Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

ERL Main Linac 実機用チューナの低温特性試験
PERFORMANCE EVALUATION OF KEK ERL MAIN LINAC TUNER
江並 和宏 #, A), 古屋 貴章 A)，阪井 寛志 A), 佐藤 昌史 A), 篠江 憲治 A),
梅森 健成 A) ,沢村 勝 B), Enrico CenniC)
A)
A)
#, A)
Kazuhiro Enami, Takaaki Furuya A), Hiroshi Sakai A), Masato Sato , Kenji Shinoe ,B)
Kensei Umemori A) , Masaru Sawamura , Enrico Cenni C)
A)
KEK, Highi Energy Accelerator Research OrganizationB)
Japan Atomic Energy Agency (JAEA)C)The Graduate University for Advanced Studies

AbstractcERL project is now progressing. We are carrying on R&D for cERL main linac consisted of 1.3GHz superconductivecavity. We evaluate slide jack tuner, which is component part of cryomodule. KEK ERL mail linac tuner has 2 mechanism
to tune frequency. One is slide jack mechanism that tunes roughly and the other is piezo mechanism that tunes finely. We
carried out basic experiment and cold experiment. We finally confirmed that slide jack tuning system can tuning to targetfrequency 1.3GHz.

1.

トロークを見込んでいる．そこで，スライドジャッキにより 4um 以内に粗調整する必要がある．

緒言

現在，ERL（3GeV クラス）の要素技術・測定技術を獲得するために， compact ERL（35~200MeV）の開発が進められている（Fig.1）．その一環として，
我々は 1.3GHz 超伝導空洞からなる compact ERL Main
Linac のクライオモジュール製作に向けて R&D を進めている（Fig.2），本報ではその構成部品の一つである KEK スライドジャッキチューナの低温特性試験をおこなった．特性試験用のモデルチューナを用いて，駆動に関して基本的な要求仕様を満たしている事といくつかの改善点を確認した．
これらの結果を元に，実機用チューナではcompact ERL での使用に適応した装置改善をおこなった．実機用チューナの基本特性試験及びモジュールに組み付けての低温実験をおこない，目標
周波数 1.3GHz にチューニング可能であることを確認することを目標とする．

2.

Figure 1 compact ERL

KEK スライドジャッキチューナの構成

compact ERL Main Linac クライオモジュールでは，超伝導加速空洞のチューナとしてスライドジャッキ方式を採用している．これは，ピエゾ素子による微調整とスライドジャッキのメカ駆動による粗調整をおこない，キャビティの全長を弾性変形により変化させてチューニングをおこなうシステムである．高剛性という利点を持っており，STF における運用実績がある[1]（Fig.3）．
compact ERL Main Linac の運転中はピエゾ機構で微調整をおこない，ピエゾ調整域への粗調整をスライドジャッキ機構で行う．加速空洞の周波数 f0 は，その全長の変動に対し約 280kHz/mm の割合で変動する．ピエゾ駆動は後述するように低温時に 4um のス___________________________________________

Figure 2 CryoModule

Figure3 KEK Tuner at STF# enami@post.kek.jp- 602 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

2.1

スライドジャッキ機構

Displacement Gauge(Capacitive Sensoror Dial Gauge)

Fig.4 にスライドジャッキ機構の構成を示す．物理的可動域は最大 3mm である．動力伝達にかさ歯車を使用するため，バックラッシや動作の不連続性，トルクが機能に影響しない事を確認する必要がある．
2.2

Load Cell
PiezoModuleShaft

ピエゾ機構

Fig.5 にピエゾ機構の構成を示す．素子単体のストロークは常温で 80um である．片側駆動のため，空洞の伸長量は 40um となる．低温による素子の特性が 10%まで低下すると見込み，低温では 4um の調整域を目標とする．ヒステリシスや低温による性能低下が問題となる．
2.3

7Figure 4 Slide jack mechanism
Displacement Gauge(Capacitive Sensor)
Load Cell

モデルチューナを用いた基礎実験

Piezo
ModulePiezo
Module

STF で実績のあるチューナを ERL 用にモディファイしたものをモデルチューナとして基礎実験をおこない，組付前のデータを収集し，実機用チューナへの改善点を調査した．この結果，基本的な要求仕様を満たしている事を確認するとともに，アライメン
トの容易化や一部機械剛性の向上，ピエゾの絶縁能力向上といった改善点を示した[2]SlideJack
Slide
Jack

Load by Disk Spring

8Figure 5 Piezo drive system

実機用チューナ

モデルチューナの評価実験に基づき cERL 用に開発した実機用チューナについて，スライドジャッキ部の評価実験をおこなった．チューナを Fig.6 に示す．
モデルチューナは動力伝達軸同士のアライメントをジャケットへの組付時に行うのに対し，実機用チューナは半割ベース上で予め軸同士のアライメン
トを行なってからベースごとジャケットへ取り付ける．このためアライメントが容易になり，モデルチューナより低トルク特性が期待される．
単体時，ジャケット組付時，単体に真空回転導入端子を介した時のトルクを Fig.7 に示す．モデル
チューナ単体よりもトルクが減少している．
写真ではピエゾは設置されていないが，実機では2 個のピエゾが設置される．1 個は予備とし，モデルチューナ同様 1 個のチューナで駆動をおこなう．

Fig.6 Tuner attached to a jacket
4

Attached to jakcket

3.5

Alone without feedthrough3Torque (Nm)

3.

Slide
Jack

Load by Disk Spring

Alone with feedthrough

2.5

Model tuner alone

2
1.5
1

実機用チューナ低温実験

4.1

スライドジャッキ実験00

実機用チューナの低温試験をおこなった．冷却状態でスライドジャッキを駆動して空洞を伸長させ，周波数 f0 を測定した．結果を Fig 8 に示す．
上流側，下流側空洞共に目標周波数 1.3GHz を通過しており，目標周波数にチューニング可能であることを示した．トルクの常温と冷却時の変化を Fig.9に示す．冷却によるトルク増大は認められなかった．
微調時の周波数の挙動を Fig.10 に示す．250Hz 程度の周波数変化の逆転が見られる．逆転域を通過すれば 1step の移動量は 100Hz 以下であり，周波数調整が可能である．この値に比べてピエゾ調整域が十分大きければスライドジャッキは粗調整の機能を満たすことになる．

- 603 -

200

400

600
Load (kgf)

800

1000

1200

Figure 7 Torque of tuner
1300.50000
No4 （Up Side)

No3 (Down Side)

1300.40000
1300.30000
1300.20000
f0 (MHz)4.

0.5

1300.10000
1300.00000
1299.90000
1299.80000
1299.70000
051015202530
Tuner Rotation (Revolution)

354045Figure 8 Frequency of down side cavity

50Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

Table 1 Result of experiment

Down SideUp Side

Frequency vsExtended Length(MHz/mm)

SpringConstant(kgf/mm)

Max
Frequency
(MHz)

Min
Frequency(MHz)

Max Mechanical
Tuning Range(MHz)

Coupler

ColdBoxMax
Torque(Nm)

270
277

332
317

1300+0.39
1300+0.33

1300-0.24
1300-0.22

0.63
0.55

1.49e-03
9.20e-04

1.14e-03
1.60e-03

2.5
2.5

Piezo Tuning Range (MHz)

Table 2 Piezo performance at low temperature
Cavity(MHz/V)
2.97e-6
2.29e-6
1.84e-6
3.21e-6

Lord(KgF)
3994054834874.2
ピエゾ実験
ピエゾ駆動による周波数変動域の測定実験をおこなった．前述のように 1 個のチューナにピエゾは 2個取り付けられており，それぞれ“冷凍機側”，“カプラ側”と呼ぶ．素子には最大 1000V 印加可能であるが，安全のため 500V まで印加した時の周波数変化量を測定した．下流側空洞の冷凍機側ピエゾの結果を Fig.11 に示す．この時約 1140Hz の調整域を持つ事がわかる．この値は前述のスライドジャッキの調整能，反転域と比較して十分大きく，スライドジャッキ粗調整，ピエゾ微調整が可能であることが確認できた．実験結果を Table 1 に示す．
また，Table2 に各ピエゾによるチューニングの低温時の特性低下を示す．ピエゾアクチュエータの性能は常温時の 17~29%まで低下している．これは見込んでいた 10%より良好で，使用に問題はない．この性能低下はピエゾ素子単体の性能低下だけでなく，ピエゾ変位を空洞の伸長に伝達する機構が熱収縮により低下している可能性がある．

Cavity(MHz/mm)
0.270
0.270
0.277
0.277

Piezo extension(mm/V)
22.0e-617.0e-6
13.3e-6
23.2e-6
80e-6

Piezo
performance
28%
21%
17%
29%
100%

Comparison of tuner torque（Up Side)
3ColdWarm

2.5

2Torque (N.m)

Down Coupler
Down ColdBox
Up Coupler
Up ColdBox
Normal Temperature(Nominal)

Range
(MHz)
1.49e-3
1.14e-3
0.92e-3
1.6e-3

1.5

10.5

00200

400600Tuner Load (kgf)

800

1000

Figure 9 Torque under low temperature
Delta f0 vs Tuner displacement (Down side)
800
700
600

まとめcERL 用に改善された実機用チューナの基本特性を確認した．ついで低温実験をおこない，スライドジャッキ機構，ピエゾ駆動共に要求を満たし，装置全体として所定の目標周波数に設定できることを示した．今後，ヒステリシスやバックラッシなど細かい挙動のメカニズムを解明することでさらなる性能向上や他のチューナ設計の指針としたい．

Frequency(Hz)5.

500400300

Delta f(Hz)200100
0-3-2-1‐1000123‐200

Tuner displacement (um)Figure 10 Hysteresis of slide jack mechanism
Delta F0 vs Piezo voltage(Down ColdBox)

参考文献

1000
800600Frequency (Hz)[1] Y. Yamamoto et al.: Experimental Result of Lorentz Detuning
in STF Ppase-1 at KEK-STF, SRF 2009.
[2] Kazuhiro Enami, Takaaki Furuya, Hiroshi Sakai, Masato Sato,Kenji Shinoe, Kensei Umemori, Masaru Sawamura, Enrico
Cenni: Performance Evaluation of KEK ERL Main LinacTuner, Mechanical Engineering Workshop 2012 at KEK，
2012

4002000‐2000100200300

400500

‐400
‐600
‐800
‐1000

Down ColdBox

Trendline

Piezo Voltage (V)Figure 11 Hysteresis of Piezo tuning- 604 -