第12回日本加速器学会年会
講演番号: WEOM03

KEKにおける超伝導電子銃空洞の高電界試験○許斐太郎、梅森健成、加古永治、小林幸則、山口誠哉(高エネルギー加速器研究機構)
松田竜一、柳澤剛 (三菱重工)

報告内容
1. 概要
i. 超伝導RF電子銃の特徴
ii. 目標とするパラメータ
iii.試作機の開発計画
a. 1~3号機の目標
b. 1号機における縦測定計画
2. 試作1号機 空洞設計
3. 試作1号機 空洞製作
4. 高電界試験準備
i. RF

パラメータ

ii. 処理内容
iii.Field調整
iv. 電界研磨
5. 高電界測定
i. 測定結果
ii. 内面観察
6. まとめ1. 概要超伝導RF電子銃の特徴

超伝導電子銃の長所• 超伝導RF空洞は空洞壁面での低RF損失 (~10W)⇒加速電界 10MV/m以上でCW運転可能。
• RF電子銃は高電界加速を得やすく短距離で光速付近まで加速可能。
⇒空間電荷効果を緩和し、大電荷低エミッタンスビームを引き出しやすい。
ビーム引き出し（レーザ照射）－H.V
DCRFtime

超伝導RF電子銃の短所
初期位相

空洞電磁界のRF周期による変化
静磁場は超伝導空洞内に侵入できない(マイスナー効果)⇒RF効果、ビーム拡散による投影エミッタンス、エネルギー広がりの増大• カソード交換機構でRF損失が生じてはならない。
⇒RFフィンガーでは不十分⇒Choke構造を用いてカソードプラグを仮想短絡させる。
••• 超伝導RF電子銃の長所を発揮させるには解決しなければならない課題が多い。
• 先行研究(HZDR,HZB,北京大学,BNL)を踏まえた上で基礎から進める。
1.3GHz空洞を用いてビーム設計、実証を進め、到達可能な性能を検証する

1. 概要 目標パラメータ
超伝導RF電子銃の性能を生かしやすい、高繰り返し・高電荷運転の特徴を持つERLをターゲットに開発を進める。
100mA-ERL(KEK)を目標とした超伝導電子銃のビームパラメータ
空洞出口での仕様：
駆動周波数 f0

1.3 GHz出口エネルギー KE

2 MeV

平均ビーム電流 I

100 mA (1.3 GHz, CW、入力RF100 kW x２)

初期ビーム径、バンチ長

φ2, 10 ps (矩形形状)

出口バンチ長、3ps (rms)

最大表面電界強度 Esp
エミッタンス ε< 50 MV/m< 1 mm mrad

エネルギー拡がり ∆KE< 0.1 %

空洞数

1.5 空洞 (1つの金型で空洞を成形)

最大表面電界強度はCW運転の安定性を考慮してマージンを十分に持たせた設計。
超伝導RF空洞の最大表面電界は100 MV/mに達している。

1. 概要 試作機の開発計画
先行研究(HZDR,HZB,北京大学,BNL)を踏まえた上で基礎から進める。
HZDR(ドレスデン):試作1号機 (試験中)• 空洞単体で縦測定のみを行う。
※縦測定とは空洞全体を液体ヘリウムに漬けて行う高電界測定のこと。

ELBE SRF GUN Ⅱ (運転:2015/5~)
3.5 Cell空洞 10MeV, 77pC, 1mA

試作2号機 (設計中)• テストクライオモジュールでの冷却・高電界試験• 詳細は本年会ポスターTHP046 松田竜一 他
試作3号機• ビーム試験を行う。
試作1号機の詳細
空洞セル単体から徐々に電子銃構造へ近づけて高電界試験を進める。
順序

測定順序と付加構造
Choke
カソードプラグフォトカソード

1×××

2×○×

3○××

4

○

○×

5

○

○

○

フォトカソード

本発表の成果カソードプラグ

RFは侵入しない。
Choke

加速空洞

2. 試作機1号機の設計
超伝導電子銃の課題• 空洞電磁界のRF周期による変化• 静磁場は超伝導空洞内に侵入できない(マイスナー効果)⇒空洞形状のみでビーム性能が決まる。
• 空洞に比べ高温になるカソードを空洞に接触させられない。
• 全空洞壁面のRF損失をわずか数十Wで抑えなければならない。
⇒Choke構造を用いてフォトカソードプラグを仮想短絡させる。
• SUPERFISHとGPTを用いて空洞形状の最適化を行った。
SUPEFISHによる電磁界分布

半径(cm)カソードセル(第1セル)

フォトカソード面

第2セル

電子ビーム

簡易Choke構造

カソード面からのビーム軸長さ(cm)2. 試作機1号機の設計• 空洞形状を最適化した結果、ERLの要求性能を満足する設計を得られた。
詳細は去年の第11回加速器学会年会MOOL13 松田竜一 他を参照
• β=0からβ=0.97まで加速させるため、セルはβ=1空洞に比べてつぶれている。
⇒形状因子(Geometrical Factor)が小さく、Qo値が小さい• カソード上で大電界になるよう、カソードセル側の電界を強くしている。
2セル目で2MeVに合わせる。
⇒最大電界はカソードセルアイリス、最大表面磁場はカソードセル赤道
パラメータ

値

ビームエネルギー

2 MeV

投影エミッタンス

0.98 mm.mrad

投影エネルギー広がり

0.09%(1.84 keV)

最大表面電場

41.9 MV/m

最大表面磁場

95.2 mT

初期RF位相55°

Geometrical Factor

135.6 Ω (β=1空洞は約260 Ω)

目標表面抵抗30 nΩ (ILC ターゲット)

目標Q値

4.5×109

目標空洞ロス

8W

設計の詳細は第11回日本加速器学会年会 MOOL13 松田竜一 他「KEKにおける超伝導RF電子銃の開発」 を参照。

SUPEFISHによる電磁界分布
最大表面磁場最大表面電場カソードプラグカソード面からのビーム軸長さ(cm)

軸上電界強度分布

3.
試作機1号機の製作
部品製作
４．
試作1号機 設計製作
試作1号機外観

剛性が必要なカソードセルを削り出しによって製作。
他のハーフセルはコスト削減のために共通金型で製作。

強め輪
カソードセル

ポート
フランジ

カソード
ポート

ビームパイプ
ハーフセル x3
レデューサ

ハーフセルのトリム加工

8

3. 試作機1号機の製作
各部分は全て電子ビーム溶接で接合する。

電子ビーム溶接個所：赤矢印
完成した超伝導電子銃空洞

4. 高電界試験の準備••

RFパラメータ

カソードプラグを装着しない空洞セル単体でのRF特性を評価する。
カソードプラグの有り無しが空洞のRFパラメータへ与える影響はない。
中心軸上の電場分布

カソードプラグ 有

1.2w/ cathode plug
w/o cathode plug

1カソードプラグ
Ez (a.u.)

0.8

カソードプラグ 無

0.6
0.4
0.20-5

Design Parameter

カソードプラグ有カソードプラグ無Frequency

1300.007 MHz

1300.088 MHz

Geometrical Factor

135.6 Ohm

135.5 Ohm

Hp/Ep

2.27 mT/(MV/m)

2.28 mT/(MV/m)

0510Z (cm)152025

注意：本発表で述べる高電界試験とその準備は全て、カソードプラグなしで行っている。

4. 高電界試験の準備 処理内容
電子銃空洞はβ=1空洞と空洞形状が異なるため、各処理では電子銃空洞に適した処理方法を用いている。
特に異なる処理について説明する。
処理内容

内容

化学研磨

１０６µm

アニール

７５０℃x３時間

チューニング

セル間比率の設計からのズレ

電解研磨

２０µm

超音波脱脂洗浄１５min, ５１℃, 36kHz×4800W

HPR(高圧水洗)

ブランク無し2h+外面15min+ブランク有2h

組立

クリーンルームClass１０

ベーキング

１３０℃×４４時間

1%以内

空洞単体での高電界試験(カソードプラグは装着しない。)

4. 高電界試験の準備 Field調整
特にField強度比に注意してチューニングした。
チューニングにはビーズ測定を用いている。
Filed強さの比率のずれを設計値の１％以内に追い込んだ。

加速モードのパワー分布

Intensity (a.u.)

5

カソードセル
板でカソードセルを固定板を押し引きする

ビーズを通す

0

作業風景

-5-10

チューニングJIG

DesignAfter Tuning
Before Tuning-15
050 100 150 200 250 300
Position from cathode flange (mm)
カソードセルの強さで規格化している。

4. 高電界試験の準備 表面処理
表面処理の最終研磨である電解研磨について。
• 電解研磨液は貯め込み式。
• 研磨液を拡散させるために回転羽状に切り出した純アルミ陰極を使用。
• アルミ陰極は常時回転させて研磨液の拡散を行う。
処理時のトラブル：• 発生した水素ガスの泡が空洞からこぼれそうになった。
⇒このため、1分ごとに電極電源のON/OFFを行い、２０µm研磨した。
• 電解研磨終了時にアルミ電極を空洞へぶつけ凹み傷を作ってしまった⇒次回から機械式リミッターを取り付け安全を図っている。

電界研磨の模式図
アルミ平板陰極

アルミ平板陰極

電界研磨の様子
アルミ陰極

水素泡

冷却水
空洞

ブランクフランジ

この部分へアルミ電極をぶつけた。

次回からの対策：機械式リミッターを取り付ける。

5. 高電界試験 結果•••

幸い、電解研磨時の傷は大きな問題とならなかった。
クエンチした個所はカソードセル赤道部。
目標表面電界まではField Emissionはなく、十分満足できる性能である。

1110Qo

目標測定結果1000 最大表面電場

41.9 MV/m

66 MV/mQo値

4.5×109

4.31×109 @66 MV/m
7.15×109 @42MV/m

X-ray

100X-Ray10

目標表面電界Qo

19100.1

quench0.01@Cathode cell
equatore

810X ray [µSv/hr]

10100102030405060
Surface Peak Electric Filed [MV/m]

0.001
70

注意：横軸は加速電界ではない。
カソードセルアイリスにある最大表面電場を示している。

Onset 50 MV/m

5. 高電界試験 内面観察
高電界試験測定後に空洞内面を観察すると、カソードセルに変色が生じていた。
変色原因は見当もつかず不明⇒今後の測定で解明していく。

変色した場所

カソードセル面の画像
カソードセル面

ビームパイプ側からカソードセル面を覗いている。

電界研磨時の傷

まとめ•

超伝導電子銃の開発計画を進めている。
•試作1号機：縦測定•

試作2号機：クライオモジュール•試作3号機：ビーム試験•

試作1号機のビーム設計はERLに準じたパラメータを満足する。

•空洞単体の試作1号機を製作し、高電界試験を行った。

•

高電界試験では最大表面電場Esp=50MV/mからField Emissionが生じたが、•設計目標である最大表面電場Esp＝41.9MV/mでは目標 Qo=4.5×109を上回る7.15×109をField Emissionなしで達成した。

•

今後はChokeとカソードロッドを装着した試作1号機を製作し縦測定を進める。