.3μm レベルでは 0 だと思われていたクリーンブースだが、0.1μm は最後まで 10count/s 程度残っている結果となった。我々のクリーKOACH を用いた加速器室内でのローカルクリーンブースの清浄度測定

近年このようなローカルクリーン環境作成に ISOclass 1 レベルで実現する装置として KOACH が提供されている[8]。ULPA より filter 性能のいい独自のFERENA filter により、0.1μm レベルのきわめて高い清浄度を提供するだけでなく、そこから出てくるコヒーレントな一様流を向かい合わせで使うことで、その間の空間を open な環境で ISO class 1 の清浄度環境を実現するというものである。このような極めて高い清浄度をローカルで実現する KOACH は我々のローカルクリーンブースの改善にうってつけである。
そこで図 6 に示すようにまず、KOACH T-500 を用いて cERL の加速器の真空作業を模擬し、実際に現場にて十分な清浄度を確保できるかを測定した。

Figure 6: New clean boose setting positions named as CT1 andCT2 at cERL merger section.

このクリーン作業は実際に 2 か所の電流モニター(CT1,CT2)のセラミックが運転中に discharge し、それが field emission を作る可能性があるとのことで、その生成を防ぐために 2015 年に取り換え作業を行う予定であり、その作業に必要なクリーン環境生成をこの KOACH を用いて行った。実際には時間の都合上、CT の交換には至っていないが、このクリーン環境の測定は十分に行えた。図 7 にまず CT1 の場所
での setup を示す。電磁石間に CT1 が据え付けられているが、その間は 500 mm のスペースである。
マージャー部は入り組んだ場所であり、本来のKOACH の仕様である向かい合わせの設置ができず、この場所では図 7 左にみられるようにアルミのサポートを別途用意し、真上に２台の KOACH のフィルターをなるだけビームラインに近づくように置き、ビームライン上での清浄度の確保を試みた。フィルターからビームラインまでは 300 mm の距離である。

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また、この一様流を keep すべく、2 台の KOACH の隙間がないように設置し、なおかつ、他の部分からのゴミが来ないようにビームラインの接続フランジ部以外の電磁石などは帯電しないシート（静電クリスタル）で養生した。その後図 7 右に見られるように清浄度のある手袋と腕のカバーを装着し、パーティクルカウンターでローカルクリーンブース内のパーティクルを測定した。のパーティクルがカウントされており、今後この養生やシーリングの仕方を改善することが課題である。

Figure 9: Setup of new clean boose set at CT2 position at cERL
merger section.(Bottom) schematic setup of this clean boos (Top)picture of setup configuration.
Figure 7: Setup of new clean boose set at CT1 position at cERL
merger section.(Left) conceptual design (Right) picture of setup.

次に CT2 の場所で同じく KOACH T-500 を用いてローカルクリーンブースを作成した。図 9 がそのsetup である。この場所では従来の KOACH の仕様である filter を向かい合わせで置くことが可能であった。
そこで、この KOACH の特徴である対向流を利用し、ビームラインのコンポネントを片側に寄せて、そちらの清浄度を確保し、もう片側からアクセス作業をするような setup を模擬した。なお、今回は open ではなく、図 9 の下にあるように上下左右を静電クリスタルで養生し、同じく電磁石などのコンポネントがクリーンブースから直接見えないような環境を用意した。

Figure 8: Measurement results of particle count in the new clean
boose set at CT1 position.

図 8 はその CT1 に置いたローカルクリーンブースでの清浄度の測定結果である。この測定ではハンディの 0.3μm レベルが測定できるパーティクルカウ
ンターを用いた。まず、図 8 の左上写真の中央の黄色のラインに沿って、図 8 右に示すように 100 mm毎に mapping を取った。上流からの flow のおかげでKOACH から 500 mm 離れた場所まで 0.3μm level で１分間のカウントが 0 を keep していることがわかったが、600 mm 離れた場所では 0.3 μm のパーティク
ルで最大 9 カウントのパーティクルが測定された。
清浄度が 500 mm 程度まで保たれており、KOACH の電源を on してから、特に 10 秒程度で清浄度は 0 カウントになり、ビームライン上での作業には十分な清浄度を保っているといえる。0.1μm レベルでも測定を行ったが 300 mm の高さの場所で 1 分間に 5 カウント程度測定されたが、今までの local clean booseに比べて十分な清浄度が得られていることがわかった。問題は図 8 左上の写真で養生した静電クリスタ
ルの周りで橙丸のポイントでは 1 分間で 5 カウント

Figure 10: Measurement results of particle count in the new clean
boose set at CT1 position.

図 10 が図 9 の CT2 の場所での測定結果である。
この測定でもハンディの 0.3μm レベルが測定できるパーティクルカウンターを用いた。まず、セラミッ
クの場所の周りの環境を図 10 右の白丸に示すようにmapping を取った。測定したすべての場所で 1 分間
で 0.3μm レベルで 0 カウントであった。また図 10
左に示すように各フランジやコンポネントの周りを測定したが、同じく 0.3μm レベルで 1 分間で 0 カウントであった。0.1μm レベルでの測定も行ったが真ん中では 0.1μm レベルで１分間で 0 カウントであり、養生の近くでも 0.1μm レベルで 5 カウントレベルであった。CT2 の setup 環境下では養生もうまくいっていたと思われるが、それとは別に KOACH の性能が十分に発揮されて十分なクリーン環境が生成されていたと思われる。

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KOACH の電源を off した際の加速器の普段の状況
下では１分間で 0.3μm レベルで 6400 カウントであり、このような埃の清浄化が KOACH を用いて、CT1,CT2 に見られるような限られたスペースにて、ローカルに非常に清浄度の高い環境を提供可能であることが分かった。

4.

更なる field emission 抑制に向けた改善

KOACH を用いてクリーンなローカルクリーンブースの提供が可能となったため、今後これを用いて、モジュールアッセンブリを行った後の空洞性能劣化改善の評価を行う予定である。このモジュールアセンブリの改善の確立のために図 11 に示すように
我々は KEK に横測定スタンドを構築した。この現場での組みたておよび真空作業に同じく KOACH を用いた新たなローカルクリーンブースを用意し、性能評価を行う予定である。

である。さらにこの流量コントロールの optimization
後に slow pumping & venting system の prototype を作成し、最終的には図 11 で見せた横測定スタンドでpump system を用いた性能評価試験を行っていく予定
である。

5.

まとめ

Field emission の抑制のため、cERL 主空洞クライオモジュールの組み立て工程の見直しを行った。改善ポイントとしては、ネジの取り外しから来るゴミの削減のほか、pumping & venting system の見直し、ローカルクリーンブースの見直しなどが挙げられた。
その一つであるローカルクリーンブースの改善として、新たに KOACH を用いてクリーンなローカルクリーンブースを作成し、実際の cERL の加速器環境下でのクリーン測定を行ったところ、0.3μm レベルで毎分 0 カウントの非常にクリーンな環境を現場に作成することが可能であることがわかった。今後このクリーンブースを用いて、KEK にある横測定スタンドでの組みたて工程の改善を試みるとともに、slow pumping system の構築を行い、field emission の抑制に向けた改善を行っていく。

謝辞
興研（株）の神庭はるか様、前田信哉様、和田剛様、佐藤卓広様、西村佳明様には、クリーンブースの 0.1μm レベルの測定を一緒に行っていただきました。非常に感謝いたします。また、サンテックの小泉歐兒様には RION の 0.1μm レベルのパーティクルカウンターをお借りしました。感謝いたします。

Figure 11: Picture of new horizontal test stand.

References

Figure 12: Picture of slow pumping system for EURO-XFEL.

2 章で述べたように cERL string assembly のもう一つの問題点は真空＆ベント作業の改善である。問題であるゴミの動きを起こさない slow な pumping やventing が重要であり、図 12 に示すように EUROXFEL では slow pumping & venting system を作成している[9]。今年度に KEK では slow pumping & ventingsystem を構築する予定である。特に flow の流れやス
ピードにより、pumping 中および venting 中でどれくらいのパーティクルが出てくるかを真空中のパーティクルモニター[10]を用意する。この測定をしながら、flow control の制御パラメータを設定する予定[1] H. Sakai et al., “High Power CW Tests of cERL Main-LinacCryomodule”, SRF’13, Paris, France, p.855 (2013).
[2] K. Umemori et al., “Design of L-band superconducting
cavity for the energy recovery linacs”, APAC’07, Indore,India, p.570 (2007).
[3] K. Umemori et al., “Vertical Test Results for ERL 9-cell
Cavities for Compact ERL Project”, IPAC2012, NewOrleans, USA, p.2227 (2012).
[4] R. Hajima et al. (ed.), KEK Report 2007-7/ JAEA-Research
2008-032 (2008) [in Japanese].
[5] E. Cenni et al., “Field Emission Measure during cERL Main
Linac Cryomodule High Power Test in KEK”, SRF’13, Paris,France, p.678 (2013).
[6] Y. Yamamoto et al., “High Gradient Cavity Performance inSTF-2 Cryomodule for the ILC at KEK”, IPAC2016, Busan,Korea, p.2158 (2016).
[7] C. Madec et al., “The Challenges to assemble 100
Cryomodule for E-XFEL”, SRF’13, Paris, France, p.816(2013).
[8] 興研(株); http://www.koken-ltd.co.jp/[9] M. Boehnert et al., “Particle Free Pump Down and Venting of
UHV Vacuum Systems”, SRF’09, Berlin, Germany, p.883(2009).
[10] (株)ウィックス; http://www.wexx.jp/- 448 -