銅合金を用いた SuperKEKB 陽電子源用フラックスコンセントレータ
A NEW FLUX CONCENTRATOR MADE OF CU ALLOY FOR THE
SUPERKEKB POSITRON SOURCE
榎本嘉範、阿部慶子、岡田尚起、高富俊和
Yoshinori Enomoto∗ , Keiko Abe, Naoki Okada, Toshikazu Takatomi
KEKAbstract
A Flux Concentrator (FC) made of Cu alloy was developed to avoid discharge problem caused by deformation. Thealloy has 40 times higher yield strength than that of Oxgen free copper (OFC) after brazing process. Evaluation resultsof several alloys are described from brazing, mechanical and electrical point of view. Manufacturing process includingheat treatment are shown in the following section. Consideration on increase of Ohmic heat due to higher
resistanceis discussed in detail. The alloy will be a candidate to replace OFC in some application where brazing is necessary andhigher yield strength and good electrical conductivity are required.

1.

はじめにが良いことが要求される。また前章で見たように変形を防ぐため、（2）高い機械的特性を有している必要がある。加えて大電流を流すので、（3）電気抵抗が小さく熱伝導率が高いことも望まれる。無酸素銅は（1）と（3）の条件を満たしている。一方（2）については条件にもよるが、ロウ付け後の無酸素銅の耐力は一般に高いとは言えない。そのためより高い耐力をもちつつ、ロウ付けも可能で、電気抵抗もある程度小さな材料として銅合金に着目し、各種性能を評価することにした。今回具体的に評価した合金は CuCr（SH-1）、CuZr（SH-2）、CuNiSi（NC50）の 3種類と比較対象用の無酸素銅（C1020）である。

Flux concentrator（FC）はターゲットで生成された陽電子を効率的にキャプチャーするための AdiabaticMatching Device（AMD）の一種であり、大強度陽電子源においてキーとなるデバイスである。元々は1980 年代に SLAC の SLC プロジェクトで開発されたもの [1–4] であるが、KEK 電子陽電子入射器ではSuperKEKB で必要とされる大量の陽電子 [5] をリングへ入射するために、これまで KEKB で使われていた Quater Length Transformer（QWT）方式の陽電子源 [6] に変わって FC 方式の陽電子源 [7] を導入することとなった。Figure 1 に SuperKEKB の陽電子源の 2.2 ロウ付け性の評価
断面図を、Fig. 2 に主要部の写真を示す。陽電子のロウ付け性の評価として、各材料の切板の上にロキャプチャー効率を上げるためにはより強い磁場がウ材をワイヤーで固定し、真空炉でロウ付け時と同望まれるため、FC には設計定格で 12 kA のパルス電様の加熱を行った時のロウの流れ具合を観測した。
流（half sine 形状で数 µs 幅）を流す予定でいた。しかロウ剤は銀ロウ（BAg-8）とパラジウムロウ（BPd-4）
しながら、電流を上げていくとそれに伴って、電圧の 2 種類をテストした。Figure 4 に結果を示す。SHもあがり、0.2 mm しかないコイル巻線間のスリット
1、SH-2 はいずれのロウ剤も流れが悪く、しかも表面で放電が起こるようになる。特に大きな放電があっが合金成分の析出のためか変色してしまった。一方た後で外観を観察すると、Fig. 3 に示すように放電
NC50 は C1020 と同等の良好なロウ付け性を示した。
痕が生じ、スリットの幅も狭くなっている。この状態になると、定格電流での運転はできない。運用を 2.3 機械的特性の評価開始した 2015 年より、長年この問題に悩まされてき機械的特性の性能評価試験として JIS Z2241 4 号試たが、機械的特性の優れた新たな銅合金材料を用い験片による引張試験を行った。C1020（黒）と NC50ることによって、問題を解決することができた。本（赤）について得られた応力ひずみ線図を Fig. 5 に示稿ではその詳細について説明する。
す。また合わせて、Table 1 に SH-1、SH2 も含めた各材料の硬さ、引張強度、伸び、耐力を電気伝導率と合2 . 材料評価わせて示す。電気伝導率は Ether NDE の sigma check2.1 材料に要求される特性を用いて測定し International Annealed Copper Standard
従来の FC は無酸素銅（C1020）を用いて作られて （IACS）を単位として表示している。それぞれの材
きた。FC の製作はまず無酸素銅の円柱から内面を 料に関して、ロウ付け前後の特性を見るために、ロテーパー状加工し、外周側面にはパイプを埋める溝 ウ付け時と同等の加熱を行う前と後の材料を用意しを掘る。次に銅パイプを円柱外周ににロウ付けし、 測定を行った。C1020 の加工前の耐力は 322.3MPa で最後に放電加工にてスパイラル状にブロックを切る あるが、ロウ付けに伴う加熱により、12.9MPa まで事によって完成となる。したがって（1）ロウ付け性 低下する。一方 NC50 では加工前の耐力は 551.8MPaと C1020 より高い値を示しており、ロウ付け相当の加熱後でも 109.7MPa と C1020 に比べて約 8 倍の値∗ yoshinori.enomoto@kek.jpを保っている。さらに重要なことはロウ付け後に時Figure 1: Cross sectional view of the SuperKEKB positron source.

Figure 2: Flux Concentrator (FC) mounted on a vacuumflange with several componets. Red allow shows electricalconnection point to the FC.

効硬化処理を行う事により、耐力が加工前とほぼ同等の 513.1MPa まで戻ることである。この値は加熱後の C1020 に比べて約 40 倍であり、塑性変形に対して大幅に強くなるといえる。

3.

製作

NC50 を用いた FC の具体的な製造方法は以下の通りである。

Figure 3: Discharge mark after a large discharge.

1. NC50 の円柱から内外形を切削加工する
2. 銅パイプを円柱外周へ巻きつけ、真空炉で銀ロウを用いてロウ付けする
3. 電気伝導率の測定を行い溶体化処理ができていることを確認する
4. 真空炉で時効硬化処理を行う
5. 電気伝導率の測定を行い時効硬化処理ができていることを確認する
6. 放電加工機でスパイラル状に円柱ブロックをカットしコイル形状とする

Table 1: Summary of Mechanical and Electrical Properties of Tested Materials
Material
Heat cycle
Aging
Electrical conductivity
Hardness
Tensile strength
Elongation
Yield strength%IACS
MPa%
MPa

C1020
nono102.2
87.4
327.4
21.6
322.3

yes
no102.1
30.4
232.1
54.4
12.9

SH-1
nono90.8
71.6
402.6
36.8
293.6

yes
no76.0
60.0
237.2
56.8
57.9

SH-2
nono81.1
45.9
443.1
32.6
348.2

yes
no68.5
55.8
238.3
51.4
40.8

NC50
nono50.3
95.3
648.7
14.8
551.8

yes
no25.1
61.2
323.7
46.6
109.7

yes
yes
48.8
95.4
658.810.6513.1

Figure 5: Strain-stress graph of NC50 (red) and C1020(black) before (dashed line) and after (solid line) heat cycle.
Thick solid line shows the result of NC50 after aging.
Figure 4: Results of brazing property test.

7. フィードスルーなどとともに真空フランジ上へくみたてる。
Figure 6 に銅パイプをロウ付けする際の温度プロファイルを示す。銀ロウによる通常のロウ付け温度に比べて、大幅に高い 950°C まで加熱を行い、かつ加熱後はなるべく速やかに冷却することによって、ロウ付けと同時に溶体化処理を行うことがポイントである。溶体化処理がうまくできた場合電気伝導率が当初の半分（25%IACS）程度になるため、この測定により非破壊で状態を評価することができる。その後真空炉中で時効硬化処理を行い再度電気伝導率の測定を行う。時効硬化処理が成功していれば、電気伝導率は元の値（50%IACS）に戻る。その後 Fig. 7に示した、スパイラル加工ができるように改造した放電加工機を用いて、円柱ブロックをカットしコイル形状とすることで、FC 本体が完成する。

4.

発熱

材料の変更に伴って懸念される事項の一つに発熱の増加がある。Table 1 に示すように、NC50 の電気伝Figure 6: Temperature profile during brazing process of
the Cu pipe to the block.

導率は C1020 の約半分であるため、同じ大きさの直流電流を流した場合は約 2 倍の発熱が想定される。
一方パルス電流の場合は、表皮効果により電流は表面からある深さの部分（表皮深さ δ ）にしか流れない。ρ を体積抵抗率、ω を電流の周波数、µ を透磁率とすれば δ は
r2ρδ=(1)ωµと表され、抵抗率 ρ の 1/2 乗に比例して電流が流れる断面積が大きくなるので、抵抗（＝発熱）の増加1は ρ ではなく ρ 2 に比例する。
Figure 2 の赤矢印部にインピーダンスアナライザ

Figure 7: Wire Electric Discharge Machining of the FC.

（keysight, E4990B）を接続し測定したインピーダン
ス Z、抵抗 R、インダクタンス L の測定結果を Fig.
8 に、いくつかの周波数における抵抗値を Table 2 にそれぞれ示す。パイプ部やフィードスルー接続部はいずれも無酸素銅製のため、全体としの抵抗の差はNC50 と無酸素銅（C1020）の抵抗率の差である 2 倍よりはかなり小さい。Table 3 に冷却水の温度上昇と流量から求めた全発熱量の値を示す。NC50 と C1020の発熱量はそれぞれ 790 W、680 W であったのでその比は 1.16 になる。これは Table 2 に示した R の測定値の比に近い値になっている。
Table 2: Comparison of Resistance of FC Made of OFC(C1020) and NC50 at Several Frequency
RC1020 [mΩ]RN C50 [mΩ]RN C50RC1020

13.24

3.78

1.171012.8

15.1

1.1810065.0

86.3

1.33

1000

268392

1.46Frequency

Figure 8: Impedance, Resistance and Inductance value asa function of frequency for FC head made of OFC (C1020)
and NC50.

ことを反映して、Fig. 9 に示すように、テーパー内面が大きくなると予想される。実際 Fig. 9 中の矢印の方向から ZnSe 製 viewport を通して赤外線カメラ（Vision Sensing、VIM-384G2EL）で測定した温度分布は Fig. 10 のようになっており、12 kA で運転中、NC50 では最大温度は約 54 度、一方 C1020 では約 45度であった。

[kHz]

Table 3: Comparison of Total Heat Dumped to the Cooling
WaterC1020

NC50

Inlet cooling water temp. [°C]

32.20

31.85

Outlet cooling water temp. [°C]

39.07

39.87

Cooling water temp. rise [°C]

6.84

8.02

Cooling water flow rate [L/min]

1.42

1.41

Total heat load [W]

680

790

発熱分布は、表皮効果により電流が表面を流れる

Figure 9: Result of heat distribution simulation.

Table 4: Bunch Charge of Positron with Primary Beam Parameters and Positron Yield Before and After Replacement ofthe FC
Datedesign

2020/7/1

2020/10/12

2021/7/6

Primary beam energy [GeV]

3.46

3.01

2.872.92

Primary beam bunch charge @ target [nC]

108.2

8.1

9.0

Positron yield @ first BPM after target [e+ /e− ]

0.58

0.23

0.51

0.59

Positron bunch charge @ first BPM after target [nC]

5.8

1.9

4.1

5.3

Positron bunch charge @ linac end [nC]

4.0

1.3

2.1

3.0

電気伝導率、機械的特性が高い次元でバランスしており、特に適切な熱処理によってロウ付け後であっても、加熱前と同等の非常に高い耐力を得ることができる。したがって、FC に限らず様々な用途で無酸素銅の代替として、あるいは無酸素銅では実現できない機能を実現できる材料として活用できる可能性がある。

謝辞
本研究は大和合金株式会社および三芳合金工業株
式会社に材料試験や熱処理のノウハウについて多大なご支援を頂きました。ここにお礼申し上げます。

Figure 10: Measured temperature distribution of the FC
made of NC50 during operation at 12 kA.

5.

設置と運用

NC50 を用いた新しい FC は 2020 年の夏期メンテ
ナンス期間中にビームラインに設置され、以後トラブルなく定格電流で運転されている。Table 4 に設計値、FC を置き換える前（2020/7/1）、置き換え後（2020/10/12）、更にビームチューニングを進めたとき（2021/7/6）について陽電子の電荷量を示す。2020年の夏期メンテナンスにおいては、FC の交換以外にも、キャプチャーセクションソレノイド内に軌道補正用ステアリング磁石を設置したりといった改造が行われた [8]。またその後のビームチューニング等によっていくつかのパラメータに変更、最適化がなされたりしている。そのため純粋に FC の交換のみの効果とは言えないが、総合的な性能として、入射器終端部での陽電子の電荷量は 1.3 nC/bunch から 3.0nC/bunch へと大幅に増加している。

6.

まとめ

無酸素銅のかわりに銅合金を用いることによって、変形の問題を克服し定格電流の 12 kA で運転できる FC を開発することができた。これによって、他の改良と合わせて陽電子の電荷量を入射器エンドで1.3 nC/bunch から 3.0 nC/bunch まで大幅に高めることができた。今回採用した NC50 合金はロウ付け性、

参考文献[1] S. Ecklund, “THE STANFORD LINEAR COLLIDERPOSITRON SOURCE”, SLAC-PUB-4437, October,1987;
https://www.slac.stanford.edu/pubs/slacpubs/
4250/slac-pub-4437.pdf[2] J. E. CLENDENIN et al., “SLC POSITRON SOURCE
STARTUP”, SLAC-PUB-4704,
September,
1988;
https://www.slac.stanford.edu/pubs/slacpubs/4500/slac-pub-4704.pdf[3] J. E. CLENDENIN, “HIGH-YIELD POSITRON SYSTEMS FOR LINEAR COLLIDERS”, SLAC-PUB-4743,
April, 1989; https://www.slac.stanford.edu/pubs/slacpubs/4500/slac-pub-4743.pdf[4] A. V. Kulikov et al., “SLC POSITRON SOURCE PULSEDFLUX CONCENTRATOR”, SLAC-PUB-5473, June, 1991;
https://www.slac.stanford.edu/pubs/slacpubs/5250/slac-pub-5473.pdf[5] K. Akai et al., “SuperKEKB collider”, Nucl. Instrum. Meth.
Phys. Res. Sect. A, vol. 907, pp. 188-199, 2018; https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.08.017[6] I. Abe et al., “The KEKB injector linac”, Nucl. Instrum. Meth.
Phys. Res. Sect. A, vol.499, pp. 167 – 190, 2003; https://doi.org/10.1016/S0168-9002(02)01787-4[7] T. Kamitani et al., “SuperKEKB POSITRON SOURCECONSTRUCTION STATUS”, in Proc. IPAC2014, Dresden,
German, June 15-20, 2014, pp. 579-581; doi:10.18429/
JACoW-IPAC2014-MOPRI004[8] K. Kakihara et al., “SuperKEKB 入射器における陽電子
用 DC ソレノイドの測量と BPM、ステアリングコイル設置”, In these proceedings.