ILCに向けた超伝導加速器技術開発!
高エネルギー加速器研究機構 	  早野仁司、STFグループ	

20140810	  Accelerator	  Society	  mee3ng	  @Aomori	内容	
1.	  	  	  ILC	  加速器 主リニアック概説	  2.	  	  	  STFにおける超伝導加速器開発	  3. 超伝導加速空洞開発	  4. まとめ	  ILC	  加速器 主リニアック概説	
トンネル断面	

導波管	

waveguide	

クライオモジュール	
Cryomodule	

クライストロン用	  パルス電源（マルクス変調器）	

MARX	  modulator	

マルチビーム・クライストロン	  MBK	デジタルRF制御システム	  Digital	  RF	  control	  system	

ILC International Linear Collider�国際リニアコライダー�
電子250GeV + 陽電子250GeV �全長31kmの衝突型線形加速器!
建設費の67%が主線形加速器(装置＋トンネル）�
電子主リニアック(11km) + 陽電子主リニアック(11km)!

ILC クライオモジュール （超伝導加速モジュール）	
# of Cryomodule : 1701 台!

Support	  post

GRPSC	  cavity	  package
Input	  coupler

Cryomodule	  parameters	  Thermal	  Shield	  	  	  8	  cavi>es	  (	  or	  9	  cavi>es	  )	  with	  TTF-­‐III	  input	  couplers	  	  	  	  Quad	  +BPM	  in	  every	  3	  modules	  	  	  	  Linear	  RF	  distribu>ons	  	  	  	  1m	  diameter	  and	  12m	  length	  cryostat	  	  	  	  3	  support	  posts	  	  	  	  300mm	  diameter	  GRP	  as	  a	  backbone	  超伝導加速空洞ユニット	

# of Cavity Unit : 14742 台!

2	  phase	  lineTuner	  MotorCavity	  Unit	  parameters	  	  	  	  9	  cell	  TESLA-­‐shape	  Nb	  cavity	  	  	  	  with	  input	  coupler	  port,	  	  	  	  	  two	  HOM	  couplers,	  one	  monitor	  port	  	  	  	  Mechanical	  Tuner	  with	  piezo	  tuner	  	  	  	  Helium	  tank	  with	  2-­‐phase	  line	  pipe.	  
Input	  port

Mechanical	  Tuner	  (Blade	  Tuner)

HOM	  coupler
Helium	  tankPiezo	  Tuner

超伝導加速空洞本体（純ニオブ製）	
1.3GHz	  9セル,	  1.247m長,	  平均運転勾配31.5MV/m	STFにおける超伝導加速器開発	

「量子ビーム」を利用して入射部を建設、運転�STF 加速器 入射部は2012年2月に完成	

Collision	  point	Capture	  cryomodule	
High-flux X-ray generation by inverse Compton scattering�
10mA electron beam （40MeV, 1ms, 5Hz）�
Laser accumulator by 4 mirror resonator�
head-on collision of beam and laser�

Target	  ﬂux:	  1.3	  x	  1010	  photons/sec	  1%bandwidth	  	Photocathode	  RF	  gun	コンプトンX線生成実験が2012年3月から2013年3月まで行われた。	
その運転開始状況、X線生成実験結果は、	  2012年と2013年年会において口頭発表で報告された。	

STF	  加速器 入射部	7	  

STF 加速器�計画図�
STF	  Accelerator	  in	  100m	  length	  STF	  tunnel.	  
Beam	  Energy：418MeV	  Beam	  Charge：	  2nC/bunch,	  2437bunch,	  0.9ms,	  5Hz	  Beam	  current:	  5.7mA	  in	  train	  Bunch	  train:	  369ns	  spacing	  	Chicane	  2	  Beam	  Dump	  ILC-­‐type	  Cryomodule	  (CM-­‐1)	  (12m)	  +	  half-­‐size	  Cryomodule	  (CM-­‐2a)	  (6m)	

Chicane	  1	  Capture	  Cryomodule	  (4m)	  Photo-­‐cathode	  RF-­‐gun	  クライオモジュール CM-1の組立�
STFトンネルを利用して12m長のモジュール組立を行った。	

インプットカップラーの取付	

４空洞の連結完了	

４連結空洞＋４連結空洞	

８連結空洞をGRPへ吊下げ	BPMへ４極電磁石取付	

真空容器2/3へ挿入	クライオモジュール CM-1+CM-2a (18m長） の完成�
合計12台の超伝導加速空洞の入ったモジュール組立が2014年7月に完了している。	

トンネル内で完成したCM-­‐1を所定の位置に移動・設置。	  
地上部設備で組み立てた４空洞モジュールCM-­‐2aを地下に降ろし、CM-­‐1に連結。	  
ヘリウム冷凍機コールドボックスと連結。	  
カップラー室温部を取付け、両端ビームパイプ部を取付けて、完成。	

STF 加速器のRFパワー系�
ILC仕様のRFパワー供給を計画中	
(TDR scheme）	

ILC仕様立体回路	
10MW	
マルチビームクライストロン	Toshiba	  MBK	

現在はマルチビームクライストロンは、	  バウンサー変調器とパルストランスで	  ドライブされている。	  
将来はマルクス変調器に変える予定。	

P2	  Marx	  Modulator	

超伝導加速空洞開発	  超伝導空洞の加速性能を上げる開発	
空洞製造	
ニオブ材料、プレス加工、機械加工、電子ビーム溶接	
表面処理	
電解研磨処理、リンス処理、超純水高圧洗浄、ベーク処理、	  クリーンルーム技術	
電界試験時	
温度センサーマップ（T-­‐map）、X線センサーマップ（X-­‐map）	
内面検査・局所研磨修理	
内面検査カメラ、レプリカ採取、局所研磨装置	
（＊）これらの開発を支援する表面分析機器の利用・導入	空洞内面の電解研磨処理（高性能表面処理の開発）�

STF surface research team	

電解研磨	  	  	  	  硫酸とフッ化水素酸の混合液を空洞に半分ほど	  満たし、内部電極と空洞の間に17Vほどの電圧を	  かける。	  	  	  300Aほどの脈流電流が流れ、硫酸ニオブの不動態	  層を形成しながらも、フッ素イオンのニオブアタックに	  より、ニオブ表面の研磨が進行する。	  
中央の電極には、水素ガスの発生、イオウの生成が	  起き、その的確な処理が必要。	  

KEK	  STF	  EP 実際の写真		
電解研磨は、非常に危険な	  強酸を使用する内面研磨法	  であるが、超伝導空洞の高電界	  性能を安定して出せる方法。	

開発点	  	  なめらかな表面粗さ	  一様な研磨厚み	  表面からのイオウ、その他のコンタミの除去	  表層からの水素除去	  表層の酸素、窒素その他の原子と	  超伝導性能との相関	  

電解研磨装置の内部を	  示すイラスト	
14	  電解研磨表面を分析するための表面サンプリング!
STF surface research team	

SEM用カーボンテープでサンプリング�

表面付着物はフィールドエミッターになる。!

電解研磨終了時、リンス終了時の表面付着物の分析�
SEM観察用カーボンテープで表面をサンプリング!
!
残留イオウ粒子の有無のモニタリング!
外来付着物の有無の観察 など!

イオウ粒子(SEM像)	

イオウ粒子(SEM像）	

電解研磨表面を分析するためのクーポン・サンプル空洞!
STF surface research team	Equator	  hole	  Iris	  hole	  クーポンのXPS分析	
クーポン表面のSEM観察	
600
550

Beam Pipe
Iris
EquatorS

Intensity[CPS]
Intensity
[CPS]

500

coupon	Beam	  pipe	  hole	  

400
350

粒子の拡大撮影	

300
250
200
176

174

172

170

168

166

164

Binding Energy [eV]

Binding Energy [eV]100

Oxide layer FWHM : 1.5 nm
Atomic Composition [%]Atomic Compositions[%]Φ = 8 mm

45080

Nb	  La	

EDX分析	
60

Equator Sample

COFSNbS	  Ka	40

2000123

Depth [nm]Depth [nm]45

空洞の電界性能試験（縦測定）(高電界阻害原因の追求)�

STF SC-cavity team	

クエンチ箇所、電子エミッターを特定するための温度センサーマップとX線センサーマップ	

温度センサーマップ	  T-­‐map	
空洞を縦に	  して、	  高電界試験	

温度センサー、X線センサー	  を多数配置して、クエンチ時	  の原因箇所を同定する。	  
その後、内面検査カメラで	  詳細に調べる。	

温度マップ	  X線マップ	  を装着	Sensors	  installaIon	

温度センサーはカーボン抵抗	X線マップによるエミッター箇所の推定�

STF SC-cavity team	

いろいろなエミッター位置を仮定した電子飛跡シミュレーション	
アイリスに巻きつけたX線センサー	  （PIN	  photo-­‐diode）	  空洞内表面の高分解能観察と欠陥除去のための局所研磨装置�
Kyoto-KEK collaboration	

内面検査カメラでクエンチ箇所の欠陥を	  探し出す	
局所研磨機により、欠陥のある箇所のみ研磨し、欠陥を取り除く。	  
その他の内面には触らない。	

ピット欠陥（溶接ビード内）	
200um	  x	  200um	

MHI16 quench at 20.8MV/m	

バンプ欠陥（溶接ビード外）	
600um	  x	  600um,	  height	  ~80	  um	

AES003 quench at 20MV/m	

局所研磨機	

局所研磨機による欠陥の除去�
STF SC-cavity team	After V.T.

After local grind

After 20µm EP

研磨直後	
クエンチ箇所の局所研磨修理（高電界阻害原因の除去）�

MHI-016: 20.8MV/m à 33.8MV/m!
欠陥箇所のみを局所研磨機で修復し、電解研磨をかけて、試験を行うと性能が上がる。	

MHI-010空洞の場合	
304°(diameter 700μm x 30μm depth !
: pit size)

MHI-010:!
2nd VT 25.7MV/m!
!
局所研磨と!
100µm EP!
!
しかし!
3rd VT 20MV/m!

修理してもさらに欠陥が現れるケース	
Kyoto-KEK-JLab collaboration	

324°(300μm x 15μm)

341°(300μm x 10μm)

356°(500μm x 15μm)

溶接ビード内に多数のピット欠陥が埋まっている！	

Kyoto-KEK-JLab collaboration	

他の溶接ビード例	  	  銅の2mm板のEBW	  で、多数のピットが	  埋まっている例	  (高分解能X線透過像）	
7mm	

溶接ビームパラメーターの問題か？	  
溶接面のコンタミが原因か？	  
溶接面開先形状の問題か？	

現在、原因を調査・研究中	

STF空洞の加速勾配性能 （最近の１5台の性能結果）	
クライオモジュールに使用した空洞	
1st	  Test	

15	  caviIes	

1st	  Test	
2nd	  Test	

13	  caviIes	

3rd	  Test	

Final	  	  Performance	

5	  caviIes	

4th	  Test	
ただし、このプロセスは	  TDRに従ったものではない。	  
いろいろな研究考察を混じえたものである。	

TDR	  spec.	  
35MV/m	  +/-­‐	  20%	3	  caviIes	STF空洞の加速勾配性能 （最近の１5台の性能推移）	
クライオモジュールに使用した空洞	
ただし、このプロセスは	  TDRに従ったものではない。	  
いろいろな研究考察を混じえたものである。	

1pass	  Ave.	  	  27.9MV/m	

TDR	  spec.	  
35MV/m	  +/-­‐	  20%	Final	  Ave.	  	   ちなみに	  34.2MV/m	 TDRの２回までの処理・測定という規則を当てはめてみると	  15台中、13台が合格となり、合格率は87%。	

性能が最後まで上がらなかった空洞(MHI-­‐24)は、時間的制約のためフィールドエミッター原因が特定できなかった。	

まとめ	  STFでは、ILCクライオモジュールを開発・性能達成をする、	そして超伝導リニアックの運転経験を積む、という目標のもと	超伝導加速器の開発を進めている。	
ILC仕様を満足する空洞の開発は、	クライオモジュールに組み込む空洞を用いて開発している。	
STF空洞の性能：	
ニオブ材料メーカー、空洞製造メーカーの努力と並行して、	STFでは性能制限原因の追求、原因除去の開発を行っている。	
診断ツール、局所研磨、表面分析による解析、クリーンルーム	技術など、多方面にわたる開発がなされてきた結果、	ほぼILC仕様を満足する加速勾配性能が得られている。	

終わり