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

PASJ2017 TUP040

ERL 用超伝導加速空洞の HOM ダンパーの開発
DEVELOPMENT OF HOM ABSORBERS FOR CW SUPERCONDUCTING CAVITIES IN
ENERGY RECOVERY LINAC
太田智子#, A), 高崎正浩 A), 山田正博 A)，宮本篤 A)，佐藤潔和 A)，
許斐太郎 B)，梅森健成 B)，阪井寛志 B)，加古永治 B)#, A)
Tomoko Ota , Masahiro TakasakiA), Masahiro YamadaA) Atsushi MiyamotoA), Kiyokazu SatoA),
Taro KonomiB), Kensei UmemoriB), Hiroshi SakaiB), Eiji KakoB)A)
TOSHIBA CorporationB)
KEK, High Energy Accelerator Research Organization

Abstract
Higher Order Modes (HOM) absorbers for superconducting cavities in energy recovery linac (ERL) have beendeveloping at TOSHIBA in collaboration with High Energy Accelerator Research Organization (KEK) since 2015. Aprototype HOM absorber for 1.3 GHz 9-cell superconducting cavity was fabricated. An aluminum nitride based lossy
dielectrics (AlN) cylinder was brazed in a copper cylinder. Stainless steel flanges were joined on either end of the copper
cylinder by electron beam welding to fabricate a whole prototype HOM absorber. Brazing tests and welding tests ofCu/SUS were carried out before fabricating the prototype. RF performance measurement of this prototype HOM absorberat room temperature was started at KEK. Fabrication process of the prototype HOM absorber is presented in this paper.

1.

はじめにエネルギー回収型線形加速器（ERL）と組み合わせた自由電子レーザー(FEL)は、10 kW 級の極端紫外線（EUV）光源の候補の一つであり、次世代の EUV リソグラフィー用光源として期待されている。高エネルギー加速器研究機構（KEK）は、10 mA 級の ERL-FEL 光源を設計した。ERL-FEL 光源の主加速器は、超伝導 9 セル加速空洞とビームライン型高次モード（HOM）ダンパーから構成される。9 セル空洞は、KEK のコンパクト ERL用主加速器の実績を基にして設計された[1]。HOM を抑制することによって 10 mA 以上の高いビーム電流を加速し、12 MV/m 以上の高い加速電界を実現する CW 超伝導空洞の開発が重要な技術課題である。HOM ダンパー
は HOM を効率的に減衰させるための装置であり、ERLのような大電流ビーム用超伝導空洞にとって重要な開発要素の一つである。
当社は、大電流用超伝導空洞の HOM ダンパーの開発を目的として、2015 年に KEK との共同研究を開始した。これまでに、HOM ダンパー試作に向けた R&D として、高周波吸収体である窒化アルミ系セラミックス（AlN）の誘電率と透磁率の周波数特性を測定した。この結果、AlN は 80 K に冷却しても室温と同程度の高い高周波吸収特性を有することを確認した[2]。この測定データを基にして ERL 用超伝導空洞の HOM ダンパーを設計した[3]。また、AlN と銅のろう付の R&D を開始した。銅シリン
ダーの内面に AlN シリンダーをろう付した結果、接合強度が十分ではなく、接合界面が剥がれた。

2.

AlN/Cu ろう付の R&D
前回の R&D で剥がれた AlN と銅の界面を確認した___________________________________________# tomoko.ota@toshiba.co.jp

結果、ろう付の接合強度はほぼゼロであるとの知見を得た。これより、以下の 2 点を変更して、再度 AlN シリン
ダーと銅シリンダーのろう付を行った。
• AlN シリンダーの外周面に施したメタライズ層の上に Ni メッキを施す。
• ろう付の際、炉内を水素雰囲気にする。
Table 1 に AlN シリンダーと銅シリンダーの仕様を示す。
前回の R&D の時と同様、銅シリンダーの内面には熱応力を緩和するため複数の溝を加工した。インジウム入りの銀ろうを用い、750 oC でろう付を行った。Figure 1 にろう付後の試験片を示す。AlN シリンダーの表面にはクラック等の欠陥が生じていないことを目視で確認した。また、ろう付部分の接合状態を確認するため水浸法 UT を実施した。この結果、AlN シリンダーと銅シリンダーが良好に接合された面積は、全体の半分程度であった。
Table 1: Test Pieces for Brazing
Material

Inner diameter

Thickness

LengthAlN

100 mm

10 mm

20 mm

Copper

120 mm

6.5 mm69 mm

Figure 1: Test piece of brazing.
ろう付後の試験片を 80 K に冷却した。試験片の AlN側と銅側にそれぞれ熱電対を貼り、窒素ガスを用いて室温から 80 K まで冷却した。Figure 2 に試験片の温度変化を示す。これより、試験片は約 1 時間で室温から 80 K- 411 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2017 TUP040に冷却されたことが分かる。冷却後の試験片を目視検査した結果、Figure 3 に示すように、AlN シリンダーにクラックが生じていることを確認した。クラックが生じた原因として、以下の点が考えられる。
• 冷却速度が速過ぎて試験片が均一に冷却されず、温度差が生じた結果、AlN と銅の熱膨張の差によりクラックが生じた。
• 80 K から室温までの昇温時、銅シリンダーの伸びに AlN シリンダーが追随できず、AlN が銅に強く引っ張られた結果、クラックが生じた。

Table 2: Test Pieces for WeldingPart

Material

Size
DiameterThickness

LengthCylinderCopper

120 mm

6.5 mm

126 mmFlangeStainlesssteel

215 mm22 mm-Table 3: EBW Conditions

5000510152025

温度[℃]-50Acceleration voltage

125 kV

Beam current

30 mA

Welding speed

750 mm/min

AlNCu
室温-100-150-200-250

時間[hr.]

Figure 4: Test piece of welding.

Figure 2: Temperature of the AlN/Cu cylinder in thecooling test.
•Figure 5: Micro structure of the welding cross-section.

Figure 3: Cracks occurred in AlN cylinder.

3.

4.

プロトタイプの試作

4.1

仕様

プロトタイプの主な仕様を Table 4、外形図を Figure 6に示す。

Cu/SUS 電子ビーム溶接の R&D

銅シリンダーと SUS フランジを用いて、Cu/SUS の電子ビーム溶接（EBW）の条件出しを行った。Table 2 に銅シリンダーと SUS フランジの仕様、Table 3 に EBW の条件を示す。溶接した試験片を Figure 4 に示す。フランジの表面から EBW すると共に、補強のためフランジ裏面から断続溶接を行った。Figure 5 に EBW 部分の断面写真を示す。
銅シリンダーの両端に SUS フランジを EBW で接合する際、AlN シリンダーと銅シリンダーのろう付部分がろう付温度より高温になると、ろう付部分が剥がれる恐れがある。このような事象が生じないことを確認するため、EBW 中の銅シリンダーの温度を測定した。この結果、銅シリンダーの中央部（AlN シリンダーとろう付する部分）の温度上昇は 100 oC 未満であった。
溶接した試験片に熱サイクル（室温と 80 K，5 回）をかけた後、リーク試験を行った。この結果、リーク量は許容リーク量以下であった。

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Table 4: Prototype HOM Absorber Specifications
Frequency

1.3 GHzType

Beam line type

Inner diameter

100 mmWorking temperature

80 KRF absorbing materialAlN(Sienna tec., STL-150D)

Flanges material

Stainless steel(SUS316L)

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Figure 8: Prototype HOM absorber.
Figure 6: Drawings of the prototype HOM absorber.

4.3

非破壊検査

プロトタイプのろう付部分の接合状態を確認するため、
水浸法
UT を実施した。検査結果を Figure 9 に示す。
AlN シリンダーについては外周面をメタライズし、そのFigure9(1)はシリンダー全周のスキャン画像で、縦軸は上に Ni メッキを施した。銅シリンダーについては、R&D
シリンダーの高さ、横軸はシリンダーの周長（角度）を示の試験片と同様に、内面に複数の溝を加工した。インジ
ウム入りの銀ろうを用い、750 oC、水素雰囲気でろう付を す。画像中の黄色い線は AlN シリンダーの位置を示す。
行った。ろう付後の状態を Figure 7 に示す。目視検査の Figure 9 (2)は Figure 9 (1)の A 点（ろう付されていない部
結果、AlN シリンダーにはクラック等の欠陥が生じていな 分）のエコー波形で、67 μm と 69 μm にピークが見られる。67 μm のピークは水と銅シリンダー外周面の界面がいことを確認した。
ろう付後、銅シリンダーの外周を機械加工した。これは 入射波を反射していることを表し、69 μm のピークは銅シ80 K 冷却時に AlN にクラックが生じないようにする対策 リンダー内面と水の界面が入射波を反射していることをの一つで、銅シリンダーの肉厚を薄くして銅が AlN を 表す。Figure 9 (3)は Figure 9 (1)の B 点のエコー波形で、引っ張る力を弱くすることを期待するものである。その後、 69 μm にピークが見られないことから銅と AlN は接合さ銅シリンダーの両端に SUS フランジを EBW で接合した。 れていると考えられる。また、Figure 9 (4)は Figure 9 (1)のEBW の条件は R&D の時と同様である（Table 3）。完成 C 点のエコー波形で、69 μm に小さいピークが見られることから銅と AlN の接合は不完全であると考えられる。
した HOM ダンパーのプロトタイプを Figure 8 に示す。
Figure 9 (1)のスキャン画像の色の明度は、エコーの高さを表す。ろう付されていない A 点は白く、接合されている
B 点は黒く、接合が不完全な C 点は灰色に映る。これより、AlN シリンダーと銅シリンダーが良好に接合された面積は、全体の 6 割程度と考えられる。良好な接合面積を増やす対策の一つとして、ろう付で積極的にフィレットを形成させることが考えられる。フィレットを形成するため、銅シリンダー内面に加工する溝の形状を検討する必要があると思われる。
Figure 7: AlN/Cu cylinder after brazing.
4.2

試作(1) The scanning image of the HOM absorber. It shows the scanning image width 50 mm of the copper cylinder.
Yellow lines area shows AlN cylinder.

(2) Echo waveforms at point A.

(3) Echo waveform at point B.
Figure 9: Ultrasonic testing results.

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(4) Echo waveform at point C.

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5.

プロトタイプの RF 特性測定

室温における HOM ダンパープロトタイプ単体の RF 特性の測定を開始した。プロトタイプと銅シリンダーの両端に SUS フランジを EBW した試験片（Figure 4）について、1 GHz～6 GHz の共振周波数をネットワークアナライザで測定した。Figure 10 に測定のセットアップを示す。測定結果を Figure 11 に示す。これより、AlN の有無によって共振周波数に違いが見られることを確認した。ビームの加速に悪影響を与えるモードの Q 値を求めるなど、引き続き室温におけるプロトタイプの RF 特性を求める。

今後は、KEK にてプロトタイプを 80 K に冷却し、ろう付部分の接合強度を確認する。また、80 K におけるプロトタイプの RF 特性の測定を予定している。

参考文献[1] H. Sakai et al., “Superconducting Accelerator for ERL based
FEL EUV Light Source at KEK”, Proc. of 18th International
Conference on RF Superconductivity (SRF2017), Lanzhou,
China.
[2] T. Ota et al., “Development of HOM dampers forsuperconducting cavities”, 第 13 回日本加速器学会年会，幕張メッセ国際会議場，2016 年.
[3] T. Konomi et al., “Design of the 9-cell superconducting
cavity for EUV light source accelerator”, ICFA Mini
Workshop on High Order Modes in Superconducting
Cavities, Rostock, Germany, (2016);
https://indico.cern.ch/event/465683/sessions/205580/#2016
0822

Figure 10: Set up for RF test of the prototype HOM
absorber at room temperature.
0S11 [dB]

-10
-20
-30
Cu/SUS test piece(without AlN)-40

HOM absorber-50
1234Frequency [GHz]56560

S21 [dB]-10-20-30
Cu/SUS test piece(without AlN)-40

HOM absorber-50
1234Frequency [GHz]

Figure 11: Measurement results of HOM absorber andCu/SUS test piece at room temperature. S11 (upper) andS21 (lower).

6.

まとめERL 用 1.3 GHz 超伝導 9 セル加速空洞の HOM ダン
パープロトタイプを試作した。プロトタイプについて水浸法 UT を実施した結果、AlN シリンダーと銅シリンダーが良好に接合された面積は全体の 6 割程度であった。また、室温におけるプロトタイプ単体の RF 特性の測定を開始した。

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