2.2. 内視鏡による内面検査

超伝導空洞の性能評価

京都大学にて開発された内視鏡、「京都カメラシ

1. はじめにステム」を使い、空洞内面のアイリス部、赤道溶

本講義の前に行われた加古永治教授の講義「超伝ます(Fig.1)。KEK で ILC 用超伝導空洞の研究開発

導空洞の基礎 1、2」及び、「超伝導空洞の周辺技が始まった 2005 年頃は、溶接欠陥除去のため遠術」において、空洞の設計、高周波、超伝導の基

心バレル研磨を行っていました(Fig.2)。これは研礎理論や周辺技術の基礎を学んだ上で、では実際

磨材と水を内部に入れた空洞を、公転運動させるの空洞性能評価にあたり、具体的にはどの様な対と共に公転と逆向きに自転運動させる事で、主に応がなされるのか？を本講義では解説します。対赤道溶接部を効率よく研磨する処理方法です。そ象となるのは、ILC 用に研究開発されたニオブ製の後、溶接技術の向上により省略されました。

接部の検査を行い、空洞内面の初期状態を把握し1300 MHz 9 セ ル 超 伝 導 空 洞 で す が 、 cERL(Compact Energy Recovery Linac) の入射器用に開発された 2 セル超伝導空洞や、主加速空洞 9 セル
超伝導空洞にも同様に当てはめる事が出来ます。

2. 空洞の処理工程；
受け入れ検査から内面検査まで
新しく製造された空洞が KEK に納められた後に行われる処理工程は以下の通りです。
1.

受け入れ検査2.

内視鏡による内面検査

3.

Pre-EP、EP-I ( Pre-Electropolishing、

4.

Electropolishing-I )一次洗浄、温水超音波洗浄、超純水高圧洗浄 (High Pressure Rinsing ；H.P.R.)

5.

アニール(Anneal)

6.

内視鏡による内面検査

Fig. 1 京都カメラシステム

空洞の電解研磨処理や化学研磨処理、水洗工程の詳細については、沢辺元明氏の講義を参考にして下さい。
2.1. 受け入れ検査
空洞のセル間隔、全長、赤道溶接部の厚み、共振
周波数、電場平坦度、パスバンドモードの周波数と電場強度の測定を行い、空洞の初期状態を把握
Fig. 2 遠心バレル研磨装置

します。
電場平坦度(Field Flatness)=(電場強度の最小値)/(電場強度の最大値)*100(2-1)

2.3. 電解研磨 (Pre-EP 、EP-I)

2.4.一次洗浄、温水超音波洗浄、超純水高圧洗浄

Pre-EP(Pre-Electropolishing) はタンク内の電解研

EP が終わると空洞内に超純水を溜めては流す工

磨液の汚染を防ぐため、液を循環させずに行う 5程を繰り返す、主に EP 液の排出を目的とする一m 程度の少量研磨です。空洞内面の不純物除去

次 洗 浄 を 行 い ま す (Fig.5) 。 続 い て 、 Degreaser

EP-I

FM20 と超純水を空洞内に溜め、50 ℃の恒温槽に(Electropolishing-I) と呼ばれる 100 m 程度の初期

沈めて超音波洗浄を約 15 分行います(Fig.6)。最後

多量研磨を行います(Fig.3)。EP-I では液の循環をに 8 MPa の超純水高圧洗浄を 1 時間程度行います

行います。電解研磨液は(Fig.7)。EP-I 後の洗浄工程は、EP 液の完全な洗浄が 目 的 で す 。 こ れ が 終 わ る とが主目的です。(この後、アニールや内面検査で空H2SO4(>93%):HF(46%)=10:1 (体積比)(2-2)

洞内部が大気開放されるためです。)

からなりますが、以前は液組成
HF(46%):HNO3(60%):H3PO4(85%)=1:1:1 (体積比)(2-3)
からなる CP (Chemical Polishing；化学研磨)が行われていました。これは液を空洞内に注ぎ、テフロ
ン棒で攪拌するだけの簡単な表面処理法です(Fig.4)。しかしながら EP と比較して高加速電場を出すのが難しいために、今では部品洗浄や空洞フ

Fig.5 一次洗浄；液抜き

ランジ面の処理に使われています。

Fig. 3 電解研磨装置

Fig.4 化学研磨処理と表面粗さ

Fig.6 温水超音波洗浄

Fig.7 超純水高圧洗浄

2.5. アニール

(Anneal)

縦測定において、要求仕様を満たす性能を達成

空洞製造に使われた個々の材料の残留応力除去

出来ない場合、測定で得られたデータを基に、内と、ニオブ材に取り込まれた主に水素除去を目的

面検査、局所研磨を施し、縦測定を繰り返します。

とし、真空炉にて 750 ℃、3 時間の熱処理を行い

3.1.局所研磨ます。空洞はチタン製箱に納められ、チタンのゲ(Local Grinding)ッター作用を利用して、効率よく水素を除去しま

ヘッドにダイヤモンドシートを張り付け、欠陥部す(Fig.8)。

分に押し当て研磨する装置です(Fig.9)。無負荷でのヘッドの回転数は 12 Volt、3000 rpm、研磨量は10 Volt、400 番シートで 5 m/10 分、1000 番シー
トで 3m/10 分です。

Fig. 8 アニール用真空炉

2.6. 内視鏡による内面検査
2.3 から 2.5 までの内面処理工程を経て、再度京都

Fig.9 局所研磨装置
温度マッピング装置で、空洞性能を制限する発カメラにて内面検査を行います。表面処理を行っ

熱箇所を特定し、京都カメラでその場所を確認、た結果、受け入れ検査時に見つかった欠陥がどう

欠陥があればこの装置で除去します。性能向上の変化したか、あるいは無かった欠陥が新たに生じための非常に有効な装置です。

たかの確認が目的です。

3.2. プリチューニング

3. 空洞の処理工程；
プリチューニングから縦測定

空洞の共振周波数を加速器の運転周波数に一致

受け入れ工程が済むと、空洞単体性能試験(縦測定)を行うための以下の工程が始まります。
1.

局所研磨

(Local Grinding)2.

プリチューニング

3.

仕上げ電解研磨 EP-II ( Electropolishing-II )4.

1 次洗浄、温水超音波洗浄 、超純水高圧(Pretuning)

洗浄(H.P.R.)
5.

Class10 クリーンルームでの空洞組立

6.

リークチェック、ベーキング (140 ℃、44
時間)

7.

空洞単体性能試験 (縦測定)(Pretuning)

させ、かつ全てのセルで効率よくビーム加速させるために、各セルでの電場強度を一様に揃える工程です。セルをパッドで挟み込み、アイリス部を変形させる事で周波数を変えます(Fig.10)。ILC 用
9 セル空洞の場合、運転周波数は 1300 MHz であり、チューナー及びピエゾ素子での周波数制御範
囲と、2 K への冷却、空洞内やクライオモジュー
ル内の圧力変化による周波数変化を考慮して、常温大気圧下で 1297.3~1297.5 MHz に共振周波数を合わせると共に 98 %以上の Field Flatness を目指します(Fig.11)。
縦測定の結果、再測定を行う事が決まると、共振周波数と Field Flatness の測定を行います。Field
Flatness が劣化したり(約 95%未満)、共振周波数が低くなった場合には再度チューニングします。

は約 9 時間(ポート開 4.5 時間+ポート閉 4.5 時間)
行っていました。温水超音波洗浄共々、性能には影響がない事をきちんと確認し、時間短縮しています。
3.4. 縦測定に備えた空洞組み立て
5 時間におよぶ洗浄が終わると、唯一開いていた
ポートもフランジで閉じ、密閉します。その状態
Fig.10 Pretuning 装置

でクラス 10 クリーンルームへ空洞を移動し、縦測定に必要なフランジ、排気系バルブ、入力アン
テナ、出力アンテナ等の取り付けを行います。(クラス 10：0.5 m の粒子<10 個/ft3 、ISO 規格のクラス 4；0.1 m の粒子<104 個/m3 に相当します。)
これらの部品や組み立てに使用されるボルト類
は、事前に超音波洗浄、超純水洗浄を行い、クラス 10 で保管しておきます。部品を取り付ける箇所のフランジを外す前にイオンガン(Fig.12)で十分に清浄化を行い、また取り付ける部品も同様に
イオンガンで清浄化し、すばやく取り付けを行い

Fig.11 Pretuning(1296.48MHz, 67.9%→1297.47MHz, 99.6%)

ます。
部品取り付けが完了するとヘリウムガスを用いてリークチェックを行います。空洞性能試験は3.3.EP-II、一次洗浄、温水超音波洗浄、超純水
高圧洗浄

超流動ヘリウムに沈めた状態で行いますのでリ

これらの工程は、2 章で説明した工程と基本的に140℃、44 時間のベーキングを行います(Fig.13)。

は同じです。FM20 を用いた温水超音波洗浄は、

真空シール材である錫メッキされたヘリコフ

以前は 1 時間行っていましたが最近では 15 分にレックスは、フランジを外した際、フランジ面へ短縮されました。

の錫の付着が少なく取り扱いが容易です。以前はークチェックは非常に重要です。問題なければ仕上げ電解研磨と呼ばれる EP-II での研磨量はインジウムリボンを使用していましたが、剥がす

5~20 m ですが、20 m の場合、Field Flatness の際に空洞内面の汚染が起こり易く、その後、イン劣化が比較的大きいため、内面検査の結果が不良

ジウムメッキされたヘリコフレックスに変更さでない限り、5 m の少量研磨にしています。

れました。さらにベーキング温度が高い方が空洞

2 章の工程と異なるのは超純水高圧洗浄です。

性能が良いという実験結果が出た事から、100℃

空洞内面の清浄化が主目的であり、空洞性能を決で行っていたベーキングを 120℃に上げました。

める重要な工程ですので、十分な時間をかけて行

しかし、メッキされたインジウムが溶け出す可能います。空洞の各ポート(ビームパイプポート 2、性があり、またよりベーキング温度を上げるた

入力カプラーポート 1、高次モードカプラーポー

め、錫メッキに変更、現在 140℃で行っています。

ト 2、モニターポート 1) 開状態で約 2.5 時間、そTable 1 インジウムと錫の物理特性の後、H.P.R.ノズルが上下する下側ビームパイプ
ポートを除き、フランジを用いて各ポート閉状態

インジウム

超伝導転移温度=3.4K、融点=157℃

で 2.5 時間、合計約 5 時間行います。これも以前

錫

超伝導転移温度=3.7K、融点=232℃

スタンドに設置した後、縦測定に必要な温度マ
ッピング装置や X 線マッピング装置の取り付けも行います(Fig.14)。
測定に必要な装置の設置が済み、また空洞内真空度が 10-7 Pa 程度に到達すると、バルブを閉じ、排気系を切り離し、縦測定用クライオスタットへ
空洞を移動、挿入します(Fig.15)。
Fig.12 イオンガン

Fig.13 ベーキング

3.5. 測定用クライオスタットへの移動
ベーキングが終了し、空洞真空が 10-6～10-7 Pa に到達するとメタルバルブを閉じ、封じ切りにしてクリーンルームから測定スタンドへ移動します。

Fig.15 クライオスタットへの空洞の挿入
挿入が完了すると、排気系の接続、各種ケーブ
ルの接続が行われ、測定開始を待ちます。

4. 空洞単体性能試験(縦測定)

空洞性能測定は、Fig.15 の様に、縦型クライオス
タットにて行われるため「縦測定(Vertical Test)」と呼ばれます。
Fig.14 スタンドに設置された 9 セル空洞(左)と温度マッピング装置(右)スタンドに設置し排気系を接続すると、空洞のメタルバルブを閉じたまま排気系配管のベーキングを行います。ベーキング終了後、配管の真空度が空洞内真空度と同等まで良くなると、空洞のメタルバルブを開きます。

4.1. 液体ヘリウムの注入
液体ヘリウムが通るラインは、事前にヘリウムガスで置換しておく事が重要です。(デュワーから液体ヘリウムを取りだすトランスファーチューブ
も、ヘリウムガスを充填してから差し込みます。)
準備が整うと、クライオスタット内への液体ヘ
リウムの注入を開始します。

Fig.16 液体ヘリウムデュワー
Fig.18 高周波制御系

9 セル空洞の場合、測定は 2 日に渡り行われます。初日は室温から液体ヘリウムを注入して 4.2 K

最 大 出 力 400W の ド ラ イ バ ー ア ン プ (Driver

での、翌日は 4.2 K の状態に液体ヘリウムを注入

Amplifier) 後 方 に あ る 方 向 性 結 合 器 (Directional

しながらクライオスタット内を減圧し、超流動ヘ

Coupler)から取り出した出力と、空洞を透過してリウム状態 (2.17 K 以下。通常は 1.8 K~2 K)でのきた出力の間に PLL(Phase Lock Loop)が組まれて測定を行います。各々、1000L デュワー1 本を使

い ま す 。 両 信 号 を 周 波 数 変 換 器 (Frequency

用します(Fig.16)。

Converter：1300 MHz を 1 MHz に変換)に通した後、デュワー内部にポンプでヘリウムガスを送り位相検出器(Phase Detector)で位相差を検出しま

込み、内圧を上げる事で液体ヘリウムをクライオ

す。位相差 1°あたり 50 mV の出力電圧で、これスタット内へ送り込みます。

を Feedback Controller 経由で信号発生器の周波数

4.2. 縦測定の高周波制御系

変調(Frequency Modulation)ポートに入力し、空洞の共振周波数を追尾します。同時に反射電力が最Fig.17 は縦測定の全体図を、Fig.18 は高周波制御

低になる様、入力カプラー(Input Coupler)と移相器系を表します。我々の扱う 9 セル空洞で実際に測(Phase Shifter)で調整します。

定する高周波電力は、空洞への入力電力(Pin)、空放射線シールドが開いている様な測定に不適

洞からの反射電力(Pref)、空洞透過電力(Pt)、高次

切な状態であったり、時間当たりの放射線の積算

モードカプラー透過電力(PHOM1、PHOM2)、プロ

上限値(20 Sv/h)を超えた場合には自動的に信号ーブ電力(Pprobe)ですが、その他に出力ポートが発生器の出力を切るインターロック(Interlock)回ある場合はそれも加えます。

路が組み込まれています。
4.3. 測定に必要な計算式
制御室内に置かれた Power Meter に表示される各電力の値を P’i (i=input、reflect、transmit、HOM1、
HOM2、probe)、各電力ケーブルのロス係数を Ciとします。ロス係数は事前に液体ヘリウムが十分溜まった状態で測定しておきます。すると各電力の実の値は以下の様になります。

Fig.17 縦測定全体図

Pi=P’i * Ci

空洞で消費される実電力 Po は(4-1)

Po=Pin-Pref-Pt-PHOM1-PHOM2-Pprobe(4-2)1) 空洞の無負荷 Q 値 Qo、2) 加
おいて求めたい値、となります。
空洞の負荷 Q 値(Loaded Q value) を QL、空洞への入力 Pin を切った時、Transmit ポートからの出
力 Pt の減衰時間1/2 (Decay Time；電力が半分になる時間)、空洞の共振周波数 fo とすると
QL=2fo1/2/ln2

液体ヘリウムを 4 K から 2 K へ冷却中の測定に(4-3)

減衰時間は次の様にして求められます。まず検波ダイオード(極性に注意)に電力 P を入力し、その出力電圧 V0 をオシロスコープで測定します。
その後、P/2 の電力を入力し同様に出力電圧 V1 を測定します。減衰波形が V0 と V1 を横切る時間間
隔が減衰時間1/2 に相当します。
各ポートに付けられたアンテナの結合定数(Coupling Constant)をi、Q 値を Qi、空洞の無負荷

速電場 Eacc [MV/m]、3) 表面抵抗値 Rs (Surface
Resistance) []は次の式から得られます。
Qo= QL(1+ in+t+HOM1+HOM2+probe) (4-9)
Eacc=√[(R/Q)W]/Lcavity = √[(R/Q)PoQo]/Lcavity= Z√(PoQo) (Z=√[(R/Q)]/Lcavity)(4-10)

ここで=2fo、Lcavity は空洞の有効長、W は空洞に蓄積される電磁場のエネルギー、

W

2
2


H dV   E dV22

(4-11)

R/Q は加速モードのインピーダンスで、ILC 用 9
セル超伝導空洞では R/Q=1016 []、Z＝30.8 になります。

Q 値(Unloaded Q value) を Qo とします。
i =Pi/Po (i = transmit、HOM1、HOM2、probe)(4-4)

in= L(1+ t + HOM1 + HOM2 + probe)(4-5)

Rs=G/Qo(4-12)

ここで G は形状因子(Geometrical Constant)で ILC
用 9 セル超伝導空洞では 277 []になります。
4 K および 2 K 以下での High Field 測定では、

β測定したいモード(～3/9で(4-1)～(4-10)の測定
(4-6)

β
(4-7)
Qi=Qo/i (i=input、transmit、HOM1、HOM2、probe)(4-8)
ここで Over Coupling とは入力カプラーを空洞内に入れていくと反射電力が増加する状態、Under
Coupling とは入力カプラーを空洞から引き抜いてを行い Qt を求め、Po*Qo= Pt*Qtが成り立つので

Qo= Qt*Pt/Po(4-13)

Eacc = Z√(PoQo) = Z√(PtQt)(4-14)

左側縦軸を Qo、横軸を Eacc [MV/m]、右側縦軸をX 線量として測定値をプロットして空洞性能を評価します。

5. 縦測定の実際例
この章では縦測定の実際例を示します。
5.1. 4.2 K での測定例

いくと反射電力が増加する状態です。減圧(冷却)液体ヘリウムの充填が完了した後、最初に行う測途中では空洞の Q 値が良くなっていくため、測定定です。ただし 4 K では最大加速電場～10MV/m

途中に Under から Over へ状態が変わらない様、程で空洞消費電力 Po～200 W になりますので、シ

常に Over Coupling で測定します。

ステムチェックが主な目的の測定です。

もしこの低い加速電場領域で X 線が観測される

超伝導空洞の表面抵抗 Rs[]は温度依存性を持様ですと、2 K での高性能達成は厳しくなります。

つ BCS 抵抗と、温度には依存せず空洞表面の状態

例として Fig.19 に MHI#24 号機の 3 回目縦測定で決まる残留抵抗 Rresidual の和で表されます。

結果を示します。この空洞は 4 K の測定から X 線が観測されました(図中の□)。2 K に冷却後の測定でも電界放出電子(Field Emission)による X 線の量が多く、ILC 要求仕様には遠く及ばず、内面検査、再処理、再測定になりました。
Qo pi-mode initial [1.67-1.73K]
Qo pi-mode final [1.44-1.48K]
Qo pi-mode [4.2K]
ILC spec.

11


2
 

exp  T kB T (5-2)

は超伝導電子対のエネルギーギャップです。得られた測定データから最適フィッティングを行い、
10

5

10

4

残留表面抵抗を求めます。この測定での残留表面
抵抗は 13.6 nです。なお、残留表面抵抗が大き
いと Q 値は低くなりますが、得られる最大加速電1010Initial; Stop for Qo<5*10^9Eacc,max=20.4MV/m
Qo=3.76*10^9
Po=117W
Qt=3.10*10^11
He pres.=1.09kPa
He Temp.=1.67K

9Final; Stop for Q<5*10^9Eacc,max=23.2MV/m
Qo=4.17*10^9
Po=136W
Qt=3.02*10^11
He pres.=0.44kPa
He Temp.=1.46K

0

10

10

1

Power Limit
Eacc,max=9.5MV/m
Qo=4.57*10^8
Po=208W

8100

Xray [Sv/h]

Qo

1000

10

10

R BCS  A

(5-1)

ここで kB は Boltzmann 定数で 1.38×10−23 J/K、2

X-ray pi-initial
X-ray pi-final
X-ray pi-4.2K

MHI#24 3rd. Vertical Test 12/19/2013
Local Grinding(all irises), EP-II(5m), FM_20 2%(50C,15min),
H.P.R.(~5hrs), Baking(140C, 44hrs)

10

Rs=RBCS(T)+Rresidual

20

30

場が必ずしも低くなる訳ではありません。
Fig.21 は 90 年代に 1 セル空洞で研究開発を行っていた頃に測定した、最大加速電場の温度依存性を示したグラフです。超流動状態になると最大加速電場が跳ね上がる事が分かります。

0.1
50

40

Eacc [MV/m]

Fig.19 MHI#24 3rd. V.T. Qo vs. Eacc

5.2. 4.2K から 2 K に冷却中の測定例
Fig.20 と同じく MHI#24 号機 3 回目縦測定における 4 K から 2 K へ冷却中の測定結果を示します。
Rs [ohm]
Rbcs [ohm]-6

10

MHI#24 3rd. Vertical Test 12/19/2013
Local Grinding(all irises), EP-II(5m), FM_20 2%(50C,15min),
H.P.R.(~5hrs), Baking(140C, 44hrs)

A [

Surface Resistance
Rs=277/Qo []Fig.21 最大加速電場の温度依存性

Rs=A*(1/T)*exp(-/kT)+Rres
Value
Error

-7

10

0.00011653

液体ヘリウムは 2.17 K(約 3 kPa)で相転移して超流動ヘリウムになりますが、超流動状態になると冷却効率が極めて高くなり液体内の熱が素早く伝わるため、Fig.22 で示す様に沸騰は液面のみで起こる様になります。

0.00013017

/k [K]

18.0513.3236

Rres [Chisq.
R

13.628e-09

3.2578e-09

0.18674
0.99403

NA
NA

Rres=13.6n

-8

10

-9

10
0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

1/Temp. [1/K]

Fig.20 MHI#24 3rd. V.T. Rs vs. 1/Temp.
この測定は空洞の表面抵抗と残留表面抵抗をFig.22 液体ヘリウムの沸騰の様子 (Wikipedia より)求めるのが目的です。表面抵抗は Qo が最も大き沸騰した液体ヘリウムが空洞性能に影響した

くなる Eacc～3.5 MV/m で測定を行っています。

と考えられる測定例を次に示します。この測定の目的は、磁気シールドの有無で残留表面抵抗がど

5.3. 2 K での測定例：40 MV/m を達成した空洞

う変わるのかを調べる事でした。測定条件として2 K での高性能達成が最重要課題ですが、ここでは、クライオスタット内の磁気シールドを取り除最大加速電場 40 MV/m 以上を出した空洞の測定

き、空洞周りをほとんど穴の開いていない磁気シ

例を示します。

ールドで覆っています。(Fig.23)。
測定結果を Fig.24 に示します。5 MV/m 位(Po～

5.3.1. 40 MV/m を達成した空洞：MHI#12

50 W、Fig.27 の 4 K 測定参照)から Q 値が落ちて

MHI#12 号機は KEK STF(Superconducting RF Test

いるのが分かりますが、これは沸騰によって発生

Facility；超伝導高周波試験開発棟)での量子ビーム

した泡がシールド内から抜けられずに溜まり、空計画(Quantum Beam Project)用空洞の 1 台で、9 セ洞の冷却を妨げた結果と考えられます。2 K では

ル空洞では日本国内で初めて 40 MV/m を超えた

この様な性能劣化は全く見られません。

空洞となりました(Fig.25)。
MHI#12[Quantum Beam Cavity] 2nd. Vertical Test 12/08/2010
EP-II(35~40mA/cm2, 10m), Water flow(1.5hrs),
FM_20 2%(50C,2hrs), H.P.R.(12hrs)

11

10

Qo pi-mode initial [1.68-1.99K]
Qo pi-mode final [1.47-1.75K]
Qo pi-mode [4.2K]
ILC spec.

5

X-ray pi-initial
X-ray pi-final

10

4

10

Qo

100

10

9

10

Initial; Power Limit Final; Power Limit
Eacc,max=40.0MV/m Eacc,max=40.7MV/m
Qt=1.77*10^11
Qt=1.71*10^11
Qo=5.82*10^9
Qo=6.18*10^91
Po=290W
Po=282W
He pres.=3.07kPa
He pres.=1.44kPa
He Temp.=1.99K
He Temp.=1.75K

Power Limit, no-X-ray
Eacc,max=8.5MV/m
Qo=4.52*10^8
Po=170W

0.1
50

8

10

X-ray [Sv/h]

1000

10

10

0

10

20

30

40

Eacc [MV/m]

Fig.23 磁気シールドで覆われた HITACHI#02

10

11

HITACHI 9cell Cavity HITACHI#02 8th. Vertical Test 03/13/2014
No Surface Treatment
With Cav. Mag. Shield-Tokin, Without Cryo Magnetic Shield-Tokin
X-ray pi 4.2K

Qo pi-mode [4.2K]

Fig.25 MHI#12 2nd. V.T. Qo vs. Eacc

Rs [ohm]
Rbcs [ohm]

10

10

5

10

10

9

10
Pin. constant, but Pref. increase
No X-rayEacc,max=5.9MV/m
Qo=4.16*10^8
Po=87W

10

10

20

10

-8

10

-9

10

30

Eacc [MV/m]

Fig.24 HITACHI#02

-7

Value

Error

A [

0.0001554

9.7636e-05

/k [K]

18.573

1.6974

Rres [11.927e-09

5.7255e-10

Chisq.

0.37025NAR

0.99579

NA

Rres=11.9n

1

8

0

Xray [Sv/h]

100

Surface Resistance
Rs=277/Qo []

1000

Qo

10

Rs=A*(1/T)*exp(-/kT)+Rres

4

10
10

-6

MHI#12[Quantum Beam Cavity] 2nd. Vertical Test 12/08/2010
EP-II(35~40mA/cm2, 10m), Water flow(1.5hrs),
FM_20 2%(50C,2hrs), H.P.R.(12hrs)

8th. V.T.

With Cavity Magnetic shield,
Without Cryostat Magnetic shield

40

0.1
50

-10

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1/Temp. [1/K]

Fig.26 MHI#12 2nd. V.T. Rs vs. 1/Temp.
Fig.26 からこの空洞の残留表面抵抗は 11.9 n
と求まりますが、最大加速電場 23 MV/m で制限された MHI#24 号機の残留表面抵抗 13.6 n (Fig.20)とあまり変わらない事が分かります。

5.3.2. 40 MV/m を達成した空洞：HITACHI#02
ILC 用 9 セル超伝導空洞の研究開発を KEK と行っを打ち破る最大加速電場 50 MV/m を達成しました(Fig.29)。

ていた日立製作所が、2012 年度に製造した 9 セル
10空洞 2 号機です(Fig.27)。
HITACHI 9cell Cavity HITACHI#02 [With HOM Couplers]
2nd. Vertical Test 07/12/2012
EP-II(20m), Water flow(1.5hrs), FM_20 2%(50C,15min),
H.P.R.(8MPa, ~7hrs), Baking(140C, 48hrs)

5

X-ray pi-initial
X-ray pi-final

10

4

10

10

Qo

100
9

Initial; Power Limit Final; Quench
Eacc,max=40.2MV/m Eacc,max>40.9MV/m
X-ray; 0mSv/h
X-ray; 0mSv/h
Qo=5.58*10^9
Qo=6.05*10^9Po=306W
Po=291W
Qt=1.89*10^11
Qt=1.98*10^11
He pres.=1.89kPa
He pres.=0.56kPa
He Temp.=1.83K
He Temp.=1.51K

10Power Limit
Eacc,max=9.1MV/m
Qo=5.04*10^8
Po=172W

8

0

10

20

30

10

Xray [Sv/h]

1000

10

10

10

1

Eacc [MV/m]

Fig.27HITACHI#02 2nd. V.T. Qo vs. Eacc

この空洞の測定では 40 MV/m まで全く X 線が出ないという驚くべき結果となりましたが、測定前に全てのアイリスの研磨を行っていました。その後に行われた空洞の測定でもアイリス研磨は X
線低減に非常に有効である事が分かり、今では標準的な処理工程の 1 つに加えられています。
HITACHI 9cell Cavity HITACHI#02 [With HOM Couplers]
2nd. Vertical Test 07/12/2012
EP-II(20mm), Water flow(1.5hrs), FM_20 2%(50C,15min),
H.P.R.(8MPa, ~7hrs), Baking(140C, 48hrs)

Rs [ohm]
Rbcs [ohm]10-6Rs=A*(1/T)*exp(-/kT)+Rres
Value
Error

Surface Resistance
Rs=277/Qo []A [

10

0.00011359

0.00012285

/k [K]17.8593.4192Rres [12.691e-09

4.8912e-09

Chisq.
R

0.14295
0.99664

NA
NA

-7

X-ray

10

10

5

10

4

1000

100

10

9

10

8

10
Power Limit
Freq.=1299.470MHz
Eacc,max=50.4MV/m
Qo=3.41*10^9
Po=194W
1
Qt=3.96*10^11
He pres.=3.16kPa
He Temp.=2.00K

0

10

20

30

40

50

0.1
60

Eacc [MV/m]

0.1
50

40

Qo pi-mode [1.79-2.00K]

Xray [Sv/h]Qo pi-mode initial [1.72-1.83K]
Qo pi-mode final [1.15-1.51K]
Qo pi-mode [4.2K]
ILC spec

11

Qo

11

10

ERL 2cell Cavity #2 5th. V.T. Mar.06, 2012
[With Five HOM Pickup Antennas;Type-II(male pin)]
EP-II(5m), Water flow(1.5hrs), FM_20 2%(50C,30min),
HPR(8MPa, ~6hrs), Dry overnight in HPR room

Fig.29 cERL 2cell #02 5th. V.T. Q vs. Eacc
これまで KEK で測定を行った空洞は、RRR＝130～800 (RRR：Residual Resistivity Ratio 残留抵抗比。値が高い程純度、熱伝導率が高い。) のニオブ材で製造されてきましたが、この範囲では RRRによらず、最大加速電場の上限はほぼ 40 MV/m でした。そのため、最大加速電場を決めているのは表面磁場であると考えられ、40 MV/m に対応する
磁場として約 1700 Oe が、我々の採用している空洞形状(Hsp/Eacc=41.4 Oe/MV/m)の臨界表面磁場と考えられてきました。しかしながら、この 2 セル空洞の結果から、臨界表面磁場は約 2100 Oe に改められる事となりました。これは Cornell 大学の結果[1]に次ぐ世界で 2 例目の結果になります。
5.4. 2 K での測定例：性能の出ない空洞
前章の結果とは異なり、性能が出なかった空洞の10

Rres=12.7n-8

測定例を示します。
5.4.1. MHI#24 4 回目の縦測定

10

-9

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

Fig.19 で示した MHI#24 号機は電解研磨 5 m を行

1/Temp. [1/K]

い、4 回目の測定になりました。測定結果を Fig.30

Fig.28 HITACHI#02 2nd. V.T. Rs vs. 1/Temp.

に示します。4 K では特に何事も起こらず終了しFig.28 からこの空洞の残留表面抵抗は 12.7 n
と求まりますが、号機同様、Fig.20 の値とました。
1.7 K まで冷却しての測定で、15 MV/m 付近かあまり変わらない事が分かります。

ら X 線が出始め、20 MV/m を超えた辺りから Field

5.3.3. 50 MV/m を達成した空洞：cERL#02

ました。しかしながらこの Quench で Q が回復、

cERL(Compact Energy Recovery Linac)の入射器用に開発された 2 セル空洞ですが、それまでの常識高性能を期待しましたが 26 MV/m で再度 Quench

Emission による Q の落ちが激しくなり Quench ししました。この Quench にて表面が汚染された様

で矢印先に劣化しました。Field Emission が酷く、
X 線量も増大しました。この空洞は 4 回測定しましたが最後まで Field Emission を克服出来ませんでした。
Qo pi-mode initial [1.66-1.73K]
Qo pi-mode final [1.35-1.39K]
Qo pi-mode [4.2K]
ILC spec.

X-ray pi-initial
X-ray pi-final

MHI#24 4th. Vertical Test 01/23/2014
EP-II(5m), FM_20 2%(50C,15min),
H.P.R.(~5hrs), Baking(140C, 44hrs)

11

10

5

10

4

10

Fig.32 MHI#23 1st. V.T. セルフパルス
10

10

100

9

10

Initial; Stop for Qo<5*10^9Eacc,max=11.7MV/m
Qo=1.28*10^9
Po=112W
Power Limit
Eacc,max=9.6MV/m Qt=2.78*10^11
He pres.=1.23kPa
Qo=4.69*10^8
He Temp.=1.70K
Po=209W

Final; Stop for Q<5*10^9Eacc,max=12.0MV/m
Qo=3.18*10^9
Po=48W
Qt=2.74*10^11
He pres.=0.25kPa
He Temp.=1.36K

8

10

0

10

20

30

40

Xray [Sv/h]

Qo

1000

10

なお、セルフパルス中にエージング(Aging)されて空洞性能が上がる事もあります。
5.4.3. MHI#08 1 回目の縦測定結果

1

温度マッピング装置や局所研磨装置が使われ始めた頃の測定ですが、1 回目の縦測定では最大加0.1
50

Eacc [MV/m]

速電場 16 MV/m で Quench/Selfpulse が起こり、性Fig.30 MHI#24 4th. V.T. Qo vs. Eacc

能が制限されました。結果を Fig.33 に示します。

5.4.2. MHI#23 1 回目の縦測定

MHI#08 1st. Vertical Test 07/09/2009
E.P.(20m), Ethanol rinse in Cold-bath(1hr),
U.P.W rinse in Hot-bath(1hr), H.P.R.(8hrs)

11

10

続いて MHI#23 号機 1 回目の縦測定結果を Fig.31に示します。この空洞は最大加速電場としては 31

X-ray pi-initial
X-ray pi-final

Qo pi-mode initial [1.62-1.82K]
Qo pi-mode final [1.65-1.68K]
Qo pi-mode [4.2K]

10

10(Selfpulse：欠陥部で発熱し Quench すると高周波電力が空洞に入らないため冷却されて発熱箇所

QoMV/m を達成しましたが、そこでセルフパルス

Initial;Eacc,max=15.8MV/m
Qt=1.67*10^11
Qo=1.12*10^10
Po=24W
He pres.=1.67kPa
He Temp.=1.79K
selfpulse

9

10が再度超伝導になり電力が入る様になる事を繰
Eacc,max=8.2MV/m
Qo=4.45*10^8
Po=159W
Xray=31Sv/hり返す)を起こし性能制限されました。Fig.32 にセ
8ルフパルスを起こしている様子を示します。
10

Qo pi-mode initial [1.75-1.84K]
Qo pi-mode final [1.42-1.54K]
Qo pi-mode [4.2K]
ILC spec.

10

Final; Quench/Selfpulse
Eacc,max=31.3MV/m
Qo=9.35*10^9
Po=110W
Qt=3.14*10^11
He pres.=0.63kPa
He Temp.=1.54K
9Initial; Quench/Selfpulse
Eacc,max=31.7MV/m
Qo=8.60*10^9
Po=123W
Qt=3.22*10^11
He pres.=1.78kPa
He Temp.=1.81K

Power Limit
Eacc,max=9.2MV/m
Qo=4.99*10^8
Po=180W

10

8

0

10

20

5

30

10

4

20

30

40

1000

100

10

1

0.1
50

40

温度マッピング装置は 2 セル赤道部 180°に発熱を観測します(Fig.34)。測定終了後、京都カメラ

1000

100

10

1

で発熱箇所を調べると Fig.35 の様な欠陥が見つかりました。Fig.36 は局所研磨装置でその欠陥を除去していく様子です。
欠陥除去後、EP-I を 50 m、EP-II を 20 m 行い再測定した結果を Fig.37 に示します。最大加速電0.1
50

Eacc [MV/m]

Fig.31 MHI#23 1st. V.T. Qo vs. Eacc
この様な空洞では、発熱が観測される場所に明確な欠陥が存在する事が多いです。

10

4

Fig.33 MHI#08 1st. V.T. Qo vs. Eacc

Xray [Sv/h]

10

10
X-ray pi-initial
X-ray pi-final

Qo

10

0

10

Eacc [MV/m]

MHI#23 1st. Vertical Test 10/03/2013
Local Grinding, EP-II(5m), FM_20 2%(50C,15min),
Baking(140C, 44hrs), H.P.R.(~6hrs)

11

10

5

X-ray [Sv/h]

Final;
Eacc,max=16.0MV/m
Qt=1.66*10^11
Qo=1.30*10^10
Po=21W
He pres.=1.08kPa
He Temp.=1.67K
selfpulse

10

場が 16 MV/m から 27 MV/m に上がっており、局所研磨が空洞性能を回復させるのに効果的である事が分かります。

ILC 建設を考慮して、最近では限られた測定回数(1 空洞あたり 2～3 回)で ILC 要求仕様を満たす事を最重要課題とし、受け入れ時から積極的に局所研磨を行っています。
5.5. Passband Modes での測定
加速モード TM010 パスバンドモード(Passband
Modes)の電場強度の様子を Fig.38 に示します。
Fig.34 MHI#08 1st. V.T. 発熱箇所

Fig.38 Passband Modes の電場強度分布
通常は加速モードであるモードで測定しますFig.35 MHI#08 発熱箇所に見つかった欠陥が、このモードはつのセル全てに同じ強度を持
つ電場が立ちます。そのため、あるセルの最大加速電場が低いと、そのセルで空洞全体の最大加速
電場が制限されます。そのセルに電場の立たないモードを選んで測定を行えば、その次に電場の低いセルが分かり、これを繰り返す事で全てのセルの最大電場を求める事が出来ます。

Fig.36 MHI#08 局所研磨装置による欠陥修復

Eacc.max [MV/m]

11

10

Qo pi-mode final [1.57-1.73K]
Qo pi-mode [4.2K]

Eacc.max of each cell [MV/m]

Diamond sheet #400 200 分、#1000 60 分研磨
MHI#08 2nd. Vertical Test 10/29/2009
Local Grinding(2cell equator) & EP-I(20+30m)
EP-II(20m), Water flow(1.5hrs), FM_20 2%(50C,1hr),
U.P.W rinse in Hot-bath(1hr), H.P.R.(9hrs)

5

X-ray pi-final

10

4

10

Qo

10

9

10

100

10

1

Eacc,max=8.0MV/m
Qo=4.57*10^8
Po=148W
8

10

1000

0

10

20

30

40

0.1
50

X-ray [Sv/h]

Final; Quench/selfpulse
Eacc,max=26.8MV/m
Qt=1.64*10^11
Qo=1.09*10^10
Po=69W
He pres.=1.35kPa
He Temp.=1.73K

10

MHI#09 3rd. V.T. 12/16/2009

50

40

30

 mode; Eacc,max=27.0MV/m
Quench@2cell

20

10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Cell No.

Fig.39 MHI#09 3rd. V.T.
各セルの最大加速電場

Passbands mode による

MHI#09 号機 3 回目の縦測定において、その様

Eacc [MV/m]にして求めた各セルの最大加速電場を Fig.39 に示

Fig.37 MHI#08 2nd. V.T. Qo vs. Eacc

します。この場合、2 セルの Quench で空洞全体が27 MV/m に制限されていますが、他のセルは 34

MV/m 以上であり、2 セルの発熱箇所を修復すれば 34 MV/m 以上の加速電場を得られる可能性が高いと予想出来ます。
こうして、2 K 冷却後にはまず加速モードであるモードで測定し、その結果に応じて適当なパ
スバンドモードを選び、モード毎の各セルの最大加速電場や発熱箇所、X 線量や分布の測定を行います。パスバンドモードでの測定は空洞のエージ
ングも兼ねており、最後にもう 1 度モードで測定、最終結果として回の縦測定が終了します。

6. 終わりに
超伝導空洞の理論的内容の講義はたくさんありますが、実際の現場ではどの様な事が行われているのかを解説しているのはあまりないかと思います。このテキストで現場の様子や、測定でどの様な事が行われているのかを知っていただき、また興味を持っていだだけますと幸いです。
今回は「加速空洞」に関する内容でしたが、この空洞を「加速器」に仕上げるまでにはまだたくさんの工程があります。興味がありましたら是非
リニアコライダー建設に参加していただきたいと思います。
参 考 文 献[1] R.L.Geng, et al., "High gradient studies
for ILC with single-cell re-entrant shapeandellipticalshape cavities made offine-grain and large-grain niobium", inProceedings of PAC07, Albuquerque NM,USA,
pp.2337-2339[2] 加古永治、”超伝導空洞の基礎”、OHO '14 テキスト[3] 沢辺元明、”超伝導空洞の表面処理”、OHO '14
テキスト[4] 仲井浩孝、”クライオジェニックス”、OHO '14
テキスト[5] 増澤美佳、”超伝導空洞の磁気シールド”、
OHO '14 テキスト
[6] 古屋貴章、”超伝導空洞の基礎”、OHO '06 テキスト[7] 加古永治、”超伝導空洞の高周波設計”、OHO'06 テキスト[8] 野口修一、”超伝導加速空洞”、OHO '87 テキスト”超伝導加速空洞”、OHO '11 テキ[9] 野口修一、スト