加速空洞内部の直接観察によるブレークダウン引き金機構の解明研究阿部 哲郎、影山 達也、坂井 浩、竹内 保直、吉野 一男
高エネルギー加速器研究機構（KEK）／加速器研究施設
第１５回日本加速器学会年会＠ハイブ長岡
２０１８年８月８日

本研究の目的
常伝導高周波加速構造の真空ブレークダウンの引き金機構を解明→ 加速構造の性能向上への応用→ 加速構造の性能劣化に対する回復への応用

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)2

本研究で使用した加速空洞
SuperKEKB／陽電子ダンピングリング用の常伝導高周波加速空洞の零号機（試験機）

 加速モード: 509 MHz CW TM010
 材料：無酸素銅クラス１
 Q0 = ~29000 (93%IACS) Rsh/Q0 = 150 Ω 空洞電圧（定格）： Vc = 0.80 MV
 Eacc = 3.1 MV/m
 壁面損失電力：約146 kW（@Vc = 0.80 MV）
詳しくは、下記を参照

空洞領域（青色）
第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎、「SuperKEKB陽電子ダンピングリング用の高周波加速空洞実機１号機が完成」、KEK 加速器研究施設トピックス 2013/9/5（Web記事）：
http://www2.kek.jp/accl/topics/topics130905.html
阿部 哲郎 (KEK)3大電力テスト･スタンドにおけるセットアップ
可動チューナ
真空ゲージ（CCG）

同軸型高周波入力結合器

TV カメラ 3

パワーセンサ

パワーメータ
ミラー容器
TV カメラ 1

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

スパッタ・イオンポンプ

阿部 哲郎 (KEK)4

本研究の方法
加速空洞内部を直接観察し、ブレークダウンの瞬間を視覚的にとらえる→ ブレークダウンの結果発生する「2次的･間接的」信号に依らない→ TVカメラを使って３方向から空洞内部を常時直接観察

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阿部 哲郎 (KEK)5

TVカメラ２

直接観察のセットアップ
入力高周波

TVカメラ３

TVカメラ１
第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)

ピックアップアンテナ

 下流側空洞端板の表面

下流側
ミラー

上流側 空洞端板の表面

上流側
ミラー

上流側
ミラー

同軸型入力結合器

下流側
ミラー

6

下流側の端板

上流側の端板側面（サイドビュー）
第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)7全２０５回のブレークダウン事象の内訳
 10% 「派手」なブレークダウン「派手」

 RFコンディショニングの初期でのみ発生

異常観測なし10%25%

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)8ブレークダウンの瞬間の観測例２
常時発光輝点＠ Vc = 0.95 MV (Eacc = 3.7 MV/m)

T<0

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

exploded at the momentof breakdown,then, disappeared!

T>0

T=0

阿部 哲郎 (KEK)9ブレークダウンの瞬間の観測例２
常時発光輝点＠ Vc = 0.95 MV (Eacc = 3.7 MV/m)

T<0

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

ブレークダウンの瞬間に爆発

then, disappeared!

T>0

T=0

阿部 哲郎 (KEK)10ブレークダウンの瞬間の観測例２
常時発光輝点＠ Vc = 0.95 MV (Eacc = 3.7 MV/m)

T<0

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

ブレークダウンの瞬間に爆発

ミニ超新星爆発！
その後、その輝点はない！

T>0

T=0

阿部 哲郎 (KEK)11全２０５回のブレークダウン事象の内訳
 10% 「派手」なブレークダウン「派手」

 RFコンディショニングの初期でのみ発生

異常観測
なし

10%

25%

 25% 常時発光輝点の「爆発消滅」

輝点の爆発消滅

25%

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)12第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)13全２０５回のブレークダウン事象の内訳
 10% 「派手」なブレークダウン「派手」

 RFコンディショニングの初期でのみ発生

異常観測
なし

10%

25%

 25% 常時発光輝点の「爆発消滅」
 40% スポット型爆発（＠輝点の見られない箇所）

輝点の爆発消滅

25%

スポット型爆発40%

ひとつのブレークダウン事象で複数の爆発があることはなかった
輝点爆発やスポット型爆発がブレークダウンを引き起こした原因

詳しくは 阿部 哲郎、「高周波加速空洞のブレークダウンの瞬間を「見た」！」、KEK 加速器研究施設トピックス 2016/10/5（Web記事）：
http://www2.kek.jp/accl/topics/topics161005.html
 T. Abe, T. Kageyama, H. Sakai, Y. Takeuchi, and K. Yoshino, "Breakdown Study Based on Direct In-Situ Observation of Inner Surfacesof an RF Accelerating Cavity during a High-Gradient Test", Physical Review Accelerators and Beams 19, 102001 (2016).

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)14ここからが今回の発表内容（新しい結果）第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)

15

疑問？
1. 「輝点」は何者か？
 発光スペクトルは？
 温度は？
 なぜ爆発するのか？

ハイパースペクトル･カメラを使って輝点のスペクトルを測定

2. 「スポット型爆発」はどのようにして発生するのか？
 輝点の「生成成長爆発」が高速で起きるのか？
ハイスピード･カメラを使って爆発の瞬間を観測
第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)16第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)17

焦点が受光素子面から少しでも外れていると、
 空洞内の輝点に対して完全にピントを合わせることは難しい
 点光源

 空洞内の輝点のスペクトル測定には、２次元分光が必要
ぼやけて分散が発生

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阿部 哲郎 (KEK)18

本研究で使用したハイパースペクトル･カメラ
Model: NH-KE3
エバ・ジャパン製
https://ebajapan.jp/spectraltechnology/

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

項目仕様

イメージセンサー

CMOS

ピクセル数

360,000

最高フレーム率

100 fps

ビット数

10観測可能波長領域

400 ～ 1000 nm

波長分解能5 nm

筐体サイズ

H76.0mm x W72.4mm x L213mm

重量1030g

阿部 哲郎 (KEK)19ハイパースペクトル･カメラのセットアップ

加速空洞
ミラー容器
アルミ製ミラー

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阿部 哲郎 (KEK)20

１０個の常時発光輝点のスペクトルを測定
下流側の端板上流側の端板

BS-C1
BS-A5

BS-A4
BS-A1

BS-A6

BS-C2

BS-A2

BS-C3
BS-A7

BS-A3

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スナップショット＠ Vc = 0.80 MV
阿部 哲郎 (KEK)21

観測スペクトル
 画素感度補正済み
 絶対波長校正済み
 ミラー容器の補正済み
 バックグランド除去済み① 可視光＆近赤外領域で線・帯スペクトルなし②高い空洞電圧でスペクトルが短波長方向にシフト

輝点は熱輻射！
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阿部 哲郎 (KEK)22

物理スペクトルと温度
温度のわかっている高温物体からの黒体輻射スペクトルの測定とプランクの公式との比プランクの公式（黒体輻射スペクトル） ∝1
1𝜆𝜆5 exp( ℎ𝑐𝑐 )−1𝜆𝜆𝑘𝑘𝑘𝑘（更に）波長感度補正後プランクの公式でフィットして温度を求めた

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阿部 哲郎 (KEK)23測定温度[℃] @ Vc = 0.95 MV (700 ～ 800 nm)
下流側の端板上流側の端板

BS-C1

BS-A4BS-A51366 ± 151028 ± 231316 ± 38

全て１０００℃以上！
BS-A11207 ± 13

BS-A61349 ± 37

最高温度： 約１４００℃！

BS-C21182 ± 43

BS-A21440 ± 20

BS-C3BS-A71155 ± 451250 ± 33

BS-A31057 ± 22

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阿部 哲郎 (KEK)

24

圧力

銅の相図

固体
加速空洞内真空圧力
2x10-5 Pa

溶解
凝固

三重点

950℃

液体

蒸発
凝縮

気体
800℃

固体
~0.05 Pa

(Data from https://www.iap.tuwien.ac.at/www/surface/vapor_pressure )気体
昇華
超高真空にさらされている銅（固体）は１０００℃以上にはなれない！

凝結

1085℃
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温度
阿部 哲郎 (KEK)

輝点の発光体は銅ではない！
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疑問と答え1. 「輝点」な何者か？
• 発光スペクトルは？
• 熱輻射スペクトル• 温度は？

• １０００℃以上（１０個の輝点@Vc=0.95MV）• 最高観測温度：約１４００℃

輝点の発光体は銅ではなく、高い融点を持つ異物微粒子• なぜ爆発するのか？については、不明

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阿部 哲郎 (KEK)26

CST MPHYSICS STUDIO を使った簡易シミュレーション
このシミュレーションでは、グラファイト球は表面電流のみで加熱される

グラファイトの簡易モデル

1350℃
（真空）
電場

（銅板）

磁場

40℃

100℃
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阿部 哲郎 (KEK)27第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)28

３台のハイスピード･カメラの設置
ハイスピード･カメラ２
ハイスピード･カメラ３

ハイスピード･カメラ１
Model: “HAS-D3M”
 ディテクト製 ( http://www.ditect.co.jp/index.html ) 最高フレーム率： 100,000 fps （本観測では 1,000 ～ 2,000 fps を使用）
 ３台のカメラ間でフレーム毎に同期可能
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阿部 哲郎 (KEK)

このセットアップで、４０回のブレークダウンを検出
29

その４０ブレークダウン事象の内の４事象で、「飛行輝点」を観測！

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)30事象 1/4: 下流  上流  衝突  ブレークダウン
上流側
端板

側面

下流側
端板

（フレーム率： 1,000 fps）

衝突(No.4455)の次のフレーム(No.4456)で常時発光輝点の輝度が急落したので、衝突の瞬間(No.4455)にブレークダウンが発生
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阿部 哲郎 (KEK)31事象 2～4/4: 下流側の端板に衝突  ブレークダウン
ブレークダウン

1.0ms

1.0
ms

0.5
ms

0.5
ms

0.5
ms

0.5
ms

1.0ms1.0ms

1.0ms

ブレークダウンブレークダウン
第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)32疑問と答え観測事実・結論
観測に基づく推測

2. 「スポット型爆発」はどのようにして発生するのか？

• 輝点の「生成成長爆発」が高速で起きるのか？
• ハイスピード･カメラを使って「飛行輝点着弾ブレークダウン」事象を複数観測した。
• これが、「スポット型爆発」事象の正体かも知れない。
• フレーム率の低いTVカメラでは、飛行輝点の衝突は１～２フレームにしか写らず、「スポット型爆発」として観測される。

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)33これまでの研究成果のまとめ
 ある程度ＲＦコンディショニングの進んだ常伝導UHF帯加速空洞のブレークダウンは、以下の２つのいずれかにより引き起こされる：① 常時発光輝点のひとつが爆発② 常時発光輝点の見られない箇所で発生するスポット型爆発

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)34

今回の研究成果のまとめ ハイパースペクトル･カメラを使って、（ブレークダウンの引き金となりうる）常時発光輝点のスペクトルを初めて測定した。
 熱輻射スペクトルであった。
 温度は、１０００℃以上（@Vc = 0.95 MV (Eacc = 3.7 MV/m)）
 輝点の発光体は銅ではなく、高い融点を持つ異物微粒子（炭素やモリブデン等）と判明

 ハイスピード･カメラを使ってブレークダウンの瞬間の加速空洞内部を直接観察したところ、飛行する輝点が空洞端板の表面に衝突してブレークダウンを引き起こした事象を初めて観測した。
 ４０ブレークダウン事象の内の４事象で観測 これが、「スポット型爆発」の正体かも知れない。

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)35ご清聴、ありがとうございました 本研究は、SuperKEKB 陽電子ダンピングリング用加速空洞の大電力試験に寄生する形で行いました。
 本研究は、以下の支援を受けました：① 科学研究費補助金／基盤研究(B)（課題番号：15H03671）② KEK機械工学センター／製造支援

第１５回日本加速器学会年会（２０１８年８月８日）

阿部 哲郎 (KEK)36