超伝導加速空洞の挑戦--Compact ERLの空洞開発現状と今後の超伝導空洞の課題と挑戦-2014年11月22日
高エネルギー加速器研究施設 (KEK)
加速器研究施設 第７系
阪井寛志 on behalf of cERL grp.
主加速部超伝導空洞cryomodulecERLに設置された入射器超伝導空洞Cryomodule(全36pages)

岡崎 分子研cERLに設置された主加速部超伝導空洞Cryomodule

先端光源に関する研究会(2014.11.21～22)

1

内容(1)Introduction：超伝導空洞の概要
超伝導空洞の性能を決めるものは？（超伝導を決めるパラメータ）(2) ERL(Energy Recovery Linac)用超伝導空洞開発
ＥＲＬと超伝導空洞（何故ＥＲＬに超伝導空洞が必要なのか？）
ERLでの超伝導空洞の開発項目とCompact ERL(cERL)
ERL主加速器超伝導空洞の開発(空洞単体テスト結果)
cERLへinstallとビーム運転
超伝導空洞の問題点と今後の予定。

(3)世界の超伝導空洞開発とERLで培った技術の発展、応用
超伝導空洞を使った世界の加速器(EURO-XFEL,CEBAF uprgradeの現状）
CW-XFEL , さらなる空洞性能向上の展望。ERL-EUV-FEL(4)まとめ、感想
急いでいろいろな資料をまとめた分、まとまりが悪い話になりますが、わからなければ、質問ください。

2

(1) Introduction
何故、超伝導空洞を使うのか？（メリットは？）••Cu（常伝導）の表面抵抗9mΩ(@常温) (Q0 ～10^4)
20MV/m  40MWのロス(ＣＷ運転だと空洞が溶ける)(半分程度は空洞loss)

常伝導空洞

ＸＦＥＬ用空洞常伝導では熱負荷が大きくパルス運転でのfield
Peakパワーが大きくなるような大電力クライストロンが必要。

  2Q 0 

Flat top
数us程度

CW化で立ち上がりをなくす。

τ=2.5us @1.3GHz

Nbの表面抵抗（超伝導）～500nΩ(@4.2K, 1.3GHz): 20MV/m 2kWのロス（Heでの冷却大変ほぼ不可能）～10nΩ(@2K, 1.3GHz)(Q0 ～10^10) (常伝導の100万倍): 20MV/m  40Wのロス(loss less)（エネルギー回収可能）

P 

2

Vc
R / Q * Qo

加速電圧
空洞壁の
Power loss (P)は空洞のQ値に反比例

加速空洞の形状で決まる因子
超伝導空洞

ＥＲＬやCW運転には超伝導空洞は必須
２Ｋでの運転がbest

3
ＥＲＬ超伝導空洞

超伝導空洞の表面抵抗
超伝導空洞の場合の表面抵抗：Rs

Rs  RBCS  Rres ,Q0 

1.3GHz ERL空洞の場合

Rs

Γ：geometrical factor

2.0K
4.2K

残留表面抵抗：Rres

Rres=20nΩ

BCS理論による：RBCSR BCS  A

BCS抵抗

 0 Tc  exp T
 k B Tc T 2

Nb(Tc=9.2K)においては半実験式が存在。
Rs  R BCS  R res
2

ＢＣＳで抵抗が決まる周波数を低く。
Rresで抵抗が決まる周波数を高く。
現在はRresで決まっているため、1.3GHz程度を選んでいる。(700MHzくらいがほんまはbestか？)1 f 
 17 . 67 
R BCS  2  10
 exp  T  1 .5 T 
f [GHz], T[K]Rresが決まる要因①残留磁場による磁場トラップ (<10mG)f : frequency in GHz
T: temperature in K
T<Tc/2②残留水素、酸素などによる表面劣化など

4

一本の磁束の周囲には2の常伝導スポットができる。はコヒーレンス長。その抵抗はRn
4

地磁気を抑え（磁気シールド）、いい表面処理を行う。（後述）超伝導空洞の開発と実績 in KEK（ビーム運転あり）(Super)KEKB (周長3km)

空洞はNb製。強度がそれなりにあることと、Tcがそれなりに高い。(Tc=9.2K)

ＣＷ

ＣＷ

STF
PF-AR

4K
TRISTAN(5cell)
500MHz (KEK) (1988)
日本で初めての本格的な超伝導空洞開発startPF
cERL

Pulse (1ms 5Hz)

KEKB加速空洞(1997)
4K
500MHz 大電流化(1A)
ＣＷ

入射
ライナック
KEKB:素粒子実験衝突型リング(HER:8GeV, LER 3.5GeV)
STF: ILC超伝導空洞開発用
cERL(Compact ERL):
ERL開発試験棟
PF(2.5GeV),PF-AR(6.5GeV)は放射光リング

STF 9cell空洞 (for ILC) (2012)

高加速勾配化
2K
1.3GHz (目標31.5MV/m)cERL 9cell空洞 (主空洞)(2013)
2K
1.3GHz 大電流、高加速勾配(目標100mA,15MV/m)

近年は高加速勾配を目指すILC空洞での超伝導空洞の開発が進んでいる(DESYなど）。但し、超伝導空洞の本質は常伝導空洞ではできないCWで大電流を加速できること。そのＣＷ加速の魅力を生かすKEKB,ERLの空洞開発も行われ、これらの応用として、第３世代の放射光リングの加速空洞に超伝導空洞が多数設置されている、さらには近年は電子だけではなくprotonやion beamの加速にも需要が高まってきている。->世界の動向は最後に
5

(2) ERL用超伝導空洞開発：ＥＲＬの特徴と超伝導空洞への要求
cERL parameters

Apparatus of cERL

Vc2
Ploss 
R / QQ0

Ploss = 25W/m (15MV/m)

Red: initial case
Current : 10-100mA
Emittance : 0.1-1 mm mrad
Bunch length :0.1-3ps

主加速部

入射部

Compact ERL

35MeV（最初）9セル×2空洞(最初)15MV/m

5～10MeV
2セル×３空洞
7.4～14.7MV/m

エネルギー回収あり

なし

高周波電力／空洞～20kW(100mA*10MV/6 =)170kW

課題

HOM対策
（HOM-BBU,熱損失）

大電力Input Coupler(CW)、HOM対策も大事

特にILC,XFELとの違いは加速勾配は15-20MV/m程度でよいが、CWで20～6100倍以上も違う入力パワーによる熱負荷、HOMを如何に軽減するかが問題。

2-cell Cavity

Injector module

Tuner

空洞の設置状況＆経緯 T.Furuya & E.Kako et.al
大電流対応でinput couplerの開発が必要。
Input couplerによるビームキックの影響をなくすため＆カプラーあたりの熱負荷を減らすため
doubleで１空洞にパワーをfeed

Cryostat2-cell cavity × 3
Double coupler
RF frequency: 1.3 GHz
Input power :Assembling in Jun/2012

10kW/coupler (10mA, 5MeV)
180kW/coupler (100mA, 10MeV)
Eacc:

e-

7.6MV/m（5MeV）
15MV/m (10MeV)

Unloaded-Q:

Input Coupler
HOM Coupler &RF FeedthroughQ0 > 11010

Main linac module
HOM damped (for 100mA BBU suppression)
9-cell cavity × 2
HOM absorber HOM対策：またHOM
Cryostat
9-cell超伝導空洞
damperが100mAにもつかまた15MV/mが安定に立つかが重要。
Tuner

Install in Jul/2012
to cERLHigh power test
Jan/2013
commissioning
Apr/2013

Assembling in Oct/2012

Input couplerse-

RF frequency: 1.3 GHz
Input power : 20kW CW (SW)Eacc:

15 MV/m（目標）

Unloaded-Q:

Q0 > 11010

Installed in Oct/2012 to cERLHigh power test at Dec/2012
Commissioning Dec/2013

HOM-BBU(Beam Break Up)不安定性 (大電流ERL特有の現象)
ERL2005 E. Pozdeyev et. al.

※ 最も簡単な場合： 空洞１台、高次モードも１つのみ

HOMの空洞loss

空洞内のHOMによる蹴り(dU/dt <0 が安定条件）

matrixHOM

空洞にパワーが増え続けない電流閾値 (Ith)Jlabの空洞はこの影響で9mAで原理的にlimit•••

電流閾値の式から、m12sin(ωTr)をコントロールすればBBUを回避可能
ただし、これは1空洞の場合。3GeV ERLの場合は全ての空洞でコントロール不可。8Ithを上げるには、空洞の高次モードのインピーダンスの減少が必須。

ERL主リニアック用超伝導空洞： 基本設計()はTESLA空洞

K. Umemori et al., Proc. of APAC07 (2007).

設計のベースはTESLA空洞からTESLA空洞

Frequency

1300 MHz

加速勾配

15-20MV/m

Q0

1e+10

Coupling

3.8 % (1.9%)

Rsh/Q

897 Ω (1007Ω)

Qo×Rs

289 Ω

Ep/Eacc

3.0 (2.0)

Hp/Eacc

42.5 Oe/(MV/m)

SBP dia.：100
TE11: 1.757 GHz
TM01:2.295 GHz

Model 1

Iris dia.：80
TE11: 2.196 GHz
TM01: 2.869 GHz

LBP dia.：120
TE11: 1.464 GHz
TM01:1.913 GHz

ビームパイプのみ変更(100φ.120φ)

KEK-ERL Model-2空洞
空洞形状も変更
HOMをRF吸収体で吸収

設計方針
1) 大口径ビームパイプ＋RF吸収体2) 空洞セル形状をERL
用に最適化
3) 偏心フルート型ビーム
パイプ
HOM couplerの発熱を避けるた
め、RF吸収体を使用(後述)。

ＲＦ吸収体

偏心フルート型ビームパイプ

4極対策：偏心フルート(EFB)
２極に変換してHOM取り出し

M. Sawamura et al., Phys. Rev. ST
Accel. Beams 13, 022003(2010).

RF吸収体

設計の結果：HOM-BBU閾値
は向上（次節）したが、唯一Epak/Eaccの比率が1.5倍と上がった。同勾配でTESLA空洞と比べ、field emissionを起こしやすい空洞となっている。したがって、要求加速勾配である
15-20MV/mが高いQ値のもと達成できるかが開発の鍵となる。
9HOM-BBU threshold current(dipole)

TE-iris(Calculation performed by
R. Hajima, R.Nagai, JAEA)

Einj = 10 MeV, Eloop = 5 GeV, Eacc = 20 MV/m
0.7

TESLA空洞では2575MHzのTE-iris modeが効く。

具体的な計算はRF simulation codeを使用
Dipole mode distribution
Calc by MAFIA

threshold current (A)

0.6
KEK-ERL Model-2 (HOM: 6x2)

0.5

simulation by BI

0.4

BI : developed at Cornell(BBU-R : developed at JAEA)

0.3
0.2

KEK-ERL Model-1 (HOM: 6x2)

0.1
0

TESLA (HOM: 5x2)
0

50 100 150 200 250 300 350 400

BBU threshold are significantly improved
More than 600mA is possible for KEKERL model-2 cavity.

phase advance in the ERL loop (deg.)
name

空洞形状とビームパイプ形状

Ith (max電流閾値)KEK-ERL model-2 cavity

New cavity shape+ Large beampipe damper<600mA ○KEK-ERL model-1 cavity

TESLA cavity shape + Large beampipe damper<100mA △TESLA cavity

TESLA cavity shape + Loop-type HOM coupler

<20mA

×

超伝導空洞で電界＋Ｑ値をlimitするもの• 超伝導空洞性能劣化の主な原因(これらを起こさないように。)– 局所的な空洞内面欠損などから生じる温度上昇による超伝導状態の破壊（クエンチ）表面処理など処理し、縦測定で判断可能。
– 内面の突起や微小物から生じた電磁放射(field emission)によるQ値劣化またそれによる温度上昇。埃が問題（組立時の問題）一番の敵(後述）– マルチパクティングによる性能劣化。設計上の問題と最初にprocess可
いずれの場合も非常に局所的な(100μm—0.1μmの大きさ)場所から生じる。
測定の評価としてのQ-E curve

Field emission

Q値

理想超伝導状態の熱的破壊（クエンチ）
角が磁場（表面電流）Ｈ増大
局所的な欠損で磁場をenhanceHmultipacting
マルチパクティング
H Q-disease

熱的破壊
quenchEacc(加速電界)
11

まずこの評価試験（縦測定）を行う。

Stanfordの２～３ MV/ｍはこれが原因。対策として、球形形状が提案された(1978年）。大きな効果があった。赤道部付近の２点間MPが残った。

4 Ta  Tb aR nField emission(電界放出)について•

Field emissionの源は、空洞組立時に、空洞内に入ってしまう、
sub um～数10umレベルのダスト。
• Emitterから発生する電流値は、ある閾値以上の電界から発生し、空洞内の電界に大きく依存する。
 縦測定で事前に詳細な放射線(X線)分布を測定し、ゴミ混入により放射線が増えてないかどうかを確認することが重要。

アメリカJlabにあるCEBAFのクライオモジュールの加速空洞の性能評価結果（例）。悪いものは5MV/mからfieldemissionにより性能劣化するものもある。

CEBAF 12GeV
CW 5turn

Fowler & Nordheimの式

7cell,1.5GHz

12

Cavity fabrication
ILC-STF9cell空洞の例。ダンベルの形に電子ビーム溶接し、最後赤道部を電子ビーム溶接する。純度のいいNbの板材の確保と電子ビーム溶接のできが欠陥を良くする鍵。
東京電解 (RRR > 250)

Center-cells

HOM coupler

End-groups

By E. Kako

超伝導空洞製作、表面処理＆組立性能評価 (ERL9cell空洞の例）
空洞内の埃や欠損をなくす作業が必要。（いい溶接、いい表面処理、いい組立）

電解研磨

アニール

プリチューニング
２K縦測定＠STF(Cryostatを使った空洞性能評価)High pressure rinse(HPR)

空洞アセンブリ＠class 10

Nb空洞製作(EBW) → 電解研磨 (100um)→ アニール (750度,3h）→ プリチューニング→ 仕上げ電解研磨(20um)→ 超音波洗浄(50度,1h)→ HPR(8MPa,7h)→ アセンブリ → ベーキング(150度,48h) → 縦測定
表面処理＋組立はほぼSTFで行っている。

14

Rotating X-ray
mapping装置

ERL 9cell一号機での縦測定例（field emissionの回復には？ ) Source on iris-mode 13.9MV/m
Q0=5.5*10^9

V.T(4th) results of #1 ERL cavity

1*10^10
Sharp x-ray spot at
330° on the 8-9iris

Broad peakon the 150°330°

#1 cavity

局所研磨機

8‐9 iris(150 )(before)Q-E curve

15MV/mAfter grinding local dip
Local grind後に縦測定を行った処、Fieldが急激に伸びた。研磨の効果あり。
V.T(7th) results of #1 ERL cavity

内面検査カメラ

1*10^10tip (several 100um,
several 10um height)
We found clear X-ray profile (broad & sharp) by rotating
mapping system.  powerful tool for radiation source search
Tip were observed opposite side of x-ray sharp peak.

(after)

15MV/m15

このように内面をきれいにして性能を確保する

縦測定後の主空洞モジュールアッセンブリ(2012)

超伝導空洞、HOMダンパー、入力カプラー窓などをクリーンルーム(class10)にてアッセンブリ@KEK ゴミ混入回避のため2012年7‐8月

2012年前半

5K frame
support
空洞単体での性能確認後、Ar封入した2台の空洞にHeジャケットを溶接。高圧ガス検査を行った後にKEKに。

Backbone set at 300K
2012年10月

空洞のアラインメント後、断熱槽をかぶせ、ゲートバルブを取付、リークcheckを行い、アセンブリ完成。

2012年9月

クリーンルームから出し、Heライン、磁気シールド、チューナー、センサー、熱シールドなどを装着。
16

縦測定とモジュール組込み後の主空洞性能比較(2012年12月)(主空洞 cryomoduleの空洞性能をlimitするもの)
モジュール組立時にゴミが混入した可能性が高い。組立の改善が必要。

Summary of
performance of
cryomodule test in 2012
Vc=16 MV was achieved.
Vc=13.5-14 MV could be
kept for more than 1 hour
Onset of radiation due tofield emission: 8-10
MV/cavity

cERL組込用３、４号機9セル空洞

Main linac cryomodule set in cERL

主空洞の運転は8.5MV/cavとする。

ERL target

Degradation

8MV

2012.Dec
2011.Nov
３号機４号機の縦測定結果

モジュール組込み後のハイパワーテ
スト結果 (Vc = 1.038Eacc)

Onset of radiation
17

cERL入射器空洞cryomoduleとパワー試験結果(2013年2月)

By E. Kako et al.

Input coupler

Cryostat

CavityeHOM coupler

HOM coupler suitablefor CW operation特徴
Qo measurement of Cavity ‐2• Beam current: 10 mA (100 mA in future)• 2セル空洞３つで5MeVのビーム加速 (7MV/m)• Q0 > 1x10^1050MV/m
縦測定結果• 2 input couplers/cavity (16kW/coupler at 10mA@15MV/m)• 大電流対応の5つの改良HOM couplers/cavity

Summary of performance• パルス運転でEacc = 15 MV/m (duty 10%)を実証。
• CW運転で Eacc = 8 MV/m を実証。
• 縦測定では50MV/mまで高いQ値を実証。その後、Cryomoduleに組込Q値の減少が見られた。原因はHOM couplerの発熱を取る冷却ラインが不十分であるためである。今後、改良が必要。
ただし、冷凍機としては、cERL運転には問題なし。
入射部のみのビームテストにて5MeVの加速は可能。(2013年4月～６月)

cryomodule結果

18
18

RF Conditioning of Input Couplers for cERL injector(injector cyromoduleがlimitするもの)
Water Cooling

Eiji Kako (KEK, Japan)

CW Input Couplers

Doorknob
Coaxialline
Warmwindow
300 K
80 K
5K

200 kW, <2ms,
5Hz (1%)30~40 kW, CW

Zo =41.5 
現状のinput couplerではCWで25mA(２モジュールなら50mA)程度までは加速可能。
Pulseで200kWまで問題ない
ので、セラミックの問題などではなく、熱負荷対策が必要。

19
TTC at Cornell, 2013 June 13

周回部ビーム運転開始。加速電圧測定(2013.Dec)
主空洞の調整入射ビームエネルギーは合流部の偏向電– MLSC#1,#2をそれぞれ2MVで位相調整し、 磁石でエネルギーを確認。(3.37MeV)
その後、8.35MV,8.36MVに上げる。
入射ビーム
偏向電磁石(53A)による測定：+16.6MeV
主空洞による測定：+16.7MeV
ほぼ一致

入射ビーム3.37MeV+主加速部16.7MeV=
20MeVに加速に成功。

ビームダンプ

加速ビーム

主空洞
ダンプ
シケイン

合流部

スクリーンでのプロファイル

RF Phase•

スクリーンでのHorizontal position

ビームはエネルギーdriftなく安定。

ビーム運転中にfield emissionによるスクリーンへの影響などはなく、安定加速を実現。

長期運転していると超伝導空洞にどんなことが起こったか？（放射線増大現象＆空洞性能劣化）
長期運転中のradaition増大による空洞劣化を見るため２つのモニター(radiation monitor (NaI) (ALOKA)、PIN profile monitor)をradiationの出る空洞の軸方向に常時設置。

#3 cavity（lower）ML2#4 cavity（upper） ML1

No5
Radiation
monitor

2月初めの20MeV運転を始めてから３週間のradiationの様子
３週間後に突然下流にradaitionが増える現象が見られる。

1week
Radiation (mSv/h)

No6
Radiation
monitorePIN diode (１６個)

放射線増大

放射線増大以降のQ値測定とPIN profile変化
運転電圧ではQ値の劣化はないが、高い電圧ではQ値の劣化が見られた。また、PINの放射線も全体的に増大していることも判明した。

下流PIN diode (16個)
HOM damperの割れなどの致命的な影響はまだない

同時期に反応2013.12.12 (2012.12と同じprofile)
下流PIN

Vc=10MV 上流PIN

運転電圧
空洞電圧

No6

2012年12月

下流PIN

2014.3.10

Vc=10MV

上流PIN

2014年2月
末～３月頭

No5

1hour

運転中の空洞劣化回復メソッド(Pulse aging)
空洞電圧測定波形(digital)(Vc)
100ms
Vc

一瞬空洞内に高いfieldができる

ML1 VcPulse aging

1hour

Base:8.57MV

Pulse aging
Duty 10Hz 4ms [peak:11MV] (pulse)

上流PIN diode

運転中に空洞以外から異物が空洞内の電場の高い処に付着するとfield emissionを起こす可能性が考えられる。その際はその異物を砕くために逆にさらに高い電場を一瞬与え、瞬間的に高いエネルギーを異物に与え、なくす（異物を溶かす？）方法が空洞パルスエージングである。これが超伝導空洞の性能改善に寄与するかを確認した。
Pulse aging中にPINの信号が独立に減少しているのがわかる。(aging効果あり。）

パルスエージングを行った。 (10Hz 4ms) 8.5MV+2.5MV(pulse)
ML1 は15分 + 1時間
ML2は15分 + １時間
両方ともパルスエージングの効果あり。減少。(ML1 : 8.57MV & ML2 8.57MV)
上流radiation(No.5) 38.7mSv/h (2/25 21:00)  20.48mSv/h (2/26 21:47)
下流radaition(No.6) 133mSv/h (2/25 21:00)  77.9mSv/h (2/26 21:47)
22
放射線量が半減した。長期運転中の劣化はpulse agingにて現在は対処可能。さらに劣化源をなくす
ため、空洞内にHeを流し、電場の集中している場所にionをぶつける方法(He processing)を検討中。

FPGA
Virtex5-FX

20MeV運転時の入射器＆主空洞の運転状況と長期安定性
入射器＆主空洞とも20MeV運転時にVcが安定に運転可能。 入射器はNo tripであった。

Injector

Piezo tuner

55 m3/h; ML cavities ON
Vacuum pressure in cavities (~ 10-7 Pa)
34 m3/h; ML cavities OFF
Eacc in cavities (~3.2 MV/m)

GV closef = 2 kHz

Field & Vac GV open
& loss

Piezo FB:ON

Control voltages for piezo
tuners (for 3 cavities)

3.5 hours

12:00

18:00

12:00

18:00

Main linac 主空洞では６月末にビームダンプの真空悪化によるtripあり(ML2)。また、HGで振動によるITLが幾度かあり。(3回/14weeks)Vc (ML1&2) 8.57MV
Field & Vac
8 hours
Piezo tunerPiezo voltages

8 hoursf =1kHz

Vac.(ML1) (~10^-7Pa)

QL~1*10^7

Vac. (ML2) (~10^-8Pa)

Piezo feedback works well
12:00

24:00

12:00

24:00

Recirculation of CW beams (6.5 uA)
Confirmation of Energy Recovery in the Main-Linac
ERL operation
Cavity 1 and 2: acceleration (1st passage)
and deceleration (2nd passage)
E=2.9MeV
E=19.9 MeV

E=2.9 MeV

Non-ERL operation (beam loading test)
Cavity 2: deceleration Cavity 1: acceleration(Vc=8.57 MV/cavity)

E=2.9 MeV

E=2.9 MeV

K. Umemori et al.

(Vc=8.57 MV/cavity)

Acc. Voltage : Vc=8.57MV

Beam current(I ~ 6.5uA)

10min
Pref
（Mar. 14, 2014）
6.5uA

Pin

Pin: Input power to ML cavity
Pref: Reflected power from ML cavity

No beam loading was observed during
ERL operation with 6.5uA CW beams

Energy recovery worked well in cERL

(3)超伝導空洞の利用（大きな超伝導空洞を用いた加速器）--cERLで培った技術の応用と発展-ここからは色々なprojectについての話。EURO-XFEL, CEBAF,
LCLS-IIなどは2014年9月に行われたLINAC14の発表を基にしております。

25

EURO-XFELの超伝導空洞の状況(空洞の大量生産)
For Cavities and Cryomodules tests are involved :AMTF Technical Coordinator
18 engineers
24 technicians

２０１６年(２０１４年夏)20%の空洞がcrymodule testではVTよ
り低いgradientでlimitしている。原因は解析中。
35%はfield emission あとはthermal BDらしい。

26

CEBAF upgradeの超伝導空洞の状 Early Commissioning Experience and Future Plans for 12 GeV CEBAF (1)Michael Spata (Center for The Advanced Studies of Accelerators )況(空洞の大量生産)•

The LL-shape waschosen because of~20% lower Pwall than
HG-shape

Eacc=19.2 MV/m with Q0 ≥8×109 at 2.07 K in CW
operation

JlabのCEBAF：12GeVビームを提供、原子核実験用で5turnで12GeVまで加速のupgradeがおわり、2013年末にC100という８個入りcryomoduleが１０個追加され、いよいよビーム運転開始。

Jlab C100 moduleでのcryomodule測定の結果。
割とrequirementに近い値を達成。

但し、Jlab C100 moduleでのcryomodule測定の結果。Field emission onsetの分布は幅広い。Field27
emissionはやはり問題。

CW-linacでのXFEL計画（提案）

詳しくはhttp://www.lbl.gov/ngls/

J.N.Corlett ,IPAC2012 proceedings, p1762

CW超伝導空洞を使った1MHzのXFEL計画
LBL
SLAC
Fermi
JLAB

完全コヒーレントで連続ビーム
で短いバンチ(fs)が欲しい時はこれになるか？
300pC@1MHz

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LCLS-II

4GeVで現在LCLS-II(SLAC)が具体的に予算が付き動き始めた。(2013,8月)
全米でサポート

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LCLS-II SRF linac requirement
FermiとJLABが担当

CEBAFより要求が高い。
要求： 16MV/m : Q0 > 2.7x10^10 (!) <- 冷凍機の制限による
N2 dopping30

High Q approach N2 doping

画期的
Q0 1x10^10  (3～10)x10^1031

High Q reasonof N2 dopping
物性や表面よくしっている
方は是非教えてください。

N2 dopすることで空洞内面までN2 richになる。その
せいかわからないが、Niobium hydrideがなくなり、Rresのロス成分が少なくなる。但し、まだ詳細は分
かっていない。

Exciting time in SRF

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material 開発 (Nb3Sn) – Present Status and Potential as an Alternative SRF Material
SRF New materialの最近の進展の１例（わかる範囲で）
S. Posen and M. Liepe, Cornell University

Pioneering work at Siemens AG, U. Wuppertal, K.F.
Karlsruhe, SLAC, Cornell U., Jefferson Lab , and CERN
• U. Wuppertal: (1990年代??)– Very small Rs values in Nb3Sn cavities– Strong Q‐slope, cause uncertain
6 hours annealing
after Sn coating@Cornell
Lossはcrystal間のboundaryで起こっていた可能性が高いので、annealして結晶の大きさを増やした。

Annealingにより今までQ slopeが見られたのがなくなった。
4.2Kで1*10^10@10MV/m。--> Nb3Sn promising materialEUV光源としてのERL-FELの検討

1GeVクラスのERLだが、FELに特化して運転（one user向け）。 JlabのFELマシンをもっとupgradeしたもの。
Flashではpulse 運転だが、ERLで大電流化が可能になるので、kW以上のEUV光が出る。（現状数十W LPP）

近年の半導体業界からの要求が非常に大きく、EUV光源の世界が変わるかもしれない。

ERL for EUV-FEL (Feasibility study)

E.Kako et al.,2014 EUV workshop (ダブリン)

64空洞(4空洞:16モジュールを過程)
量産での空洞製作の可能性を狙う。

cERLで得られた技術で大電流FELが可能。

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まとめ
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2006年からcERLの開発を続けようやく低エミッタンスビーム加速を実現し、さらに6.5uAですが、CWビームのエネルギー回収を実現にまでもっていきました。今後は大電流でのこの安定加速の実現とビーム増強が鍵です。
超伝導空洞は加速までの試験は大変ですが、類を見ないＣＷで大電流ビームの加速を実現可能なのが魅力の全てです。しかし、日本ではこれだけ複雑な加速器の開発は今の処残念ながら、ＫＥＫでしかほぼやってません。他所も開発はできるはず。
現在の処、大電流に向けて、ハイパワーで持つコンポーネントの開発が重要です。
(10mAまでは問題なし。)また空洞性能としては残念ながら、field emissionというのが最大の敵でありますが、これは今までの超伝導空洞開発の永遠のテーマであります。
この回復ができるかというのは現状の大きなテーマですが、これが回復すれば、世界の超伝導空洞は制覇できます。但し、かなり地味な作業です。
我々の超伝導空洞のテーマは今のところ、もう一度いうと– 超伝導空洞で今よりもさらに高いＱ値の空洞開発と実現。
– 大電流運転に備えた空洞、インプットカプラー(入射器）HOMdamper(主空洞)の改良も大きなテーマ– ビーム運転中の空洞性能劣化回復に向けて（He proessの実施)などが具体的なテーマです。（これに本当は量産化が入ります。）
最近ではCW-SRFの発展でCW-XFELやERL-EUV-FELの展開が見られており、今後は、このような超伝導空洞の発展に伴って、大電流ビーム加速可能な次世代の加速器が展開されていくことが予想され、期待されているのではないでしょうか？
36謝辞• 長年にわたり、ERLの光源検討の元、 ERLの試験加速器であるCompact ERLの具体化が行われ、KEKの皆様
含め、 多くの皆様のご支援のもと、2013年末にCompact ERLの建設と、commissioning、そしてエネル
ギー回収の実現までたどり着くことができました。
• 今まで多くの設計、建設に携わっていただいた多くの皆様に感謝いたします。