主加速器空洞入力カプラ 現状開発報告
主加速器空洞入力カプラー現状開発報告‐‐東CHでのカプラー１号機の液体窒素下パワーテスト結果‐‐

2011/05/13
阪井寛志、梅森健成、沢村勝、
篠江憲治、古屋貴章、Enrico
篠江
治、
貴章、
Cenni
Contents:
１号機LN2冷却下でのハイパワーテスト
１号機改良cold窓のthermal
号機改良
窓
cycle testまとめと今後
第52回ERL検討会

1カプラー１号機
カプカプラー１号機のデザイン
号機 デザ
Cold window
4.5K

warm窓

真空

Warm window

Cold窓

大気

80K

300K

10

(空洞 2K)

Air ガス流 れ

cool ai r
gas inGSpec : 1.3GHz,
1 3GHz 20kW CW standing wave

co ol ai r
ga s out

2・Warm窓までは2009年度３月に納入。Cold窓が2010年度９月末に納入。ドアノブは
窓までは年度 月に納入。
窓が年度 月末に納入。ドア ブは
今までの原研でのパワーテストのものを使用。
・モジュールに組み込みを考えるためにベローズの位置を設計。特に定在波の運転な
p
のでRFのpeakがベローズに来ないようにした。セラミック窓にもピークが来ない設計となっている。
・カプラーはvariable。±5mm動く設計。(Qext = 5*10^6 – 2*10^7で設計。)

カプラー１号機ハイパワーテスト準備
•

•
•
•

改良Cold窓単体のパワー試験までを原研(JAEA)にて行った(2010年4月まで)。窓単体の 設計はのRF設計はOK。
2010年度秋以降にこのテストスタンドを９月に原研から移設して、カ
年度秋以降に のテストスタンドを 月に原研から移設して カプラー１号機の測定を東カウンターホールに展開。
30kW IOTはRF Grp.が2010年11月までに立ち上げ、動作確認を行った。
また、2010年度からはクリーンルーム(class 4)も東カウンターホールに準備し、クリーンルームの整備を行い、組み立てをそこで行えるように準備した。
カプラー等の液体窒素冷却テストを行っていた断熱槽を10月に東大物性研から持ってきて窒素冷却下でのパワーテストを行えるように準備した。
東カウンターホール

Test standの場所。IOT設置

原研でのカプラー
テストスタンド
東大物性研での窒素冷却テスト用
断熱槽

クリーンルーム3カプラーテストスタンド組み上げ(clean room 作業＆baking)(写真)
Clean room内で超純水洗浄&乾燥

Cold窓

warm窓
Baking (150℃ 24h)

Clean roomから出てleak check&baking

Clean room内でカプラースタンド組立

4

断熱槽への取り付け(写真)ブレード線は200mm４つ

Cold BoxにSIを10枚巻く。

断熱槽へ入れたのち、カプラーと断熱槽を接続し、その後、横ポートからカプラーサポート用の柱のスタッドボルトを外す。Cold Boxをすべて閉じる。

ブレード線をつなぐ

SIでCold窓部フランジを巻く。

断熱槽用の架台に移し、窒素溜めを上から入れる。その後、ブレード線をつなぎ、残りの熱電対を接続。

クレーンをつり下げた状態で熱電対をある程度付ける。

断熱槽内で柱をとり、断熱槽を回転させる。

5

カプラーTest stand @東カウンターホール(写真)窒素冷却タンク
ドアノブ

30kW IOT

カプラー
カプラ
circulator

断熱槽

テストスタンドにドアノブを通じ、導波管をつなぎ、イオンポンプ＆モニターをつけ、テストスタンドの設置終了。
6

High power test setup(概要)：：ベローズ部
ロ ズ部

定在波で25kWまでテスト
液体窒素タンク（斜線部)

断熱槽

TC：typicalな熱電対の位置

銅ブレード線(タンクからCold窓に連結)

Warm窓

100

Arc2
TC3(warm outer bellows)

TC2 (Cold window)

TC4(inner bellows)
e-probe3

TC1(C ld outer
TC1(Coldtb llbellows)
)

124.8
K

Arc1

10

J

Air ガス流 れ

40

J

内導体
冷却用
N2 gasInterlock：・arc1,2
arc1,2・(fiber arc)
・温度すべて・Pin_for・Pin
Pin_refref・PIOT_for・真空・N2 gas flow

Cold
窓側
真空

K

RF

warm窓
側真空

熱シールド
(輻射よけ）
e probe2
e-probe2
1.3GHz30kW IOT

Cold窓

e probe1
e-probe1
Pin_for(feedback)
200W Amp
ALC

Pin_ref Pin_for (Pb2) (Pf2)
(Pf3)
(Pb3)

PIOT_ref PIOT_for
(Pb1)
(Pf1)

SG
interlock

digitalvoltagecontrol

オシロ・IOT power (PIOT_for)
・inputit power(Pin_for)(Pi f )
・反射power(Pin_ref)
・CCG (Cold,warm)
・e-pick1,2,3 (electronprobe)

Data :
・PIOT_for・PIOT_ref
PIOT ref・Pin_for・Pin_ref・CCG
7・TC(1-30)
TC(1 30)
・N2 gas flowof inner
conductor

RF behavior of coupler test stand(HFSS calculation)

H-field distribution

定在波の様子。図は磁場の分布（計算）。ベローズにはピークが来ないような設計である。なお 常温 は磁場ピ クが外導
お、常温では磁場ピークが外導体のベローズ間に来るが、低温運転ではベローズ間が磁場がminimumになる。したがって、
今回 温度上昇が問題なけれ
今回の温度上昇が問題なけれは、モジュール組込時にはさらに温度上昇は低い値となる。

250
124.8

10

60

J

Air ガス流 れ

40cool airgas inJGcool airgas out

K

ベローズの温度は必ずモニター

8熱電対Data assign＆熱シールド詳細

赤字は窓とベローズの部分

T1 (in vac. insulator) (図の赤)T2(in vac. insulator) （図の紫)T3 (out of vac .insulator) （図の緑)

ch1

Cold窓端板 (in vac)

Liq N2 tank

Warm outer (out)ch2Cold bellows (lower)

Warm outer(125mm)(H‐節)Warm 窓ch3

Cold bellows (middle)

Blade (3) to Cold窓

Warm inner conductor(down)ch4

Cold bellows (upper)

Warm outer bellows (cold side middle)

Warm inner conductor (middle)

ch5

Cold窓 (upper)

Blade (4) to Cold Box

Cooling N2 gas in

ch6

Cold窓 (lower)

Blade (3) at Cold窓

Cooling Ns gas out

ch7
h7

W
Warm
outer (10mm)((H‐節)(10)((H 節)C ld BoxCold
B (t(top))D k b
Doorknob

ch8

Warm outer (67.5mm) (H‐山)Cold Box (side 1)

Doorknob end platech9Warm outer bellows (middle1)

Cold Box (side 2)

Cold窓端板 (out)ch10Warm outer bellows (middle2)

Cold Box (bottom)

Room temperature

TC12
TC14

TC30

TC7
TC8

SI

TC11
100

RF投入時の断熱槽内でのベロー
ズの温度上昇と窓のブレード線とズの温度上昇と窓のブレ
ド線と通じ、窒素タンクへの入熱量（カプラーの発熱量）を見るのが目的。

70

65

TC21

TC16

K

57 .5
5

57 .5

温度計
の配置

TC5
TC4

78.4

TC22

TC15
TC17

TC9
TC10

TC28

TC13

124.8

10

TC3
TC2
TC1

TC29

J

TC27

10

60

50

Air ガス流 れ

TC25

40

68

co ol ai r
ga s in

TC6
J

TC26 co ol ai r

G

ga s out

TC24

K

9

TC23
TC18

TC19

TC20

Setup(写真1)

Arc sensor2

Arc sensor1
全体像

Warm窓

I.P

熱電対

Cold窓
Cold窓
ブレード線

10

Setup (写真2)

断熱槽内の様子
SIでカプラーは巻いている。

液体窒素を入れている様子

E pick1
E-pick1
E-pick2
Arc sensor2
E-pick3p
N2 gas inN2 gas out

・Cold窓側とwarm窓側は独立にI.Pを設置。
C ld窓側と窓側は独立にI Pを設置
・warm外導体部は、全てSIを巻く。
・内導体空冷用N2 gas用のラインを整備。
熱電対はN2 gas out ラインに出し、パワーラインに出し パワを入れない時は管を折り、封じる。
11・液体窒素タンクの容量は8ℓ。上から入れる。

カプラーテストhistory
日程

Study items

備考

1/24(Mo)

5kW power keep (under LN2 cooling)

5kW keep (7hours)

1/25(Tu)

Change N2 gas horse to ½ inch. (under LN2 cooling) Max 170l/min of N2 gas

1/26(We)

10kW power keep (under LN2 cooling)

10kW keep (7hours)

1/27(Th)

Processing up to 25kW (under LN2 cooling)

Pulse processing 6 hours

1/28(Fr)

20kW power keep (under LN2 cooling)

20kW keep (16hours)

1/29‐1/30 Warm up to room temperature

1st thermal cycle of cold
window

1/31(Mo)

Check processing effect after warming up

Smoothly increase to 20kW

2/1(Tu)N2 purge & open coupler to air atmosphere for 4
hours and pumping down

Leak check did not applied.

2/2(We)Continue to pumping by I.P

2/3(Th)Cooldown to LN2 temp. & check processing effectagain after opening to atmospherePower smoothly increase
up to 24kW.

2/4(Fr)Warming up & leak check (2nd thermal cycle) ofcold
cod window
do3.0*10^‐11 Pa m^3/s OK

主に25kWまでのprocessingのデータと20kW keepのデータを見せる。さらにwarm up
12
後、一度大気にさらした後、真空に引き直した後のパワーテストのデータを見せる。

Powerの履歴（左）と真空の様子（右）。

Processing up to 25kW
(2011/1/27)-- Cold vacuum (Pa)-- Warm vacuum (Pa)-- InputIt power (kW)最初のピンク部拡大。

20kWまで到達したが、その後、arc interlockで落ちる。
Warm側の真空も上昇。またそれに合わせwarm側につけていたe-probe3が大きく変化。それ以降中々パワーはけていたeprobe3が大きく変化。それ以降中々パワ は
10kW以上上昇せず。
 Pulse processingに変更。 ８時間のpulse
processingの後、CWに戻し、パワー投入。Processの効
果もあり その後 スム ズに25kWに到達 25kW近くで果もあり、その後、スムーズに25kWに到達。25kW近くでCold側の真空が活動的になる。但し、25kWでパワーをkeepしていくうちに真空が下がっていく様子がみられた。

e-pick2

e-pick3

13

Pulse processing 中のオシロsignal
30us20Hz pulse processing

expand青：input power (Pin
(Pin_for)for)
水色:warm vacuum (CCG2)
ピンク：electron probe (cold側) (e-pick2)
緑: electron probe (warm側) (e(e-pick2)
pick2)
上のようにPin_forの出力にpulse幅で
FWHM 30usの出力を上乗せしてprocessを行う。その際にe-pick3にpulseに合わせ、毎際
毎回シグナルが見られるのがわかる。さらに右
図のようにprocessに合わせ、真空が上昇していく様子も見られる P l 幅や ff tを変ていく様子も見られる。Pulse幅やoffsetを変えながら、真空がある程度大きく出る状態で
processを進めていった。

1Hz pulse processing (14:34)
14

20kW keep data (2011/1/28)
power vs vac & typical temperature

液体窒素がなくなる

20kWを投入。Processの効果で順調にパワーが入る。真空はCold側(CCG1)が1*10^-6
20kWを投入Pの効果で順調にパワ が入る 真空はC ld側(CCG1)が1*10^ 6 P
Pa、warm
側が最高で4*10^-6 Paまで上がるがprocessの効果もあり、その後下がっていく。パワーが途中落ちているところはarc interlockによるものだが、e-pick3も反応せず、かつ窒素を入れるときに起きており、
なんらかのノイズで落ちた可能性が高い。ノイズを除き、16時間keepの後、温度がほぼ安定になったなイ
落ち 可能性 高 。 イ を除き、 時間
p 後、温度
安定 な
内導体の温度はN2 gasの流量が116l/minで130℃まであがるが、すぐ安定し、安定に合わせ真空は下降。Cold窓は83℃の温度上昇。但し、液体窒素冷却の効果で、温度は-81℃。Cold側のベローズ
15
及びwarm側の外導体のベローズの温度上昇は100℃程度の温度上昇。

Power vs Delta T(all)middledown

念のため、5kW,10kW,20kWのデータによる温度上昇∆Tの相関を取 た （内導よる温度上昇∆Tの相関を取った。（内導体の温度上昇データは5kWだけ流量が少ないので使用せず。（右下グラフ）)きれ
いな相関得られているのがわかる した
いな相関得られているのがわかる。したがって、各パワーレベルで急激な温度上昇などがないことがわかり、パワーロスは
multipactingなどではなく 全てオーミック
multipactingなどではなく、全てオ
ミック
ロス的なものである。
16

温度：20kW平衡状態の温度∆T ：20kWパワー投入前後の温度差20kW keepの温度と温度上昇のまとめ
温度計(ch&配置)

温度（℃)

温度計(ch&配置)

T1‐1(cold end plate in vac.)-11.7

46.1 T2‐1(Liq. N2 tank)T1‐2(cold outer bellows down)-47.7

82.5 T2‐2(outer 125mm H‐bottom )T1‐3(cold outer bellows middle)-30.5

113.2 T2‐3(Blade (3) to Cold window )

-32.6

117.6

T1‐5(cold window upper)-81.2

T1‐6(cold window lower)-62.9

T1‐7(outer 10mm) (H‐botoom)-31.5

T1‐8(outer 67.5mm)(H‐top)

ΔT
(K)

温度
（℃)

温度計(ch&配置)

ΔT
(K)

25.2

32.6 111.8 T3‐2(warm window)

78.9

74.7

-179

10.5 T3‐3(inner conductor down)

50.9

47.7

T2‐4(outer
T2
4( t bellows
b ll(middle)( iddl )cold side )

55.3

99.5

82.7 T2‐5(Blade (4) to Cold Box )-188.2

3.2 T3‐5(N2 gas in)-93.4

72.6 T3‐6(N2 gas out)

108.2 103.7

106.6 T2‐7(Cold Box top)

-108.853.4 T3‐7(doorknob)

91.7

86.7

11.5

117.9 T2‐8(Cold Box side 1)-59

54.9 T3‐8(doorknob end plate)

77.7

72.4

T1‐9(warm outer bellows
middle1))

56.9

67.7

7.8

2.9

T1‐10(warm outer bellows
middle2)

57.9

69.2

5.9

3.9

97 T2‐6(Blade (3) at Cold Window )T2‐10(Cold Box bottom)

TC12
TC14

TC30

TC7
TC8

-67.3

68.3

-55.8

66

SI

8.8

T3‐9(cold end plate)T3‐10(room temperature)

TC13

124.8

70

TC15
TC17

65

TC16

TC9

1.9

TC21

K

57 .5
5

57 .5

温度計
setup

TC5
TC4

78.4

TC22

127.5 124.1

TC11

TC10
TC28

T3 4(iT3‐4(innerconductor
d t middle)
iddl )

100

赤：１００℃を超える場所また100K近くを超える
温度上昇の場所。内導体のベローズ部は温度が１００℃を超える。外導体で∆T=100Kを超える場所が多いが、温度は40℃以下で問題なし。

T2‐9(Cold Box side2)

0.8 T3‐1(warm outer outside)

ΔT
(K)

28.2

T1 4( ld outer
T1‐4(coldt bellows
b ll
up))

-193.1

温度
（℃)

10

TC3
TC2
TC1

TC29

J

TC27

50

10

60

115l/minAir ガス流 れ

TC25

N2 gas40

68

co ol ai r
ga s in

TC6
J

TC26 co ol ai r

G

ga s out

TC24

K

TC23
TC18

TC19

TC20

赤部分（外導体）は液体
窒素にしか熱の逃げ場がない。温度上昇が大17きくなる理由である。

Processの効果を見る。（昇温＋大気解放後のパワーテスト）
昇温後のパワー履歴(2011/1/31)

カプラ を大気解放後、液体窒素でカプラーを大気解放後、液体窒素で冷却後のパワー履歴(2011/2/3)-- Input power (kW)-- InputIt power (kW)-- Cold vacuum (Pa)-- Warm vacuum (Pa)-- Cold vacuum (Pa)-- Warm vacuum (Pa)昇温を行いまずはパワー投入を行った（左図）。パワーはスムーズに上がっていった。最大23kWまであげた さらにあげた。さらに、モジュール組み込みを想定して、窒素パージの後、大気解放を4時間行った。その後、
ジ
組み込みを想定し窒素パ ジ 後 大気解放を 時間行 た そ 後
真空引きを再度行い、液体窒素冷却後、processの効果を見た。20kWまでパワーはスムーズに上がる。一度22kWでarcで落ちたが、その後は24kWまでスムーズに上がる。Processの効果あり。 18

High power test Summary
•

•

•
•
•

20kW投入後にarcセンサーが働き、10kWレベルでarcセンサーが働き、electronが出るようになった。おそらくこの10kWレベルがmultipactingのレベルであると予想される。Processのため、30usのpulseを上乗せし、pulse processingを実行。
8時間の後にprocessが終わり、最大25kWまでパワー投入が可能となった。
時間の後にpが終わり、最大まで ワ 投入が可能とな た。
5kW,10kW,20kWで温度上昇を見るためのデータを取得。パワーに対し、温度上昇はリニアに変化。Cold窓で温度上昇は20kWでΔT=83K。温度上昇の大きい所
はN2 gas 115l/minしていたが、内導体のベローズで127℃(ΔT=124K)。あとは
115l/minしていたが 内導体のベロ ズで127℃(ΔT 124K) あとは
Cold窓のCold窓に近いベローズ部(T1‐4)で(ΔT=117K)、外導体Cold窓から67.5mm離れたT1‐8の(ΔT=118K)である。これらの部分は磁場のピークがある場
所で その影響で温度が高いと思われる所で、その影響で温度が高いと思われる。
warm側真空は4*10^‐6Paから下がる傾向あり。Cold側も4*10^‐7Paで問題なし。
入熱は計算との比較をつめる予定である。
Processの効果を見るべく、昇温後、一度窒素パージ後、大気に4時間カプラーを晒し、再度真空ひき＆液体窒素で冷却を行ったが、24kWまでスムーズにパワ を投入可能であ た
ワーを投入可能であった。Processの効果があったものと思われる。Leakの効果があ たものと思われる
k checkh k
ではCold窓の割れはなかった。

引き続きこのsetupでCold窓の熱サイクルテストを行う。

19

Thermal cycle testについて復習–窓単体hermal cycle testでのCold窓の割れ (2010夏まで) ‐‐液体窒素につけて300K<->77Kの間のヘリコ
熱サイクルテストを行う 5-6時間かけて77Kに冷やす
熱サイクルテストを行う。5-6時間かけて77Kに冷やす。

真空ひき

Cold窓

Leak箇所

Cold窓単体
液体窒素
cold窓

前の窓では５回の熱サイクルでLeak
Leak箇所の断面をcheckするために窓だけ切りだす。
Color check

大気側
真空側
Leak箇所

銅
内側モリブデン
断面を詳細に見た所アーチ状の割れが見られる。改善が必要。

20

中心軸

ANSYSによるカプラーの応力比較

セラミック部の寸法とろうづけMo wire

詳細

セラミック
1 銅
銅

Moリング
リ グ
Moリング
h=6.2mmh=8mm
t=0.25mm
t=0.25mm

1

1300K80Kの応力分布

3.77GPa

60

6.2

5

40
6.2

C 0.6
0 6
C 0.6
金ろうづけ

内導体

金ろうづけ

セラミック

中心軸

10.5

SUS316L

外導体

20

30

銅
セラミック
(HA997)

21

53 5
53.5

3
3

応力の最大値はセラミック内導体の接続部
セラミック窓Case study

セラミック窓
の厚さ

Moリン
グ厚み

銅スリーブ
厚さ

最大応力
(GPa)

No1で規格化
した値(%)

No 1(割れた窓)
No.1(

6 2mm
6.2mm

100%

1 0mm
1.0mm

0 48507E+10
0.48507E+10100

No.2(t=5.4mm)

5.4mm

100%

1.0mm

0.56258E+10

116.0

No.3

5.4mm

100%

1.0mm

0.45709E+10

94.2

No.4

5.4mm

200%

0.8mm

0.37652E+10

77.6

21
内導体の銅の厚さとMoリングの厚みを大きくして前回より応力を23%減。同パラメータ(Case4)をCoupler v1に採用。

今回のThermal cycle test setup(coupler v1のCold窓)
Cold side was filled byy He.

Cool down from liq. N2 tank
250

TC5

124.8

J

L弁

60

10
Air ガス流 れ

40

TC6cool airgas inJGcool airgas out

150

K

追加

CCG1
CCG2
ion
pump1
ion
pump2

pilaniscrollN2 gasTMP
scrollLeakdetector

He bomb

Isolation valve
For leak check

Cold 窓は断熱槽に置いたまま窒素タンクで冷却。
Cold窓側からHeを入れてwarm窓側でleak checkを行う。

22

Thermal cycle test(3回目以降の温度勾配)

7時間かけて伝熱でCold
窓を室温(10℃程度）か
ら-165℃まで冷却。最初のslopeが急であるが、実際の実際のoperationに近い
ti に近いかもしれない。Warm up
は液体窒素がなくなり次
第 半日かけて行う
第、半日かけて行う。
１回目、２回目はhigh power test中の冷却＋昇温過程をカウント

23

Leak check results
Thermal cycle(290K <‐> 110K)

Old cold window New cold window(Pa m3/s)(v1) (Pa m3/s)

Comments of new cold
window

1回目< 1.0×10‐10(ULVAC社
HELIOT)

N.A(ANELVA社HELEN)

L弁だけではHe内封できず。2回目からバルブを投入 (但し回目からバルブを投入。(但し、割れたいないことは確認)

2回目< 1.0×10‐10

3.0×10‐11(BG subtract)

3回目< 1.0×10‐10

8.2×10‐10(BG subtract) leak detectorの後ろにHeが入った

4回目< 1.0×10‐10

2.3×10‐10

5回目> 1×10‐4

5.8×10‐11

6回目

4.8×10‐11

7回目

3.9×10‐11

8回目

3.1×10‐11

9回目

1.0×10‐11

10回目

7.5×10‐11(BG subtract)(BG subtract)

前回の窓が5回目で割れたのに対し、10回目まで割れがない結果が出た。Leakなし。
これで割れなかったので、一応、Cold窓のろうづけ条件の基本設計はOKとする。 24

カプラー１号機実験のまとめと今後••

カプラー１号機のhigh power 試験で最大定在波で25kWのパワー印加可能。
プ
プロセスの効果あり。
効 あ•

セラミック窓の熱サイクル問題もろうづけ条件を変え、１０回の熱サイクルに耐える結果となった。
・RF設計や熱設計の課題がほぼクリアされ、今年度は実機（２，３号機）製作を行う。

今後予定
・coupling 測定などのlow level測定（５月中）-- Cold窓のアンテナの長さをfinalで決める。
Cold窓のアンテナの長さをfinalで決める・モジュールとの取り合いの詳細設計。
--組み立ての手順こみで設計。（特にCold窓）
・アークセンサの詳細study。
・アークセンサの詳細study-- モジュール組込用のfiberを用いたもの。
・カプラー２、３号機用のtest standの設計製作--今回はprocessがメイン
今回はprocessがメイン。80kW
80kW (1/4 duty) の進行波(20kW定在波相当)でカプラー全面のprocessingを行う。このテストはinjector用の1.3GHz CW 300kW klystronを用いて行う。（カプラーテストはinjector Grp.のカプラーテストが終わった後を予定。）

RF outRF in

２，３号機用のカプラーテストスタンド設計図
25

今後の方針（最短スケジュール）
here

2010
1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

改良Cold窓でのパワーテスト

カプラ １号機設計製作
カプラー１号機設計製作

1
1

1
2

1

2

カプラー２、３号機設計(設計は１号機をほぼ踏襲可能)

5

6

7

8

9

1
0

1
1

1
2

1

2

3

4

5

6

OK.

断熱槽での窒素冷却でのパワー試験 (ＫＥＫ)(ＫＥＫ)

現窓でのthermal
セラミック窓のろうづけテスト
cycle test (物性研)

4

2012

(原研)

１号機でのパワ テスト
１号機でのパワーテスト

カウンターホールでのスタンド作成

3

2011

OK.

feedback

カプラー２号機プ
Warm部のみ製作

Injectorのパワー試験の後

カプラー２,３号機製作（cold窓のみ）

カプラースタンド２、３号機用設計

クライオモジュール設計

１号機の結果でカプラーのRF,熱設計はfix

OK.

カプラースタンド２、３号機用製作

カプラー３号(２)機製作（warm窓、外導体）
カプラー２，３号機
パワー試験（i一部
１号機使用）
クライオモジュール製作

アッセンブリ

今年度(2011年度）の大きな方針・モジュール設計がメイン。カプラーをモジュールにどう組み立てていくか？（詳細設計）
・２号機、３号機用カプラーテストスタンドの製作。（processがメイン。）

謝辞
カプラー１号機テスト無事終了しました。今まで通じて以下の方々に御礼申し上げます。
•

•

•

•

•

カプラー設計製作に関して– 物性研の皆さま。特に中村様、石井様（元物性研）– KEK。野口様、加古様。
– Cornell大。S.Belomestnykh様(現BNL)、V.Veshchereich様Cornell大 S Belomestn kh様(現BNL) VVeshchereich様
原研でのカプラーテストスタンドにて– 原研の皆さま。羽島様、永井様、西森様、大内伸夫様– KEK。海老原様
KEK 海老原様
カプラー低温テスト、thermal cycle testに関して– 断熱槽設計：KEK(工作)東保男様– 低温試験：物性研。尾上様
低温試験 物性研 尾上様– リーク＆探傷試験：KEK、(工作）舟橋様、小林様、（低温）原様、（STF)佐藤様
東カウンターホールテストスタンドに関して– (ERL ) RF Grp.の皆さま。特に三浦様、福田様、道園様、中島様、荒川様、竹中様、吉皆さま 特
浦様 福 様 道園様 中島様 荒 様 竹中様 吉
田様、矢野様。
– (ERL) 低温Grp.の皆さま。特に小島様。
– 液体窒素シフト：KEK。本田洋介様、山本将博様、高橋毅様
液体窒素シフト K K 本田洋介様 山本将博様 高橋毅様
– 東カウンターホール関係：PFの皆さま。特に浅岡様、坂中様、小林幸則様。
その他、全般– 携わって頂いた多くの企業の方々。他ERL関係者の皆さま。
携わ頂 た多く 企業 方
他 関係者 皆さま

この実験は、大学連携事業、および量子ビームのサポートにて行われました。感謝致します。
27

Back up slide28

Standingの位置(HFSS Simulation overを仮定)（再確認)
SBP_LBP_input5_modif2_40mm_under_over_20kw
8 10

5

7 10

5

"efield"
fi ld (40(40mm,150mm
150over)(20kW))(20kW) (V/(V/m)")""efield (40mm,210mm under)(20kW) (V/m)""efield (50mm,120mm over)(20kW) (V/m)""e-field (xcold1 = 151mm, over, inner1)""e-field (xcold1 = 151mm, over, outer1)""E-field (xcold 151mm, over sim inner)""E-field
E field (xcold 151mm,
151mm over sim outer)outer)"

6 105
5 105
4 105

ベロ ズの位置は電場、ベローズの位置は電場
磁場のslopeの位置に持ってきた。Warmのベローズ間はoperation
ズ間はoperation
時には電場がmaxつまり磁場がミニマムになる位置にきている。

3 105
2 105
1 105
0

0

100

200

300

400

500

600

700

真空
windowcavity center
position Cold
from
(mm)
大気

4.5K

800

今回の測定ではunderでの測定となり、warmのbellows間は磁場がmaxとなる。（発熱が大きい）W ar m window

F

(2K)

237.5

57.5

G10
20

真 空引 き流 れメ ッキ 厚3 0 u m

10

1

46
16

122

メ ッキ 厚1 0 u m

35

B -B

メ ッキ 厚3 0 u m

R8

25 °

80

R5

R10

185.5

Air ガス流 れ

Cu 5mm厚

ヘリ コ（ W3.3m m）

B

真 空引 き流 れ

B -B

ヘリ コ（ W4.3m m）

25

5

co ol ai r
ga s in

S U S3 1 6 L
t = 1m m

G

B

26 4 31.1
26.4

12 5

40
56

I 35

52

214.2

G

co ol ai r
ga s out

F

460

214

135
536.2

29

IOT関係冷却水

Interlock logic(power+温度＋真空＋流量)
Local 制御ラック

From
RF discrid
方向性結合器 （中に検波器がある）

MPS module

RF interlock

Level 調整Pin for
Pin_for

IOT
200W
AMP

Level 調整

Pin_refLevel反転ＴＴＬ（LOW異常)ＴＴＬ（HIGH 異常)

ＴＴＬ（HIGH 異常)

温度

WE900
温度上限設定はソフトで行う。

ＴＴＬ（LOW 異常)ＴＴＬ（HIGH 異常)

RF
Switch(TTL low
open)
p )

ＳＧ
Arc sensor 1
Arc sensor 2

CCG 1
CCG 2
(Open異常)Arc interlock
moduleinterlock
modulereset
ＴＴＬ（HIGH 異常)
Arc sensor 3(fiber)

PIOT_for (level)
30
PIOT_ref , Pb2,Pf2

Typical 5kW keep data (2011/1/24)
power vs vac & Temperature of Cold window

5kWまでは順調にパワーが入る。真空はCold側(CCG1)が5*10^-7Paまであがるが、相対的に真空は低いレベルで安定 C ld窓の温度は5kWで20℃の温度上昇 C ld側のベロ的に真空は低いレベルで安定。Cold窓の温度は5kWで20℃の温度上昇。Cold側のベローズも最大で29℃(Ch4)の温度上昇で安定した。7時間安定にkeepした。
31

Typical 5kW keep data (2011/1/24)
power vs Temperature of inner and outer bellows at warm partN2 flow of inner conductor : 88 l/min
内導体へのN2
内導体のN2 gasの流量は一定。内導体のbellowsのまん中(T3-3)が一番温度上昇が高く、gasの流量は 定。内導体のbellowsのまん中(T3 3)が 番温度上昇が高く、38℃の温度上昇。N2 gas out(T3-6)もほぼ同じ温度。内導体ベローズのCold寄りの部分(T3-4)は液体窒素冷却で常温テストよりも温度上昇が低い。外導体のベローズの温度上昇
32は18℃で断熱槽を用いた常温テストのときとほぼ同じであった。

Typical 10kW keep data (2011/1/26)
power vs vac & Temperature of Cold window

10kWまでは順調にパワーが入る。真空はCold側(CCG1)前回と同じく一瞬であがった後、真空は最大2*10^ 6 P
真空は最大2*10^-6Pa程度まで上がる。Warm側の真空も同じ。但し温度が安定後は真空程度まで上がる W
側の真空も同じ 但し温度が安定後は真空は下がる。Cold窓の温度は10kWで38℃の温度上昇。Cold側のベローズも最大55℃(Ch4)の温度上昇で安定。温度上昇は5kWに対して、ほぼリニア。7時間安定にkeepした。 33

Typical 10kW keep data (2011/1/26)
power vs Temperature of inner and outer bellows at warm partN2 flow of inner conductor : 114 l/min
内導体へのN2
内導体のN2 gasの流量は一定。内導体のbellowsのまん中(T3-3)が一番温度上昇が高く、gasの流量は 定。内導体のbellowsのまん中(T3 3)が 番温度上昇が高く、59℃の温度上昇。N2 gas out(T3-6)もほぼ同じ温度。外導体のベローズの温度上昇は36℃
で断熱槽を用いた常温テストのときとほぼ同じであった。温度上昇は5kWに対し、リニア。
34

Processing history (2011/1/27)
備考

Time

Study items

9:08

Power on

9:13

Power reached 20kW & arc interlock (warm)

E‐pick 3 : 690mV‐10:00
10 00

M
Many
arc iinterlockt l k aroundd 10kW llevell

EE‐picki k worked
k d & CCG2
increased up to 1*10^‐6Pa

10:30‐

Change pulse processing by FG without ALC.
Pulse height and offset were changed for processing.

Duty: 1Hz ,pulse width 10us

11:30‐

Change duty increased 20Hz : V:1.309V  1.969V andamplitude 360mV, CCG2 : 1.5
1.5*10^‐5Pa
10 5Pa , 5kW level

Measured pulse width :30us

12:00‐

Change duty to 1Hz & continue increasing power.

Many time arc interlock
worked & processed.

13:16‐

Vac. was stabilizedb l d to 9*10^‐7Pa.
*

16:23

Big arc interlock : e‐pick 1V

17:48‐17:48Continue pulse processing & increase power

17:50

Change CW mode without ALC

18:40

Vac 1 (Cold) interlock & vac1 fluctuatedInterlock 1*10^‐4Pa

18:50

Reached 25kW & keep this level

Keep 1 hours

20:03

RF offArc 2

35

Pulse Processing 10:30‐15:00 (2011/1/27)
調整中 20Hz 1Hz 30us pulse process

温度vsPin_f

Process中ベローズなどに大きな温度上昇なはい
Process中ロ ズなどに大きな温度上昇なはい

Pulse processing前半。最初は色々調整をしながら、ある程度pulseに合わせ、electronが出るが、arcなどのinterlockがかからない状態に合わせ、その後、dutyを上げ、真空が上がっていく様子を見ながら、processを進めていく。右図にあるように11:30くらいからdutyを20Hzにしてprocessをすすめ、真空レベルを下げていくと同時にパワーを上げていく。13:00頃には
36
processも進み、真空がある程度落ち着いた。温度上昇は内導体ベローズで30-40℃程度。

Processing 15:00‐18:00 (2011/1/27)
Pulse processing

CW

Process中ベローズなどに大きな温度上昇なはい

温度vsPin_f

Process中の後半のデータ。Pulse
P
中の後半のデ タ P l processを継続していたが、16:23に1V程度のe-pick出を継続していたが 16 23に1V程度の i k出
力が出てきた後に、powerがsmoothに上がるようになる。17:30頃に一旦パワーレベルが下
がるが、さらにprocess後にパワーがsmoothにあがる。このころから反射interlock(RF Grp
側が用意したinterlock module)で落ちることが多くなり、17:50にpulse
module)で落ちることが多くなり 17:50にpulse processをやめ
processをやめ、CW
CW
でpower投入再開。但し、いつでもpulse modeに変えれるようにALCは通さずに、あくまでFGのoffsetを上げていくだけでCWでパワー投入した。17:53でようやく20kWに到達。 37

CW up to 25kW 18:00‐20:30 (2011/1/27)

CWでパワー投入後、25kWに到達。その前からCCG1で真空が活動的になる。ある程度
25kWでパワーをkeepしていくうちに真空が下がっていく様子がみられた。右図は温度上昇の図であるが、N2 gasを110l/min内導体にかけているにも関わらず、内導体のベローズのズ
middleは170℃を示していた。それ以外ではwarm窓が100℃近くに上昇。内導体の温度が38
安定してからCCG2の真空は徐々に良くなっていくのがわかる。他の温度はまだ上昇中。

20kW keep data (2011/1/28)
power vs Temperature of inner conductor & warm window & others

左は内導体の温度上昇の様子。内導体のベローズのまん中が温度上昇が高く、N2 gasの流量が116l/minで温度は130℃まであがる。Warm窓の温度上昇は∆T=75K。ドアノブ本体の温度が92℃まであがる。ドアノブ端板の温度は75℃。周りの温度に左右されるので、夏場などは空冷が必要ならあてる予定。
39

Coldセラミック窓詳細図（coupler v1の設計値）
中心軸

セラミック部の寸法とろうづけ600

Cold窓全体図

銅
セラミック(HA997)

20

1

Moリング
Moリング
h=6.2mmh=8mm
t=0t=0.25mm
25mm
t=0.25mm

6.22

Mo wire

セラミック
1 銅
銅

SUS316L

30

中心軸

5

400
6.22

C 0.6
3

C 0.6

3

金ろうづけ
金ろうづけ
10.5

STFBlとの違い：セラミック窓 HA997
内導体choke長さ 20mm30mm
内外 半径
内外の半径。

53.5

変更点

Old Cold window

New Cold window (coupler v1)

セラミック(HA997)厚み

6 2mm
6.2mm

5 4mm
5.4mm

セラミックC面

0.6mm

0.2mm

内導体のＣｕ厚み

1mm

0.8mm

内導体Moリング厚み

0.25mm0.5mm
40

篠江さんの計算からCuを薄く、なおかつMoを厚くする設計を1号機のCold窓に盛り込んだ。

90度側のセラミックの断面詳細
180度の外導体部

0度の内導体部

内導体Mo

0度の外導体部
セラミックと銅のろうづけ部に他の部分では割れは見受けられなかった。またろうづけの41
金などの部分はわからず、

応力集中の計算結果と冷却時の割れの例
内導体銅

外導体銅

応力最大部
セラミック

ろうづけ部

計算(ANSYS)による応力が端に集中している描像
右レポートにあるように端に応力が集中しわれる猫像が我々のセラ
ミック窓の割れ方に非常によく似ている。
産総研：菅沼氏 レポートよりRef. K.Suganuma, et. al. ,Ann. Rev. Mater. Sci 1988.18:47-73 42

20kW投入時のCold窓から窒素タンクへの入熱（ブレード線）

20kW時のブレード線一本当たりの入熱Qc_all:T1=93K (T2-3) & T2=180K (T2-6) , L=200mm,A=100mm^2
2
T2 180 K

100mm
 A
Qc _ all    
 (T )dT  37000W / m  18.5W
T

93
K
200mm
L 1

Powerなしの時、ブレード線一本当たりの入熱Qc_static:T1=84K (T2-3) & T2=107K (T2-6)
2
T2 107 K

100mm
 A
Qc _ static    
 (T )dT 
10600W / m  5.3W
T
84
K

200mm
L 1

Cold窓からブレード線4本を伝っての20kW入れた際の窒素タンクへの入熱はC
窓からブ
ド線 本を伝入れた際 窒素タ ク
入熱は
Q_dynamic = (Qc_all-Qc_static)×4 = (18.5W-5.3W)×4= 52.8W
43
ラフな予想値(30-40W)より大きい。Simulationで詰める必要あり。

Input couplerの入熱計算値

青：4.5Kへのdynamic loss部分
緑：80kへのdynamic loss部分
ピンク：300Kのdynamic loss部分

Cold窓から80Kアンカーへの入熱は緑部分
クライオモジュールとの取り合いで寸法を決める

成型 ベロ ーズ( 外 径φ8 0,内 径φ 61. 9(φ6 0) ,t =0. 15 )ピッ チ5 mm,5 山,伸縮 長±5 mm ( irie kou ken)真空

gui de f orvar ia bl e c oupl ing

Cold window

4.5K

6

5
(2K)

G 10

80K

300K
成型 ベロ ーズ(外 径φ11 2, 内 径φ9 6.4, t=0 .15)
ピッ チ6 .6m m,4山 ,± 5mm ( ir iek ou ken 要c heck )

A- A

300K

T-barか ら先 検討 中

大気Warm window

300K
C C
C-C

SUS 31 6L

t her mal an cho r

手動回転 or motor

200

20

115

真空 引き 流れメッ キ厚 30u m

3596

メッ キ厚 30 um

10

1

R8

成型 ベロ ーズ(外 径φ35 ,内 径φ 25 .2)
ピッ チ2 .6m m,20 山,±8m m (久世 ベロー ズ)

B- B

メッ キ厚 30 um

16

46

25°

80

R5

R10

SUS 31 6L
t=1 mm

Airガス流れヘリコ（W3.3mm）
B

真空 引き 流れ B- B
ヘリコ（W4.2mm）

cool airgas in5cool airgas out

B

25
125

125

40

513

60

35

52

460

92

267

真空引き

C-C

g ui de fo r vari abl e co up li ng

外導体長さ

A- A

135
105

407

247
149

175

505

内導体長さ

20kW+20kW(=40kW)の全反射時のDynamic lossの計算値
D namic loss
Dynamic

2K

5K

80K

300K

内導体

-

-

29.4W

13.7W(forced
air cool)

外導体

-

3.25W

2.5W

4.1W

Total

-

3.25W

31.9W

17.8W

40mm延長Coldのセラミック窓の発熱は1W以下

44