Proceedings o f the 22nd Linear Accelerator Meeting in Japan

pa-4
IN-HOUSE FABRICATION AND PERFORMANCE OF L-BAND SC CAVITIEST. Suzuki, T. Ikeda, S. Ogushi, T. Higuchi, K. Komine, M. Nishigaki, S. Fukuda,
K. Saito*, S. Noguchi*, ML Ono*, T. Shishido*
Nomura Plating, Co., Ltd.
5, Satsuki-cho, Kanuma-shi, Tochigi-ken, 322 JAPAN*; High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1, Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305 JAPAN
Abstract
Surface treatment is the most important process to make high performance superconductingcavities. In order to develop our long experience on surface treatment and make our technology
more reliable, it is desirable to have experiences from cavity fabrication to cold measurement. So
we made two L-band cavities, aplied a standard surface treatment of the KEK L-band group, tried
new method and made cold tests.
L - バンド超伝導単セル空洞の社内製作とその空洞性能
1 ■はじめに
当社ではTRISTAN-I計画以来ニオブ空洞の表面処理にム 溶 接 (E B W )で接合し、 円筒形状を作りその後通し具を使って真円出しし、両端部をカツトした。加工された関してKEKと共同研究を行っている。 空洞性能としての要求は高加速電界、高いQf直、 および高い安定性である。
また、表面処理の簡略化を行いながらも高性能を信頼性よく実現することが要求されている。
KEKにおけるしバンド空洞の開発は1992年に始まり現在に至っており 、その間、 電解研磨や化学研磨などの表面処理および高圧純水洗浄などの洗浄処理方法の最適化の研究をKEKと共同で行ってきた。 これらの経験をふまえ、昨 年 、社内でしバンド単セルニオブ空洞を2 台製作した。 その目的は、実際に空洞製作の全プロセスを経験することによって製作上の問題点や表面処理の役割、重要性を再認識することであり、 また、 これらの)空洞を新

図 1 .空洞形状しい表面処理法の開発に使うことである。 ここでは、空洞の製作および表面処理後の性能測定結果について報告する。

セル用角板i
円切りI
2 . 空洞の製作
今 回 製 作 し た 空 洞 の 形 状 を 図 1 に示す。空洞の製作方法は、最近のKEKしバ ン ド グ ル ー プ で 採 用 さ れ て い る 方法 [1 ] に 従 った。製 作 フ ロ ー を 図 2 に示す。空洞材料は東京電解（株 ） のニオブ 材を使用した 。材 質 は RRR=182，

ブレスIKEK)

ロ 一 ル （(本 番 前 に 銅 で 条 件 だ し ）トリム

パイプ化EBWi(本 番 前 に 鋼 で 条 件 だ し ）

i
赤道部

EBW4I
パ イ プ 芯 だ し （K E K )

i •i

トリム•
フランジ接統部E B W —ハ ー フ セ ルの成型はKEKにて実績のある深絞り成型を使っした。 ビ ー ム パイブはニオブ板を ロ ー ル し た 後:、電 子 ビ ーカット

(本 番 前 に 銅 で 条 件 だ し ）純度99.8% 以 上 、伸 び 31.5% 以 上 、硬さ5 1.6H v である。
た。KEKから金型を借りて成型し、両端部をトリミング

ビ ー ム パイブ用角板

アイリス部E B W -図 2 . 空洞製作フロ_フランジ図 4 . セル+ ビ ー ム パ イ プ EBW 溶接シームの状況

(失敗側〉
図3 .

ビームパイプの加工の状況

これらの部品を脱脂、化 学 研 磨 によるクリーニング(lOjam 除去） を施した後 EBWにより空洞形状に一体化した。 図 3 に製作の様子を 示す。EBWは 表 1 に示す条件のもとで行われた。特にセル赤道部の溶接は、 この後の機械研 磨 （バレル研磨） を容易にするためにシーム部をなめらかにすることを心掛けた。そのために鉛直ビームに対してセルを 60 度 傾 け 、 ビームパイブ開口部から内面斜め打ち溶接をした。 ビームパイプとセルの溶接は外打ち溶接をした。 しかし、表 1 に示したビーム条件のもとで、 どちらの空洞も片側のセル+ ビームパイプがうまく溶接できなかった。つまり、十分な溶接溶け出しが得られなかった。その原因の一つはセル端部の厚み（2.2mm ) とビームパイプ

図 5 . 完 成 し た ニ オ ブ 製 L 一バンド超伝導空洞端部の厚みのミスマッチによると考えられるが、その他に性を調べた。 その結果を図 6 にまとめて示す。 ここでは主熱のこもりなどの要因も考えられる。 この溶接部を改善するために電流値を上げて再溶接した が ス パ ッ タボールが発に以下の 3 つのことについて報告する。 なお、性能測定は
KEKにて行った。

生し、一部に溶けだし不十分な箇所が残っていた。そこで、

ノくレル+ 少量 EP + 真空アニ一 ル+ 水洗洗浄

それ以上外面からの溶接では不十分と考え、 ビームパイプ

図 4 に 示 し た ス パ ッ タ ー ボール を 効 率 よ く か つ 信頼性

開ロ部から内面再溶接した。 図 4 にこうした溶接後のシ一高く除去するためにバレル研磨を行った。従来のバレル研ム部を示す。 シーム周辺に外打ち溶接時に発生した ス パ ッ磨では赤道部が集中的に研磨され、 アイリス部はほとんどター痕（0.5mm程度の大きさ）が多数観察される。図 5 に研磨されない。今回製作した空洞では、 ス パ ッ タ ボールが電子ビーム溶接が完了した空洞を示す。

アイリス周辺に集中していて従来の方法では除去しずらい。

3 . 空洞性能測定結果

洞 （N - 2 ) に 適 用 し た [ 3 ] 。 そ して、バレル研磨によりこの問題を解決するために揺動バレルを開発し、一つの空
この 2 つの空 洞に表 2 に示す処理を行い、性能との相関
表1 .

埋め込まれた砥粒を除去するために 8.2Mm電 解 研 磨 (EP)E BWの溶接条件
隹占速度

ワークDプログラム

ビーム角度(ipm)

(mm)

(sec)

(° )

670

15314

1-22-19027/25670153141-44-260

115

27.5/24670

153141-108-460

115

22/22.5670

153142-45-490

電圧電流(kV)

(mA)

単管

115

25/24.5

フランジ

115

赤道部
アイリス

名称

注 ：電 流 値 は 前 が 適 正 値 、後 ろ が 実 施 値 で あ り 、 ワーク D は200 + 天 井 か ら の 距 離 で あ る 。

—117-

を施し、その時ニオブが水素を吸臓して性能劣下をおこす

4 • まとめ問題（水 素 病 ） [ 4 ] を避けるために真空アニー ル （7701 ) 自社製作においてKEKと同等の性能をもつ空洞を製

t：，5 時間） を施し、水 洗 洗 浄 （メガソニック洗浄+ 高圧洗浄） を 行 い 性 能 測 定 し た 。 結 果 を 図 6 ( • 印 ） に 示 す 。

作することができた。
2 ) バレル研磨を使うと化学研磨でfast co o lで逃げ切れな

KEKで こ れ ま で 報 告 さ れ て い る 結 果 [5] と同程度の性能を得た。 このことからKEK in-houseの製作技術と同レベルい水素病が発生する。
3 ) 従来、化学研磨と電解研磨では10MV/m程度の加速電の製作技術が習得できたと確信する。

界では顕著な差異は認められなかった。 しかし，バレル+ 少量化学研磨+ 水洗洗浄

25MV/m程度の高電界においてEPの優位性が確認され機械研磨後の化学研磨（CP) の効果をみるためにバレた。

ル研磨のあと少量CP(15Mm)を行い水洗洗浄を行い、 性能4 ) 現在の処理でも大きな性能劣下をひきおこす原因不明測定を行った。 この測定では常温から低温への冷却をfastの現象ある。表面処理プロセスの管理強化の必要性をco o lで行った。結 果 を 図 6

痛感する。

( □ 印） に示す。他の結果に比ベ て 加 速 電 界 4 MV/m辺りからQ値の急激な低下が顕著である。 この領域ではX線の発生がないので発熱による低下謝辞と考えられる。その原因はCPにおける水素病と推測され今回、空洞を製作するあたりKEK工作センターの井上氏る。 これまで、水素病はfast co o lで避けられると考えられに技術的援助を、 また舟橋氏には電子ビーム溶接の御指導ていたが、 fast c o o lでも避けられない水素病があることがをいただきました。深く感謝いたします。野村鍍金本社の示唆される。

野村社長には物心両面の援助をいただきました。 お礼申し

上記のことが水素病であるかどうかを確かめるために水上げます。

素脱ガスアニー ルを施 し水洗洗浄を行い性能を測定した(表 2 — 3 ) o 結 果 を 図 6 ( △ 印） に示す。脱ガスの結果、参考文献

Q ® が18M V/mまで回復し、 従って水素病であると判断さ[ 1 ] H. Inoue et. al., "In-house L-band Niobium Single Cell

れる。 ただし、 それ以上の高電界部で急激なQの低下が観Cavities at KEK", Proc. of the 18th Linear Accelerator

測 ざ れ る 。KEKの報告[5]では、 これはCP特有の現象であMeeting in Japan, Tsukuba, 1993, p.304-308

る。EPで は そ の よ う な 現 象 は 顕 著 で は な い （図 6 ⑩印) o[2] T. Higuchi et. a l.,”Finished Niobium Surface

with

我々の結果でも25MV/m以上の高電界部におけるEPの優位

Barrel Polishing"，Proc. of the 21th Linear Accelerator性が示唆される。

Meeting in Japan, Tokyo, 1996, p.228-230

C P による高電界部におけるQ 値の劣下[3] T. Higuchi et. al., "Studies of Swing and Chemical

この問題の再現性を確認するために、再度バレル研磨、化学研磨および水洗洗浄を行い性能測定を行ったが、性能はフイ一ルドエミッシヨンにより制限された。原因は現在

Barrel Polishing for SC Cavities", in[4]High Pure Niobium Cavities", Proc. of the 18th Linear

も不明であるが高圧水洗を行うことで性能は回復した。 ただし、高電界部でのQffiの低下は再現される。化学研磨でthis meeting

K. Saito et. al” "Qo-degradation due to Hydrogen in
Accelerator Meeting in Japan, Tsukuba, 1993, p.229-303[5] K.Saito et. al””Importance of the electropolishing for

は高電界におけるQ値の劣下は不可否である。 高電界におthe high gradient SC cavity fabrication” ， in this meeting.

ける電解研磨の優位性を確認できた。
表 2 • 表面処理条件
表面姐理12345揺動バレル研磨+ 霪解研磨+ 真空アニール+ MSR
8.2
770 Vx 5 hr
64 sin+純水HPR
1.25 hr
バレル研磨+ 化学研磨+ MSR + 純水HPR
15典m
64 Bin1.25 hr
真空アニール+ MSR + 純水HPR
750 Vx 5hr
64 Bin1.25 hr
バレル研磨+ 化学研磨+ 真空アニール+ MSR
10#m
750 X3X5hr
64 Bin+ 鈍水HPR
1.25 hr
純水HPR
1.25 hr101

Eacc
26.5MV/mQo•S w in g B a r re l, E P 8 .2 n m , H P R , A n n e a l, 6 4 °C M S R , p .w . H P R ( '9 6 .1 2 .1 7 )□B a r re l, C P

1 5 n m , 6 0 ° C M S R , p .w .H P R ('9 7 .1 .2 1 )厶H P R , A n n e a l, 6 0 ° C M S R , p .w .H P R ( '9 7 .2 .5 )X

B a rre l, C P

O('9 7 .2 .2 7 ) + p .w .H P R

• X ^

I

1 0 “ m , A n n e a l, 6 0 °C M S R , p .w .H P R ( '9 7 .2 .2 7 )( '9 7 .3 .7 ): ：：；：■-"i*'i'O•O'ダ '0'•设_Q_
14.5
二-ニr .

口 :

23.97

十べ­

5.06
Eacc [MV/m]

図6 .
22.93

- 118-

表面処理と性能測定結果<p .w: purew a te r) :