cERL電子銃のセラミック管増設

JAEA
KEK

西森信行、羽島良一
山本将博、宮島司、内山隆司

協力： 三菱 飯島氏、NAT 浅川氏、NAT 沼田氏

第９４回ＥＲＬ検討会
２０１６年１月１４日

2016年1月14日

西森信行 第94回ERL検討会

N. Nishimori et al., APL 102, 234103 (2013)

原因はKEKへ移設後に明らかになったが（2013年2月）、500keVビームを安定に出したいという思いを持続。

5002.0400

1.53001.0200

0.5

100

0.000

12Time (min.)

56600
5001mA@440keV

4000.830 min.

300
200

0.4

1000.0High voltage (kV)Beam current (mA)

600

1.8mA@500keV

1.2

Beam current (mA)

JAEAで500keVビーム生成に成功したが、当時の電圧保持時間は500kVで40分、390kVでも3時間程度であり、長時間のビーム生成に耐えられる状態ではなかった(2012年10月）。

2.5010203040Time (min.)

50060

High voltage (kV)

動機、背景2016年1月14日

西森信行 第94回ERL検討会

cERLへ移設前後のセラミック管単独試験
2012 10/15

2013 2/27

2013 2/28
10-5600430kV 放電

550kV 3.5時間

500440kV 15分

400
電圧300200

10-7真空度

真空度（Pa）

高電圧（ｋV)

10-6

10-8

100004時間

移設前＠JAEA
問題なしと思っていたが…

8 0.00.4時間

0.8 0.0

移設後＠KEK
問題発生
セラミックの最上段、最下段にしみを確認

0.4時間

0.810-9

移設後＠KEK
問題解決
最上下段セラミック短絡、8段運転で安定化セラミック管が原因！

2016年1月14日

西森信行 第94回ERL検討会

8段セラミックでの安定な390kV電子銃運転
電圧
500 kV2013年4月から15年6月まで延べ1200時間以上電子銃起因の放電無し。
JAEAで390kVで3時間で放電していたのは、セラミック管の問題だろう。

390 kV

0 kV

真空度
10-7 Pa
10-8 Pa

10-10 Pa

Pressure rise caused by gate
valve open and close2016年1月14日

西森信行 第94回ERL検討会

次世代FEL（LCLS-II、EUV-FEL）には高電圧電子銃

規格化エミッタンス (µmrad)

1.0

計算
宮島司 (KEK)

8段セラミックで500kVは当面回避10段に戻す策として
1.

0.8

野心的過ぎて承認得られず。

0.6
2.

0.4

0.2

「cERL電子銃セラミックの改造案」
西森 2013年10月第55回電子源打ち合わせ
2段セラミック管増設案
余り注目されなかったが、最良案と考え個人的に予算獲得の努力。
科研費、JAEA内部競争的資金の獲得に失敗し、壁にぶつかる。

●d=160mm■d=100mm

0.0300「電子銃セラミック修理案」
西森 2013年5月9日 cERL建設打ち合わせ
サンドブラストによる修理案

400
高電圧 (kV)

5006002016年1月14日

西森信行 第94回ERL検討会

増設セラミック管製作@JAEA

増設セラミック管• JAEAガンマ線Gの予算投資が決定（2014年度総額?）• 限られた予算内で関連部品を含め整備（2014年度中に終了）

セラミック管ベーキング用断熱材（橋本機工）

延長ロッド

2段セラミック管（日立パワーデバイス）
ガードリング、延長ロッド（新光産業）

出力抵抗(JAEA工作工場）

2016年1月14日

西森信行 第94回ERL検討会

増設セラミック管インストールの承認手続き• 「第一電子銃へのセラミック管増設計画・準備状況」

西森 2014年12月5日 cERL建設打ち合わせ
準備状況と具体的なインストール計画を説明、好感触• 2015年3月までにLCS実験、及び100µA運転成功。cERL運転に一区切り。
• 「2段セラミック管の仮組作業状況」

西森 2015年5月15日 cERL建設打ち合わせ
河田ERL推進室長から500kV運転へ向けた増設作業への明確なゴーサイン2年半の思いが半分実る。
• 2015年7月から、cERL入射器グループ（特に山本将氏）の全面的な協力を頂き、インストール作業開始。

2016年1月14日

西森信行 第94回ERL検討会

セラミック管増設作業 2015年7月1日
カソード電極、サポートロッドを外して、2段セラミック管増設
2段、10段セラミック管のヘリコフレックスからリーク。増し締めで解決。

作業メンバー西森、山本将、内山、飯島、浅川、沼田2016年1月14日

西森信行 第94回ERL検討会

8+2段セラミック管単独高電圧試験 2015年7月15日
無放電で550kVまで昇圧。2009年の10段セラミック管の試験よりはるかに高性能

10-7600400

550kV 無放電
3時間以上

10-8300200vacuum (Pa)High voltage (kV)

500

100001234Time (hours)

567

10-9

メンバー西森、山本将2016年1月14日

西森信行 第94回ERL検討会

高電圧コンディショニング（’15 11/26～12/20）
1.
2.

3.
4.
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7.
8.

延べ150時間程度のコンディショニング
電圧印加はNAT浅川氏、沼田氏が中心（9:00-17:00）。
山本将、宮島、内山 各氏が交代でサポート。
西森は電話などでインターロック条件などを指定。
暗電流発生無しに548kV印加に成功 （浅川氏、沼田氏）。
12/14-12/20は西森も加わり、21:00までコンディショニング。土日も実施。
500kVで4時間以上の無放電に成功。セラミック管電圧490kVに相当。
4月以降にコンディショニングを再開し、更なる昇圧を目指す予定。
12/21に保護抵抗を交換。100MΩ→66.6kΩ。1mAビーム試験用。
保護抵抗が小さいので、ビーム生成試験時の電圧は要検討。450kV位か。

2016年1月14日

西森信行 第94回ERL検討会

まとめ
1. 500kVの長時間安定印加とビーム生成が2012年10月以来の目標。
2. 2段セラミック管の増設を提案、羽島氏の力添えもありその準備を14年度までに終了。
3. cERL電子銃へのインストールが15年5月に許可され、目標達成へ大きく前進。
4. cERL入射器グループのバックアップを得て15年7月に増設セラミック管をインストールし、550kV高電圧印加試験に成功。
5. サポートロッドと電極を15年9月インストールし高電圧印加試験で180kVで放電。
延長ロッドとの継ぎ目が原因。
6. 緊急に新サポートロッドを製作し15年11月にインストール。
7. 15年11月末からの高電圧印加試験で548kVを達成し、500kV（セラミック管490kV）で4時間以上無放電。
8. 電子銃としての最高性能を知るため更なるコンディショニングを16年度中に希望。
今回は明らかに時間不足。
9. 出力抵抗を1mA用の66.6kΩに交換済。本来なら100MΩで高電圧ビーム生成試験を行いたい所。3月の高電圧運転をどう設定するか、要相談。490kVは避けたい。
目標達成はまだ先ですが、多くの方々の御力添えにより大きく前進することができました。
深く感謝いたします。