国際リニアコライダー(ILC)計画に用いられる超伝導加速器技術
ILCの推進状況に関する第３回勉強会
2021/8/25（水）高エネルギー加速器研究機構・加速器研究施設・応用超伝導加速器センター
山本 康史

本日の講演内容• 国際リニアコライダー計画• 高周波加速と加速方式の比較• 超伝導空洞とクライオモジュール• 国内と海外の超伝導加速器• 超伝導加速器を用いた応用的展開• まとめ

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国際リニアコライダー(ILC)計画◆ 国際協力で進めている大型加速器計画◆ 超伝導空洞を使ってビームを加速する◆ ナノメートルサイズまで絞ってビームを衝突させる

８０００台の超伝導空洞

９００台のクライオモジュール

国際会議にて研究の進捗や今後の方向を議論~1m

クライオモジュールと高周波源が20 kmに亘って並列に並ぶトンネルの中央にはコンクリートの仕切りがある

画像提供：一関市、奥州市、気仙沼市

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３００台の高周波源（クライストロン）3高周波加速の原理
高周波（マイクロ波）によるビーム加速は粒子加速器の基本技術である。
金属でできた共振器（箱のようなもの）に高周波を溜めてビームを加速する。
高周波（電場）の方向とビームの方向とが一致している必要がある。

空洞共振器内の電場と磁場の向きと強さを表した図（互いに位相が90度ずれて振動している）

空洞共振器（ビームを最も効率よく加速できる形状）

ここで加速するEB

陽電子(e+)ビーム

ここだと減速してしまう

電場の向き（中心軸（青い点線）上が最大）
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ビーム（+電荷）の方向と電場の方向が一致してないとダメ

商用電源

50/60 Hz携帯電話

700 MHz ~ 28 GHz

ラジオ（中波）~1 MHz

Xバンドレーダー

8~12 GHz

国際リニアコライダー

1.3 GHzウィキペディアより

4高周波加速方式の比較
加速方式

常伝導（normal conducting）

超伝導（super conducting）

主な加速器(稼働中、稼動していたもの)

SLC/PEP-II, J-PARC, SACLA, TRISTAN, SuperKEKB,
既存の放射光施設全般、医療用加速器

LHC, LEP, HERA, TRISTAN, E-XFEL, CEBAF,SuperKEKB

材質

無酸素銅(Oxygen-free Copper; OFC)

ニオブ(Niobium; Nb)、または銅にニオブを蒸着

冷却機構

純水、超純水

液体ヘリウム、液体窒素（冷凍設備が必要）

運転温度

+25℃

-269℃、-271℃

高周波損失大きい（低効率）小さい（高効率）

使用可能な高周波の周波数

X-band (12 GHz帯)まで

L-band (1.3 GHz)まで(BCS抵抗のため)

ここから下の欄では常伝導の方をX-band（12 GHz帯）、超伝導の方をL-band（1.3 GHz帯）で比較します
ビームアパーチャ（ビームの通し易さ）

小さい

大きい

アライメント（加速器コンポーネントの設置誤差）

難（~±10 μm）

楽（±300 μm）

運転加速電界100 MV/m (X-band) @CLIC (CERN)
35 MV/m (C-band) @SACLA (理研)

23 MV/m (L-band) @E-XFEL (DESY)
31.5 MV/m (L-band) @ILC

参考画像

近年、超伝導方式による大型加速器計画が世界中で進められている
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高圧ガス保安法に準拠

5ニオブと超伝導空洞⚫ 原子番号41のレアメタル⚫ 主にブラジルやカナダで産出⚫ タンタルの副産物として産出⚫ 第二種超伝導体（転移温度: -264℃）⚫ 超伝導空洞の製造に使用される

KEKの計画に用いられた超伝導空洞
TRISTAN用(508MHz)

KEKB用(508MHz)

ILC用(1.3GHz)2021/8/25

6超伝導空洞の作り方

プレス機

電子ビーム溶接機

 プレス加工(deep-drawing) 電子ビーム溶接(Electron beam welding)

精錬されたニオブ板

これらを全て溶接すると…

板から円形に切り出すプレス機でお椀型にする溶接機で互いにつなげる

溶接機でドンドンつなげる

端のセルはやや複雑

超伝導空洞が完成！

~1 m
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7超伝導空洞の完成形
超伝導空洞だけ完成しても加速器として動くわけではない
入力結合器

超伝導空洞
（ニオブ）

（ステンレスに銅鍍金）

周波数チューナー（主にステンレス）

入力結合器の断面図（高周波は通し、真空気密は保つためのセラミック窓がある）

磁気シールド（パーマロイ）

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ヘリウムタンク（チタン）

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超伝導空洞からクライオモジュールへ
超伝導空洞をクリーンルーム内で８連結する（空洞ストリング化）

組立て作業は半導体工場と同レベルのクリーンルームで行なわれる

８連結し、断熱材などを取り付けた後、真空容器に入れる

これでようやく完成！
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超伝導空洞が収納された断熱真空容器のことをクライオモジュールと呼ぶ

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クリーンルーム内での作業
クリーンルームでの組立作業は超伝導空洞の性能を保持するための重要な技術である
リークチェック
空洞のクリーニング
ダストカウンタとイオンガン

空洞連結作業

超音波洗浄装置

最近、フランスの研究所がロボットを使った自動クリーニング装置を開発した

入力結合器の準備

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低速度真空排気システム

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KEK内の超伝導クライオモジュール
SuperKEKB Accel.

STF-2 Cryomodule

ILCに向けた技術開発

SuperKEKB計画のビーム加速用

cERL Injector

国内では他に理化学研究所やQST（六ケ所）でも超伝導空洞が採用されている。
特に、QSTは海外調達により進めており、ILCの良いモデルである。

産業利用を推進©KEK

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KEKでは超伝導空洞の技術が30年以上前のTRISTAN計画から用いられてきた。

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FRIB@MSU

世界の超伝導加速器（計画中も含む）
ILC@Kitakami☆: 稼働中☆: 建設中☆: 計画中SHINE@SINAP

LCLS-II@SLAC

CEBAF@J-Lab.

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ESS@LundLHC@CERN

E-XFEL@DESY

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欧州X線自由電子レーザー用加速器(European XFEL)
ドイツ・ハンブルグ市にあるDESY研究所にて2017年から稼動開始。
現在、世界最長の超伝導線形加速器で、ILCの1/10スケール（~2 km）である。
超伝導空洞が800台、クライオモジュールが100台用いられている。
全長3km（内、超伝導加速器部分2km）

Courtesy of DESY

この超伝導加速器の完成によりILC計画の技術的な実現可能性が高まった
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13超伝導加速器の応用的展開
KEK・応用超伝導加速器センター（CASA）では、基礎科学だけでなく産業利用への展開についても推進している【期待される成果例】
核医学検査薬製剤◼ 核医学検査薬99mTcの原料である99Moは，100％輸入に依存しており，原子炉で製造されているため，安定供給に不安がある．
◼ 加速器ベースの製造技術確立が望まれる．
◼ 1台の加速器で日本の年間必要量を製造可能．

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アスファルト長寿命化◼ アスファルト舗装の補修費用が莫大であるため，長寿命化が望まれる．
◼ 車載型小型加速器で発生させた電子ビームを舗装された道路に照射し，これを硬化させて，寿命を延ばす方法が提案されている．

半導体リソグラフィー用光源◼ 半導体のパターンの微細化に伴い，光源の短波長化が進み，極端紫外線（EUV）が利用され始めた．
◼ 将来は，省エネ，高生産性を有する10kWクラスの大強度EUV光源が必要．そのためにERL（エネルギー回収型リニアック）を用いた光源の開発を目指す．

cERL加速器を用いた実用例がすでにいくつか発表されている

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本日の講演内容のまとめ• 国際リニアコライダーで用いられる加速方式は超伝導高周波加速である• 超伝導空洞の性能を保持するためにはクリーンルーム技術が必須である• 超伝導高周波加速の技術は国内外ですでに成熟している• KEKでは超伝導加速器を用いた応用的展開も推進している

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ご清聴ありがとうございました

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