Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 WEP053

マルイ鍍金-KEK-CEA サクレーで実施した Ninja カソードを用いた 1.3GHz ニオブ
単セル空洞の縦型電解研磨と加速性能評価
1.3GHz Nb SINGLE CELL CAVITY VERTICAL ELECTROPOLISHING WITH NINJACATHODE AND EVALUATION OF ACCELERATING GRADIENT PERFORMED BYMARUI GALVANIZING-KEK-CEA SACLAY
仁井 啓介#, A), Vijay ChouhanA), 井田 義明 A), 山口 隆宣 A), 早野 仁司 B), 加藤 茂樹 B), 文珠四郎 秀昭 B),
佐伯 学行 B), 沢辺 元明 B), 井藤 隼人 C) , 及川 大基 D), Fabien Eozenou E), Luc Maurice E), Pol Carbonnier F),
Catherine Madec F), Thomas Proslier F), Christophe Servouin F)
Keisuke Nii #, A), Vijay ChouhanA), Yoshiaki IdaA), Takanori YamaguchiA), Hitoshi HayanoB), Shigeki KatoB), Hideaki
Monjushiro B), Takayuki SaekiB), Motoaki SawabeB), Hayato ItoC), Hiroki OikawaD), Fabien EozenouE), Luc MauriceE),
Pol CarbonnierF), Catherine MadecF), Thomas ProslierF), Christophe ServouinF)
A)
Marui Galvanizing Co., Ltd.
B)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)C)
SokendaiD)
Utsunomiya UniversityE)
CEA/DSM/IRFUF)
CEA/DRF/IRFU

Abstract
Marui Galvanizing Co., Ltd. has been developing Nb cavity vertical electropolishing (VEP) technologies incollaboration with KEK. And till now, using our unique cathode named “Ninja” and single-cell coupon cavity, various
parameter and cathode structure optimization experiments were performed. Through these experiments, we achieved
surface state and removal uniformity improvement. In order to confirm the contribution of these results to the effect ofcavity performance improvement, KEK’s 1.3GHz Nb single-cell cavity (TB1-TSB02) was VEPed using Marui’s VEP
facility and Ninja cathode, performed vertical test at KEK. In addition, in collaboration with CEA Saclay, Ninja cathodewas installed into CEA Saclay’s VEP facility and CEA Saclay’s 1.3GHz single-cell cavity (TP02) was VEPed using thissystem and vertical test was performed. In both case, accelerating gradient of over 30 MV/m was achieved. It is provedthat our Ninja cathode is effective to improve accelerating gradient of Nb single-cell cavity.

1.

はじめにマルイ鍍金工業では、来るべき International linear
collider (ILC) の建設開始に向けて、KEK と共同で建設コスト低減を可能にするニオブ製超伝導加速空洞の縦型電解研磨（VEP）技術開発に取り組んでいる。これまでに VEP 実験設備の作製、独自構造カソード”i-cathodeNinja”(Ninja カソード)の開発、作製を行い、条件最適化のための実験を行ってきた[1-7]。
ニオブ製単セル加速空洞の VEP については、これまでに表面分析用のニオブクーポンを装着できる単セルクーポン空洞を用いて、Ninja カソードの構造改善と VEPパラメータの最適化、VEP 後の研磨状態評価を行ってきた。そしてこれらにより、VEP 後の研磨量分布や表面粗さが改善することを報告してきた[4-7]。また加速性能の評価については、マルイ-KEK-コーネル大学で Ninja カソードを用いた 1.3GHz ニオブ単セル空洞 VEP 実験を行い、35MV/m（Q0=9E9@2K）が得られたことを報告した[8-10]。
さらに Ninja カソードを用いた単セル空洞 VEP の評価___________________________________________# keisuke_nii@e-marui.jpを進めるため、マルイ鍍金-KEK が共同でマルイ鍍金のNinja カソードと VEP 設備を用いた 1.3GHz ニオブ単セ
ル空洞 VEP とその加速性能評価を行った[11]。また、マルイ鍍金-KEK-CEA Saclay が共同で、マルイ鍍金にて準備した Ninja カソードを CEA Saclay の VEP 設備にセットして VEP を行い、研磨表面や研磨量分布の確認、加速性能評価を行った[12]。

2. マルイ-KEK で実施した VEP とその評価
2.1

VEP セットアップと実験手順

今回の実験で用いた単セル空洞、VEP 設備、空洞セットアップの写真を図 1 に示す。単セル空洞は KEK 所
有の TB1-TSB02、VEP 設備は岩手コラボ（マルイ鍍金、東日本機電開発、WING）で共同開発した自動制御バルブを用いた設備を使用した。カソードは絶縁物羽根+電極面積を増加した Ninja-3 タイプを使用した[7]。
空洞処理は VEP1（180 分、36μm）→HPR、ベーキング（120℃、48 時間）→アニール（750℃、3 時間）→VEP2（50 分、10μm）→HPR、ベーキング（120℃、48 時間）→縦測定の手順で行った。VEP1,2 はマルイ鍍金にて、- 447 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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HPR、ベーキング、アニール、縦測定は KEK にて行った。

VEP1 後の内面観察、研磨量分布測定結果をそれぞれ図 3、図 4 に示す。

Figure 1: Photos of single cell cavity TB1-TSB02 (upperleft), VEP facility (lower left), cavity setup (right).

Figure 3: Photos of inner surface after VEP1 (upper) witha digital camera (lower) with Kyoto camera.

2.2

VEP と加速性能評価

VEP1、VEP2 の条件を表 1 に示す。EP 電圧は、VEP前に IV 特性の確認を行い、十分に研磨領域内となる電圧を選んで設定した。その他はこれまでの VEP 実験で良好な研磨面が得られたパラメータを用いた。
Table 1: Conditions of This VEP
パラメータ
EP 液電圧
電流密度

VEP 1
VEP 2
H2SO4(98%):HF(55%)=9:1
~16 V

~17 V
20 – 30 mA/cm2

空洞表面温度~20

カソード回転速度20 rpm

EP 液流量
EP 時間
平均研磨量~5 L/min~180 min~36 µmFigure 4: Removal thickness distribution after VEP1.

~50 min~10 µm

Figure 2: EP current and voltage during VEP2 (excerpt).

目視（デジタルカメラ）による外観観察では、光沢があり良好な内面であった。また京都カメラでの観察においても欠陥等はなく、平坦で良好な研磨面が観察された。
研磨量分布はセル内では 0°、180°とも概ね均一で上下対称な分布となっていた。
VEP2 後の縦測定の結果を図 5 に、同空洞の横型電解研磨（HEP）後の加速性能との比較を図 6 に示す。加速性能は 32MV/m（Q0＝8.0E9@2K）を達成した。これはHEP 後の加速性能と比較しても、同等以上の性能となっている。
これより、マルイ鍍金の Ninja カソードや VEP 設備（岩手コラボ共同開発）を用いた VEP 処理においても従来のHEP と同等の性能が得られることがわかった。ILC 等の空洞製造へ VEP が適用できる可能性が開かれたと考える。

VEP2 中の電流電圧（抜粋）を図 2 に示す。ニオブの電解研磨に特有な電流の振動（オシレーション）が見られており、良い条件で電解研磨が進んでいることがわかる。VEP1 中の電流電圧も同様であった。

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Figure 5: Vertical test results after VEP2 (upper) Q0 vs Eacc.
(lower) X-ray vs Eacc.

Figure 7: Photos of VEP facility (left), cavity setup (upperright), single cell cavity TP02 (lower right).
3.2

VEP と加速性能評価

VEP1、VEP2 の条件を表 2 に示す。EP 電圧は、VEP
前に IV 特性の確認を行い、十分に研磨領域内となる電圧を選んで設定した。
Table 2: Conditions of This VEP
パラメータ
EP 液

VEP 1
VEP 2
H2SO4(96%):HF(40%)=9:1
17.3 V

電圧

Figure 6: Accelerating gradient comparison of VEP andHEP using the same cavity.

3.

マルイ-KEK-CEA Saclay で実施した VEPとその評価

3.1

VEP セットアップと実験手順

空洞表面温度~18

カソード回転速度

20 rpm

EP 液流量EP 時間
目標研磨量

今回の実験で用いた単セル空洞、VEP 設備、空洞セットアップの写真を図 7 に示す。
単セル空洞は CEA Saclay 所有の TP02、VEP 設備はCEA Saclay の VEP 設備を使用した。カソードは絶縁物
羽根+電極面積を増加した Ninja-3 タイプを CEA Saclayの設備に適合するサイズ、形状でマルイ鍍金にて新規作製したものを使用した。
空洞処理は VEP を 2 回に分けて行い（VEP1、VEP2）、それぞれ空洞の上下を入れ替えて実施した。VEP2 後にCEA Saclay にて縦測定を行い、ベーキング（120℃、48時間）を行った後再度縦測定を行った。

~10 L/min
546 min

665 min
150 µmFigure 8: EP current during VEP1 (excerpt).
VEP1 中の電流電圧（抜粋）を図 8 に示すニオブの電解研磨に特有な電流の振動（オシレーション）が見られており、良い条件で電解研磨が進んでいることがわかる。
VEP2 中の電流電圧も同様であった。
VEP2 後の内面観察、研磨量分布測定結果をそれぞ- 449 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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れ図 9、図 10 に示す。

加速勾配 35MV/m（Q0＝1.2E10@1.6K）（ベーキング後）と良好な特性が得られた。これより、マルイ鍍金以外の VEP 設備においても、それに合った Ninja カソードを作製して使用すれば、良好な結果が得られることがわかった。

4.

Figure 9: Photos of inner surface after VEP2 with a digitalcamera.

まとめ

今回、マルイ鍍金-KEK-CEA Saclay が共同で 1.3GHz
ニオブ単セル空洞の VEP 実験と加速性能評価を行った。
マルイ鍍金-KEK 共同実験では、マルイの Ninja カソー
ドと VEP 設備（岩手コラボ共同開発）を用いて VEP を行
い KEK にて縦測定を実施した。結果、研磨後表面や研磨 量 分 布 は 良 好 で あ り 、 加 速 勾 配 32MV/m （ Q0 ＝8.0E9@2K）と良好な特性が得られた。
また、マルイ鍍金-KEK-CEA Saclay 共同実験では、マルイの Ninja カソードと CEA Saclay の VEP 設備を用いて VEP を行い、CEA Saclay にて縦測定を実施した。結果、研磨後表面や研磨量分布は良好であり、加速勾配35MV/m（Q0＝1.2E10@1.6K）と良好な特性が得られた。
これらの結果から、Ninja カソードを用いた VEP をニオブ空洞製造に適用しても、従来の HEP と同程度の性能が得られることがわかった。
今後は、1.3GHz ニオブ 9 セル空洞についても Ninja
カソードを用いた VEP と加速性能評価を、KEK を始めとした研究機関と共同で進め、ILC 規格を満たす空洞製造への適用とコスト低減への貢献を目指す。

謝辞

Figure 10: Removal thickness distribution after each VEPand total.
目視（デジタルカメラ）による外観観察では、光沢があり良好な内面であった。また研磨量分布はセル内ではVEP1、VEP2 とも概ね均一で上下対称な分布となっていた。これは従来の CEA Saclay で行われた VEP と比べても改善がみられていた。
CEA Saclay で行われた縦測定の結果を図 11 に示す。

Figure 11: Vertical test result after this VEP (before andafter baking).

マルイ鍍金での自動バルブ制御の VEP 設備の開発、立ち上げ、調整にあたりまして、東日本機電開発株式会社（岩手県盛岡市）の水戸谷様、赤堀様、宮野様、株式会社 WING（岩手県北上市）の髙橋様、姉帯様に多大なご協力を頂きました。ここに感謝の意を表します。

参考文献[1] 仁井啓介他 第 12 回日本加速器学会年会、敦賀市
2015 WEP048.
[2] 仁井啓介他 第 12 回日本加速器学会年会、敦賀市
2015 WEP049.
[3] 仁井啓介他 第 13 回日本加速器学会年会、千葉市
2016 TUP026.
[4] 仁井啓介他 第 13 回日本加速器学会年会、千葉市
2016 TUP027.
[5] V.Chouhan et al., SRF2015, Whistler, Canada 2015,THBA02.
[6] V.Chouhan et al., SRF2015, Whistler, Canada 2015,
MOPB105.
[7] V.Chouhan et al., LINAC16, East Lansing, MI USA 2016,
MOPLR037.
[8] F.Furuta et al., IPAC16, Busan, Korea 2016, WEPMR016.
[9] F.Furuta et al., SRF2017, Lanzhou, China 2017, TUPB073.
[10] 仁井啓介他 第 14 回日本加速器学会年会、札幌市
2017 TUP039.
[11] K.Nii et al., IPAC18, Vancouver, Canada 2018, THPAL032.
[12] F.Eozenou et al., IPAC18, Vancouver, Canada 2018,
WEPMK015.

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