Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 THP036

KEK におけるニオブ製超伝導空洞の高加速勾配化・低損失化の研究HIGH-Q
AND HIGH-G R&D AT KEK FOR Nb SUPERCONDUCTING RF CAVITY
片山 領 ∗ 、梅森 健成、道園 真一郎、
オメット マチュー、井藤 隼人、荒木 隼人

Ryo Katayama∗ , Kensei Umemori, Shinichiro Michizono,
Mathieu Omet, Hayato Ito, Hayato Araki
KEK: High Energy Accelerator Research Organization

Abstract
The performance of the niobium superconducting rf cavity is dependent on the surface-heat treatments applied priorto their assembly and the cooling process employed before the superconducting transition. Recently, it has been reported
that the electropolishing method at lower temperature (cold EP), baking process consisting of about 75 ◦ C for 4 hours
and 120 ◦ C for 48 hours (2-step bake), and fast cooling procedure to the cryogenic temperature further enhance the cavity
performance compared to conventional methods. If these reproducibility is conﬁrmed to be well, higher accelerator ﬁeld
gradient (High-G) and lower dissipated power during the accelerating operation (High-Q) should be realized in actualsuperconducting accelerator systems, which have an impact on ILC project and industrial applications of superconducting
rf cavities. Thus, KEK has been investigating the effects of the combination of cold-EP and 2-step bake as well as fastcooling procedure. The current status of this research will be reported below.

れる。まず第一に、超伝導空洞は実際に運転する前に空洞の母材であるニオブ材料の超伝導転移温度点まで冷却1 . はじめにする必要があるが、冷却速度を高めるとこのとき空洞の本論文で 2020 年から今まで KEK で行われてきたニ上下の温度差を強くつけることができるようになる。こオブ製超伝導空洞に対する高加速勾配化・低損失化の研れは超伝導空洞の母材にトラップされた軸方向の磁束が究成果について報告する。超伝導空洞の性能は加速電界自然と排除される力を生み、結果として磁束トラップにと表面抵抗（もしくはその逆数に比例する Q 値）によっ起因している表面抵抗の増分を軽減できる効果を生じるて指標され、加速電界が高いほど短い距離で粒子を加速 （Flux-Expulsion） [3] 。第二に、水素化ニオブは、ニオでき、Q 値が高いほど少ないエネルギー損失で空洞を運ブ製超伝導空洞の一般的な運転温度 2 K 程度では周囲の用できる。超伝導空洞の性能は母材の物性とそれに適用超伝導電子の助けを借りた近接効果による超伝導状態にした表面熱処理の如何に応じて大きく変化する。数十年ある。ただし、このような近接効果によって発現されたにわたる研究開発を経て、ニオブ製空洞に電解研磨処理
超伝導状態は印加磁場の強さに応じて常伝導転移するこ（EP: Electro Polishing）とその後の 120 ◦ C 48 h のベーとが知られており、加速電界の強さに応じて空洞性能がキング処理を適用することで 35 MV/m 程度の最大加速低下する原因になる可能性が指摘されている [4]。そこ
電界と 1×101 0 程度の性能を安定的に発揮できることがで、空洞の冷却速度を向上させて水素化ニオブが最も活実証されている。ただし、近年、加速効率のよい超伝導発に形成される温度範囲 80 - 120 K を早く抜け、形成さ空洞の学術利用・産業利用のニーズは高まりつつあり、 れる水素化ニオブの大きさと量をさらに抑制することに超伝導空洞のより一層の性能向上が望まれている。こ
よって、空洞性能の向上につながる可能性がある [5]。仮のようなニオブ製超伝導空洞の高加速勾配化・低損失化にこれらの表面熱処理と冷却手法の効力およびその再現をもたらす表面熱処理として有望視されるものに、低温性を実験的に保証できれば、国際リニアコライダー実験電解研磨処理（cold-EP）と２段階のベーキング（2-step計画 [6] 等に代表される大規模加速器実験のコスト削減bake）がある。通常の EP では 25-30 ◦ C で電解研磨処理 に大きな貢献がある。そこで、本研究では、実際に上記が行われるが、それを 6-16 ◦ C の温度で処理することでの表面熱処理と冷却方法を KEK が保有するいくつかの空洞性能が系統的に向上する傾向が生ずることが報告さ空洞に適用して電界性能の比較を行い、その有効性と再れている [1]。また、2-step bake は標準的な 120 ◦ C 48
現性の検証を試みた。以下で詳細を記述する。
h bake の前に 75 ◦ C 4 h の予備的な熱処理過程を加える方法であり、空洞の最大加速勾配を 20-30 %、Q 値を 10% 程度向上できる効果があると報告されている [2]。こ 2 . 研究方法
れ以外に有用な手法として空洞の急速冷却がある。急速本研究では、KEK が保有するいくつかの空洞に異な冷却による空洞性能の向上は以下のようにして発現さる表面熱処理工程と冷却処理工程を適用した場合における空洞の電界性能である加速電場と Q 値の対応関係を評∗ ryo.katayama@kek.jp
価し、得られた結果を比較して上記の表面熱処理と冷却- 802 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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方法の効力を検証している。また、得られたデータを解析して、RF 表面抵抗を温度依存性を持つ成分（BCS 抵抗）とそうでない成分（残留抵抗）にそれぞれ分離し、各々のデータの電界依存性の評価・比較を行っている。
本研究で試験された空洞を表 1 にまとめる。また、それらの空洞の電界性能評価試験を行う際に適用された表面熱処理と冷却工程の分類を表 2 にまとめる。以下で熱処
理条件と冷却条件の詳細について説明する。

がヘリウム冷凍機と直結されている）。本研究では、クライオスタットを真空引きしながら液体ヘリウムを可能な限り早く注入できるように変更し、冷却速度を従来の方法よりも大幅に向上させることに成功した。ただし、それでもなお達成できる Flux Expulsion の度合いは十分ではないため、あらかじめ前日にためておいた少量の液体ヘリウムを自然蒸発させてクライオスタットを予冷しておき、その翌日にデュワーから再度液体ヘリウムを注入して空洞を急冷して超伝導転移時に空洞の上下の温度2.1 電解研磨とベーキング差を強くつけられるようにしている。この二段階の冷却過程を採用することにより、海外研究機関の急速冷却の前述の通り、本研究では、超伝導空洞の標準的な表◦◦過程を KEK の環境でも模擬できるようにした。具体的
面処理レシピとして 25-30 C の電解研磨処理と 120 C
48 h のベーキングが適用されている。また、これと比較 には、極低温までの冷却に要する時間を 7000 → 4000 sまで短縮でき、Flux Expulsion の度合いを数倍以上向上するために、表面熱処理として空冷の cold EP と 2-stepbake （70◦ C 4 h + 120 ◦ C 48 h）が適用されている。本 できるようになった。この二段階の冷却過程の効力に関しては文献 [9] で報告しているので参照にされたい。本
研究における cold EP では、チラーと空冷によって空洞研究では、MT-5 VT6, MT-5 VT7, MT-6 VT8, R17b-VT3の温度を 14 ◦ C 程度にまで抑えながら電解研磨処理が行と R-17b VT7 でこのような冷却過程が採用されている
われており、その詳細は文献 [7] で報告されている。既。に文献 [7] において 2-step bake の前処理温度として 75 （注：MT-5 VT6 では冷却速度の向上は行われていない）◦C を採用した場合には cold EP + 2-step bake による空 なお、KEK では 1-cell 空洞の場合は、上下にビームパイプヒーターを設置して人工的に温度勾配を生じさせて強洞性能の向上は確認できなかったと報告されている。そい Flux-Expulsion を誘導することが可能である。また、
こで、今回は新たに 2-step bake の前処理温度として 70◦
C を採用している。現在、KEK では 200 W のリボン KEK ではクライオスタットの内部に設置した磁気シールドによって空洞周辺の環境磁場はすでに数 mGauss まヒーターと 400 W ヒーター × 2 を搭載したジャケットで減衰しているが、1-cell 空洞と 3-cell 空洞の場合は周を装着した状態でベーキングが行われている（1-cell ではリボンヒーターのみ使用）。この方法は簡易であるが、 囲に設置したコイルを用いてさらに磁場の補正を行うことが可能である。本研究では、R-8 VT1 と VT25 におい
空洞表面にヒーターが直接触れている箇所が overheatingて、ビームパイプヒーターを用いた強い Flux-Expulsionされてしまう可能性を排除できない。空洞性能に有害なの誘導とコイルによる環境磁場の補正が行われている。
影響を及ぼす可能性のある水素化ニオブの相図を見る◦
また、R-17b VT3 と VT7 でも、コイルによる環境磁場と 80 C 付近の温度領域には多様な相領域が点在してお◦の補正が行われている。
り [8]、仮にベーキング中に 80 C 以上の熱処理が行われている箇所があると上記の多様な相変化に応じて水素の拡散係数も変化し、元来 2-step bake が持っていたであろう表面水素量の低減効果が失われてしまう可能性がある。そこで、本研究では前処理温度として従来の設定温度より５ ◦ C 低い 70 ◦ C を採用し、この overheating の可能性を除去することを試みている。

2.2 冷却と空洞の温度差、磁場環境
KEK の環境では実験の前段階でデュワーからクライオスタットへと液体ヘリウムを注入して冷却を行っていく必要がある。この場合、冷却の初期段階でヘリウムガスが蒸発してクライオスタット内部で圧力の上昇が生じる。従来はトランスファーの速度、すなわち、空洞の冷却速度を犠牲にして圧力が過剰に上がる事態を防いでいた。その結果、KEK の環境では海外研究機関と比べて遅い冷却速度と弱い空洞の温度勾配しか達成できなかった（注：海外研究機関では実験環境のクライオスタットTable 1: 本研究で試験した空洞の分類
空洞名

セル数

材質

アニール

MT-5MT-6R-17b
R-89931FG
FG
LG with High Ta
FG900 ◦ C 3 h900 ◦ C 3 h800 ◦ C 3 h800 ◦ C 3 h3.

実験の結果

9-cell 空洞 MT-5 に異なる表面熱処理と冷却条件を適用した場合に得られた電界性能の比較プロットを図 1に示す。KEK の環境では 2 mSV/h 以上の放射線が観測されているとき Q 値の減少が生ずる。データを見ると、
MT5 VT2 の Eacc > 20 MV/m がそのような領域である。
したがって、標準処理の MT5 VT1 と MT5 VT2 は 20MV/m > Eacc でのみ比較すべきであるが、この場合は特に性能の向上は確認できていない。一方で、cold EP+ 2-step bake (70 ◦ C 4 h) を適用した MT5 VT6 と VT7を見ると、いずれの場合でも最大加速電界と Q 値の有意な向上が生じている。ただし、この MT-5 の測定結果
は cold EP + 2-step bake (70 ◦ C 4 h) と二段階の冷却過程の効力を全て含んだものである。2-step bake の効力だ
け切り分けるためには、電界性能の比較を冷却条件を揃えた状態で行う必要がある。そこで、9-cell 空洞 MT-6、3-cell 空洞 R-17b、1-cell 空洞 R-8 に対して同じ冷却条件を適用して比較プロットを作成したものを図 2、 図 3、
図 4 に示す。ここでは、R8 VT1 のみ T= 2.07 K、それ以外の測定では T= 2 K で測定が行われている。これは、R8 VT1 が行われた 2017 年時点で使われていたシリコン温度センサーが今現在使用されている CERNOX 温度センサーと比べて 70 mK のオフセットを持っていたことによる。一般に、70 mK の違いが Q-E 曲線に与える影- 803 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Table 2: 本研究で試験した空洞試験の分類。表中に記載した「空洞に温度差をつける方法」は以下の通りである。注１は本文中で説明したクライオスタットを予冷する方法によるものである。注２はビームパイプヒーターを用いて空洞の上下に温度差をつけて強制的に強力な Flux Expulsion を誘導する方法を指している。
空洞名

試験番号

表面熱処理

MT-5
MT-5
MT-5
MT-5
MT-6
MT-6
R-17b
R-17b
R-8
R-8VT1VT2VT6VT7VT9VT8VT3VT7VT1VT25

STD EP + bakecold EP + 2-step bake (75 ◦ C)
cold EP + 2-step bake (70 ◦ C)
cold EP + 2-step bake (70 ◦ C)
STD EP + bakecold EP + 2-step bake (70 ◦ C)
STD EP + bakecold EP + 2-step bake (70 ◦ C)
STD EP + bakecold EP + 2-step bake (70 ◦ C)

冷却速度向上
無無無有
有有
無無無
無

空洞の上下に温度差をつける工夫
無無有（注１参照）
有（注１参照）
有（注１参照）
有（注１参照）
無無有（注２参照）
有（注２参照）

響が僅かであることを考慮すれば、全ての測定で 2-stepbake（70 ◦ C 4 h） による Q 値の向上が生じていることが分かる。特に Fine Grain 空洞の場合において Q 値の向上が有意に高い。これは cold EP + 2-step bake (75 ◦ C4 h) を適用した場合に空洞性能が一度も向上しなかったのとは対照的な結果である [7]。ただし、いずれのデータにおいても最大加速電界の増加は生じておらず、特に Large Grain 空洞では最大加速勾配の低下が生じてしまっている。

Figure 2: 2-step baking 前後の電界性能の変遷 (MT-6).

Figure 1: MT-5 空洞に異なる表面熱処理と冷却条件を適用した場合に得られる電界性能の変遷.
図 5 と図 6 に、MT-6 空洞と R-8 空洞の BCS 抵抗（T=2 K）と残留抵抗の電界依存性の比較を示す。高電界側のデータは表面発熱量の少ない 1-cell の R-8 空洞でのみデータ取得が行われている。ここでは、T= 1.45-1.55
K から 2 K まで Q-E 曲線を測定した結果から得た表面抵抗の温度依存性を Rs (T ) = A/T exp (−B/T ) + C でフィットし、得られた第一項と第二項の評価値から BCS抵抗と残留抵抗を求めた。両空洞とも cold EP + 2-stepbake の処理の有無による BCS 抵抗の有意な変化は生じておらず、2-step bake の先行研究の論文で報告された電界依存性の振る舞いと異なっている [2]。一方で、cold
EP + 2-step bake を施した場合には残留抵抗が有意に減Figure 3: 2-step baking 前後の電界性能の変遷 (R-8).

少していることが理解される。

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Figure 4: 2-step baking 前後の電界性能の変遷 (R-17b).

Figure 6: R8 空洞と MT6 空洞の残留抵抗の電界依存性の比較.

方で、いずれの空洞の場合でも最大加速電界の向上は確認できなかった。RF 表面抵抗の電界依存性を解析した
結果、cold EP + 2-step bake(70 ◦ C 4 h) を施した場合に残留抵抗が大きく軽減していることが確認できた。

参考文献

Figure 5: R8 空洞と MT6 空洞の T= 2 K 時点での BCS抵抗の電界依存性の比較.

4.

まとめ

本研究では、空洞の高加速勾配化・高 Q 値化をもたらすと報告されている cold-EP + 2-step bake と急速冷却過程を KEK が保有する 1-cell, 3-cell, 9-cell 空洞に適用した場合に生じた電界性能の変化を評価し、その効力を検証した。まず 9-cell 空洞 MT5 に対して cold EP + 2stepbake (70-75 ◦ C 4 h) と冷却速度と空洞の上下の温度差を向上できる二段階の冷却過程をそれぞれ適用した場合の電界性能の比較を行った結果、2-step bake (70 ◦ C 4 h) を施した場合に電界性能が有意に向上していることが示された。さらに、冷却の条件を揃えた場合に MT-6 空洞とR-17b 空洞と R-8 空洞の電界性能の比較を行った結果、cold EP + 2-step bake(70 ◦ C 4 h) を施した場合に空洞のQ 値を高い歩留りで向上できていることが示された。一

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[6] T. Behnke et al., “The International Linear Collider Technical Design Report”;
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