減衰離散型（ＨＤＤＳ）セルの精密製作技術
肥後 寿泰1、上野 健治、川又 弘志、工藤 昇、久米 達也、高田 耕治、高富 俊和、
峠 暢一、東 憲男、東 保男、人見 宣輝、舟橋 義聖、両角 祐一、渡辺 勇一
高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂1‑1

概要
リニアーコライダー主線形加速器を構成するＸバンド加速管は、ウェーク場を充分抑制した上で、50MV/mの高電界加速を実現する必要がある。このため現在の設計では、ビームホール径を大きく保ったまま加速モードの群速度を低く抑えるように5π/6モードを採用し、更にHOM減衰用のマニホールドとそれへの結合を実現するカップリングスリットを有するセル構造を採用している。本稿では、現在の高電界特性をふまえたケアを念頭に置きつつ、しかもマルチバンチウェーク場抑制に必要な精密セル製作の現状を述べる。

チを設け、表裏の加工位置あわせに用いるとともに、接合時のセル間回転アラインメントに用いる。開発のスピードアップのため、セル間のアラインメントは印籠構造してある。スリットの詳細図を図２に示した。スリットは、加速モードのＱ値の減少をなるべく小さくするために半径方向に沿って末広がりの設計とする。

あ１．はじめにリニアーコライダー計画「GLC」 [1] では、主線形加速器の加速構造として、11.4GHzの進行波型加速管を採用している。高い加速電界を得られるよう高い周波数を採用しているので構造が小さくウェーク場 対 策 が 重 要 で あ る 。 GLC で は シ ン グ ル バ ン チ
ウェーク場対策は10µm級のアラインメントを実現しBNSダンピングを効かせることにより、ビームホール径はa/λ＝0.17〜0.18程度で設計できている。
これに対してマルチバンチウェーク場抑制は、高次モードの周波数を離散させ軽いダンピング構造を付加することで実現する。このセルをHDDSセルと呼ぶが、４頭文字は各々、H：高位相すすみ型（150度/セル）、D:減衰型、D:周波数離散型、S:加速管を表している。正確な周波数制御と３D形状加工が必要になるが、高電界運転と安価な量産とが双方実現されることが必要である。
本稿のでは、HDDSセルに必要な特性とその加工方法を述べ、実際に製作された初期のセルの特性を示して今後の開発研究の方向を議論する。

２．HDDSセル
現在はHDDSセル開発は高電界特性の確率が第一優先で進めている。従って、効率を少々犠牲にしてセルのカップ形状の円筒部分を片側によせてディンプルチューニング機構を付加し、周波数の精度を若干甘くしている。設計図の一部を図１に示した。
４カ所に２㎜幅程度の放射状のスリットを有し、TM11型のダイポールモードをマニフォールドと称する円形の穴に導き、これを通して引き出した高次モードを伝送・ダンプする。45度方向外周部にノッ
1E-mail: toshiyasu.higo@kek.jp

図１

図２

HDDSセル形状

スリット・マニフォールド形状詳細

３．実現すべき特性
3.1 高電界特性のための継ぎ目の稜線
トポロジカルに同様の構造を持つ加速管(DDS3)の高電界試験では、非常に長いプロセシング時間を必要とし、また50MV/mでの運転も必要なパルス幅400nsに辿り着かないことを経験した [2] 。このDDS3では、同じようにスリット、マフォールドを有するのであるが、セルの３D加工の後、エッジに丸みを持たせることなく超精密加工で形成されるシャープエッジを維持したまま製作され、競る洗浄時にエッチングを施さないのでエッジの鈍化が行われなかった。このため、図３に示すような局所的磁場増大が、微少領域ではあるが非常に大きい増大を生み、パルス内の局所温度上昇は数百度に至っていたかもしれな
い。これが放電の種を作っていた可能性があるので、今回のHDDSセルでは、図３に赤く示す本質的に磁場増大の避けられない場所に注意し、この場所での更なる増大をなくすことに努力した。
これらの場所は、２カ所とも旋盤加工面とミリング加工面の合流する場所であり、工作上セッティング合
図３ 磁場分布
わせの精度が要求される所である。
これらの合流する稜線の角度で制限することにした。導波管からカプラーに入る部分のアイリス部での磁場増大の評価では、エッチング処理による稜線の丸みが５ミクロン程度を見込めることを考慮すると角度５度で磁場が約50%増しにおさまることが分かっている [3]。そこで、(a)部はそれを基準に、(b)部はエリアが小さいことと加工上ツール端をテーパーに形成して達成することに関連して若干大き目の値とし、それぞれ表１のように決めた。これらの値は高電界試験結果によりフィードバックすべきものである。(c)は通常旋盤加工の継ぎ目であり十分よい精度で加工できるはずであり目安としてこの値を設定した。
表１

継ぎ目角度仕様と実機セル測定値

場所(a) “2b—r2” *(b) “r0.5—flat”(c) “ellipse—flat”

仕様
< 5°
< 12°
< 1°

測定角度
3—4°
7—9°
< 1°

3.2 ウェーク抑制のための周波数制御に必要な寸法精度
加速モードの平均値はビームとの位相スリップに関連して1MHzより十分よい精度で製作する必要がある。現在試作中の加速管は高電界特性を見極めるために迅速な製作を要求されているため、現状ではチューニング機構を付加してあり加速モード周波数F0は±20MHz程度のチューニングが可能である。
従って、加速モードのみのためにはせいぜい±10MHz程度をめざしておけばよい。しかし、マルチバンチウェーク場抑制には最低周波数のTM11モード周波数F1の制御が必要で、許容されるばらつきはσ[4]f1で５MHz程度である 。これは上記の加速モード周波数制御では実現不可能である。そこで、セル加工段階での加速モード周波数ばらつきを3MHz以内とし、加速モードのチューニングをとった際にF1の誤差がその２倍程度におさまるのでσ f1の条件が満足されるように考える。

このためには、表２に示す周波数感度 [5] を考慮し、加工誤差が表３の公差内に入れば、最悪でもF ０、F1ともに4MHzにおさめることができるようにする。ここで、a、bは同時加工を想定できるので(a‑b)誤差は十分小さくできると考えている。
表２周波数感度

感度（MHz/µm）∂F/∂a∂F/∂b∂F/∂W3F0̲5π/60.4‑1.2‑0.2

表３ 寸法公差
寸法公差
将来仕様µmδa1δb1δ(a-b)<<1δW320F1̲π‑0.3‑1.2‑0.2

今回公差µm1010‑40４．加工の実際と結果
SLACとの共同研究において、60cm管と75cm管のセルを製作したが、そこでは3.1節の稜線に関する公差は達成するが、3.2節の寸法公差は気にせずまず高電界試験に必要な加速管を迅速に提供することにした。ただし、3.2節に関する３D加工に関する基礎データをできるだけ収集することにした。本章ではこの経験を報告する。

4.1 加工3.1節仕様のセル製作に関する現状の加工工程は、無酸素銅の切断→粗加工→アニール→旋盤中仕上げ→ミリング加工仕上げ→仕上げ旋盤加工のフローをとっている。特に稜線の角度公差の実現に関しては、(a)部はミリングツールを接点より手前100µmでセルの半径より若干小さい半径で逃げる加工パスをとる
ことにより有限の角度ではあるが、仕様角度５度は十分達成できるようになった[7]。加工セルを２分割し、ダイヤモンドスタイラスにて触診式の形状測定をした例を図４に示したが、この例は初期のセルでここに記述したツールパスをとらなかった場合の悪い例で、角度の確認がよくできることを示した。実機120セル以上の加工では10セル程度のサンプリングで５度を超えるものがないことを確認している。

図４(a)部の断面形状測定例

３Ｄ形状にもよる。図６に見るように３Dのばらつきが小さいこと、及びaやbの寸法制御も1〜2µm程度(b)部の角度はすべてのセルを測定し問題ないこにおさまっていることが推定される。従って、3.2とを確認したが、典型例を図５に示した。ツール端節の周波数精度を維持するための寸法管理は十分可に８度のテーパーを設け、この部分と平面部分が交差するように位置調整を行うことにより実現できる。 能であることが分かった。
RF‑QC H75VG3S1820

Number of Cells15

図５105(b)部継ぎ目

4.2 ３Ｄ寸法結果

0‑10‑8‑6‑4‑2[MHz]0243.2節の方法をとる場合に周波数の制御公差が厳しくなることを想定し、その折りに問題になりそう
図７ 周波数測定 ばらつきについてな３Ｄ加工部分の精度に関して今回のセル製作における測定結果を述べる。２Ｄ部分に関しては将来的
５．高電界試験現状には超精密加工を予想しており、精度の実現には問題ないと考えている。図６に、75CM管の67セル制作
SLACにおいて60cm加速管の中央部に今回報告した時のW3寸法（図２における円形マニホールドとセルものと同様の加工セルを６セル挿入した加速管、間のＲ２の壁間距離）結果を示した。この寸法は、
H60VG3N‑6C、の高電界試験を行った。リニアーコラ
周波数感度が高く、今回は±40 µmを許しているが、 イダー仕様の加速フィールド(400ns, 65MV/m)での将来的には±20µmを想定するものである。図より分運転はほぼ可能であり、特別に３D形状による特性かるように、現状の加工でもおいて既に仕様を満たの劣化は観測されていない[6]ので、本報告での加工しており、大きな誤差をもつ少数セルの管理するこ方法が通用するものと考えている。とで現状の延長線上で将来的な要求も十分対応可能であると判断できた。他の３Ｄ形状もほぼこのレベ６．議論
ルに達していることを確認している。
今回の制作セル経験をもとに、今後ウェーク場の抑制を取り入れた加速管のセル制作を行い、3.2節
H75VG4S18 W350の周波数制御の方式を確認する必要がある。

参考文献

Samples4030[1] GLC Project Report (Road Map),
http://lcdev.kek.jp/ProjReport/

20100‑20 ‑16 ‑12

図６‑8 ‑40
誤差 [ µm]48W3寸法の誤差分布

4.3 周波数制御結果
今回製作したセルの個々の周波数情報を得るために、セルを伏せて平面上に置き、平面との間にできる空洞の周波数を測定した結果を図７に示した。この共振モードは特にセルの径に大きく依存するが、[2] C. Adolophsen, NLC Machine Advisory Committee,
2002,http://www-project.slac.stanford.edu/lc/local/M
AC/MAY2002/MAC2002.htm[3] T. Higo, NLC Collaboration meeting, SLAC, 2002.
[4] R. Jones, ISG-X, SLAC, 2003,
http://www-project.slac.stanford.edu/lc/ilc/ISG_Meet
ings/ISG10/nlcisg10.htm[5] Y. Morozumi, ibid.
[6] S. Doebert, ibid.
[7] T. Higo et al., “First HDDS cell fabrication for replacing
middle part of H60VG3N”, GLCX-NOTE 005, Jan. 2003
and URL: http://lcdev.kek.jp/TechNotes/