Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 TUP51

コールドスプレーによる新しいニオブ超伝導空洞の製造方法の提案
A NOVEL MANUFACTURE OF NIOBIUM SRF CAVITIES BY COLD SPRAY
山中将#, A), 嶋田慶太 B)
Masahi Yamanaka #, A), Keita Shimada B)A)
KEKB)
Nihon University, College of Engineering

Abstract

Niobium coating technology has been developed for superconducting radiofrequency (SRF) cavities to reduce material
costs. Cold spray (CS), a film formation method that feeds solid-state particles onto a target to form a thick film in a shorttime, is the focus of this study, with the aim of reducing the cost. To verify the feasibility of manufacturing an entire
structure of SRF cavities using CS, an additive lathe method with CS was performed. Niobium particles were supplied
through a CS gun manipulated by a robot arm to consistently orient the blast direction to the normal direction of analuminum alloy sacrificial mandrel. Nb-made cavities were successfully fabricated by dissolving the mandrel inhydrochloric acid.

1.

膜の達成と超伝導転移について報告している。一方、緒言

CS により Nb 製空洞形状をはじめとする形状創成に超伝導加速空洞（SRF 空洞）は粒子加速器の重要ついての報告はまだない。筆者らは空洞形状の創成な構成要素である。通常、SRF 空洞は純物質の中でと超伝導特性の検証試験を行ったので報告する。

最大の超伝導転移温度 Tc（9.2 K）を有するニオブ（Nb）により製造される。Nb を上回る Tc を有する

2.

実験

化合物超伝導物質は存在するものの、高純度に安定2.1

コールドスプレーして製造できる点で Nb が現時点でも第一の材料で本 実 験 で は Taniobis 社 製 の ニ オ ブ 粉 末ある[1, 2]。しかし、レアメタルとして扱われる Nb（Ampertec® TS niobium metal powder 10–30 μm）をの材料費は巨大な加速器において問題となる。そこ使用した。Figure 1 にその顕微写真を示す。また粉で、コーティング技術による材料節減の研究が進め末の化学組成を Table 1 にまとめる。CS はプラズマられている。1980 年、CERN にて銅空洞内への Nb技研製装置（PCS-1000）を使用し、6 自由度ロボッのスパッタ成膜（以下、膜/基板物質の順で Nb/Cu のトアーム（Motoman MS80、安川電機）に把持した。

ように膜と基板を表記する）が開発され、コーティ成膜条件を Table 2 にまとめる。実験は平板と空洞のング技術の研究が進められている。理論上、Nb の磁場侵入深さ λL は 40 nm 程度と短いことから、超伝導特性は表面近傍によって決定される[2]。一方、成膜前の空洞表面の形状に倣って成膜されることから、前加工で高レベルな鏡面加工が要求される[3]。また実用上は成膜の不均一から追加工をしたいケースがあるものの、薄膜 Nb であると追加工が困難となる。
したがって、厚膜成膜技術は前加工面の精度を無視して膜を形成し、後加工にて表面性状を整えることが可能となる点でメリットがある。
コールドスプレー（CS）は粉末材料を固相状態のまま高速で基材へ吹き付ける成膜技術であり、成膜速度が高速であることが特長である。Kumar ら[4]はNb 粉末を用いた Cu 基板への CS を試みており、成Figure 1: Laser microscopic photo of niobium powder
observed with a confocal laser scanning microscope (VK8510, Keyence, Japan).

____________________________________________# masashi.yamanaka@kek.jp- 441 -

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Table 1: Chemical Compositions of the Niobium Powder Measured by Manufacturer (unit: wt. ppm)
CHNOFeCrNiMnNaKMg

CaSiMoTaW<10<1057526<2<2<2<1<1<197<3<3<473<5

内部形状のマンドレル（ともにアルミニウム合金（JIS A2024）製）に対して Nb 粉を成膜した。マンドレルの寸法は長さ 90 mm、赤道部直径 76 mm の 3.9

Table 2: Conditions of Cold Spray for (a) Plate and (b)Mandrel(a)GHz 空洞を模した形状である。ただし、CS の操作に(b)より Al 基板は熱変形したため、基板のクランプ（鋳Working gas

Nitrogen鉄）に堆積した Nb 膜をアルミナ砥石により切断しGas temperature

450 °Cて超伝導試験片を作成した。マンドレルは旋盤の主Gas pressure

3 MPa軸に把持し、マンドレルに対して均一な膜が形成でNozzle traverse speed

きるよう回転させながら CS ガンを操作した（Fig. 2）。
成膜後、マンドレルは 35 wt% 塩酸に浸漬させることにより除去した。
2.220 mm/s

~ 20 mm/s

Lathe rotation—250 min−1

Standoff distance

20 mm

30 mm

109A2024

A2024

Number of repetitions
Substrate material

超伝導試験

CS により成膜した Nb 膜を 2 mm 厚に切り出した試験片は硝酸・リン酸・フッ酸の混酸液にて化学研磨（CP）を施した。そのうちの一部を真空炉にて 3h 昇温、3 h 800 °C を保持、その後炉冷した。以下、アニール前材、アニール後材と称する。それらアニール前後材の Nb 試験片を真空低温チャンバ内で伝導冷却にて 5 K 付近まで冷却し、冷凍機の電源を切って昇温しながら四端子法にて電気抵抗を計測して超伝導転移を確認した。

3.

実験結果
Figure 3 に CS によるマンドレルへの Nb 膜積層の進展状況を示す。Figure 3(b)のように 1 回目のノズル(a)スキャンでも Nb の積層が確認でき、Figure 3(c)のよImmersed inhydrochloric acid(35 wt%)うに 320 s で厚膜形成が完了した。作製した試験片をワイヤ放電加工にて対称に切断し、切断試験片と塩酸によりマンドレルを除去した試験片を Figure 4
Nb/Al structureに示す。厚さ 2 mm 程度の厚膜の形成が確認できる。
塩酸でマンドレルを除去した試料は赤銅色に変色しNb alone(b)ており、A2024 の成分による影響が考えられる。また Figure 4(b)、(c)のように Nb と Al の境界部であった箇所にて層間剥離がある。これは Nb–Al 境界での密着性や塩酸により材料が除去されたことによる応力開放が原因と考えられるが、いずれにしても SRF

Figure 2: Schematic of the CS process for fabricating acavity model: (a) additive lathe to form a thick film on thesacrificial Al alloy mandrel, (b) removing the mandrel toobtain the Nb alone cavity.

空洞として使用するには機械研磨もしくは化学研磨などの後工程を要することを示している。

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Figure 5 は CS により作製し CP 処理まで施した試RRR はこれまで報告されている成膜技術による値と験片と、さらに真空アニール処理まで施した試験片同等であった。今後は 1.3 GHz 空洞を製造し性能試の温度・抵抗線図である。両試験片とも超伝導転移験を行う。

した一方、アニール前材料はバルク Nb の Tc である
9.2 K 付近で超伝導転移したのに対して、アニール後材では 8.8 K 程度から超伝導転移した。また、残留謝辞

抵抗比（RRR）はアニール前材で 10 ± 0.01、アニー本研究で使用したニオブ粉はタニオビスジャパン

ル後材で 7 ± 0.1（±は標準偏差）であり、CS による株式会社より提供を受けた。またコールドスプレー

Nb 膜の先行研究[4]の 3.42 やマグネトロンスパッタによる成膜実験は、プラズマ技研工業株式会社の[5]の 10–26、HiPIMS[6]の 4.36 と同等であった。

オープンラボを使用して実施した。両社の協力に深4.

く感謝申し上げる。また KEK 共同開発研究、TIA かけはし事業、および KEK 加速器技術開発若手研究プ結言

ログラムの助成を受けた。記して、謝意を表す。

CS によりニオブ製構造体をアルミニウム合金のマンドレル上に製膜し、マンドレルを除去することにより CS による SRF 空洞形状を初めて達成した。

Figure 4: Cross-section of the Nb/Al mandrel similar to
3.9 Hz SRF cavities; (a) as-CSed Nb/Al mandrel and Nb
film alone dissolved by HCl solution, magnified picturesof (b) equator part, and (c) iris part.

Figure 3: Progress of the CS additive lathe: (a) before CS,
t = 0 s, (b) in the middle of the first pass t = 18 s, and (c)after CS, t = 320 s, where t is the elapsed time of the CSprocess.

Figure 5: Temperature–resistivity diagrams of as-received
and annealed samples.

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参考文献[1] C. P. Poole et al., “Introduction” in Handbook ofSuperconductivity, C P Poole, Ed. Academic Press, 1999, pp.
1–27.
[2] A.-M. Valente-Feliciano, “Superconducting RF materials
other than bulk niobium”, Supercond. Sci. Technol., vol. 29,
no. 11, 113002, 2016.
doi: 10.1088/0953-2048/29/11/113002[3] S. Calatroni, “20 Years of experience with the Nb/Cu
technology for superconducting cavities and perspectives forfuture developments”, Physica C, vol. 441 pp. 95–101, 2006.
doi: 10.1016/j.physc.2006.03.044[4] S. Kumar et al., “Superconducting niobium coating
deposited using cold spray”, Mater. Lett. vol. 312 p. 131715,
2022. doi: 10.1016/j.matlet.2022.131715[5] Sublet et al., “Thin Film Coating Optimization for HIEISOLDE SRF Cavities: Coating Parameters Study and Film
Characterization” in Proc. SRF2013, Paris, France, Sep. 23–27, 2013, TUP077.
[6] Andres et al., “Deposition of Niobium and OtherSuperconducting Materials with High Power Impulse
Magnetron Sputtering: Concept and First Results”, in Proc.
SRF2011, Chicago, IL USA, Jul. 25–29, 2011, TUIOA06.

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