237■研究紹介

超伝導空洞における 50 MV/m 高電界の達成
KEK 加速器研究施設

古 田史 生furuta@post-cbandlc.kek.jp
2006 年 2 月 16 日

1.

2.

はじめに

KEK における空洞開発

KEK を拠点とする ILC-WG5-Asia は、2006 年 1 月現在、20 年の歴史を持つ KEK の超伝導空洞開発では、高純度三つの新しい形状の単空洞で 45 MV/m 超の高電界を達成

ニオブ材の開発と電解研磨法を主体とする独自の空洞表面した。Cornell 大学が設計・製作し、KEK が表面処理を行処理技術、空洞製作技術によって、単空洞での高電界世界った Reentrant 型単空洞（RE）、JLAB/DESY が設計し、最高記録を塗り替えてきた。KEK は図 1 に示すように、1994

KEK が製作した Low Loss 型単空洞（LL）、さらに LL 形

年に清浄表面の製作技術として高圧超純水洗浄（HPR）を状をベースに KEK が設計・製作した ICHIRO 単空洞（IS実用化し、フィールドエミッション問題の長い歴史に王手─後述）の三種である。RE 型空洞は、Cornell 大で 2004 年をかけた。HPR により高電界を 30 MV/m から 40 MV/m に末に 46 MV/m を達成したが､Cornell 大がそれとは別の RE改善し、40 MV/m へのブレークスルーをもたらした。さら空洞を KEK に送り、KEK が表面処理を施し、2005 年 7 月に､に 47 MV/m を達成した。KEK はこの空洞に高圧超純水洗あった 40 MV/m の限界を破り、 50 MV/m の加速電界を達浄処理処理を追加し、 52.3 MV/m の世界記録を樹立した。

成し、二度目のブレークスルーを成し遂げた 。

2005 年新しい空洞形状の採用によって十年来の壁でそ の 後 、 KEK は LL 空 洞 で 47.3 MV/m 、 IS 空 洞 で50 MV/m の実現は、2001 年に KEK の斎藤健治が提唱し51.4 MV/m を達成し、ILC 計画の高電界空洞の開発に拍車た 40 MV/m に対する理論限界説の再解釈と、それに基づくをかけている。

新形状の空洞設計による。斎藤によれば、図 1 に見られる

図 1：KEK における空洞 R&D での二度のブレークスルー

238

図 2：空洞セル形状の比較（TTF=TESLA Test Facility）
表 1：空洞パラメータの計算値
Diameter[mm]

E p / Eacc
H p / Eacc
R /Q
G

[Oe/MV/m]

[W]

[W]

Eacc max[MV/m]TESLA

Low Loss

Reentrant

Ichiro Single

7060

60

61

2.0

2.36

2.21

2.02

42.6

36.1

37.6

35.6

113.8

133.7

126.8

13827128427728541.148.546.549.2

TESLA 形状での 1994 年来の 40 MV/m の制限は、ニオブ超まったく実績のない段階で大胆にも 45 MV/m の高電界を伝導特性（高周波臨界磁場）に由来する理論限界であり、目標にしており、世界は aggressive と批判的であった。KEK

その値は 1750Oe である。それを考慮して、空洞最大表面磁でも、WG5 のメンバーの多くは常伝導空洞から参加してお場（ H p ）と空洞中心軸上の加速電界（ Eacc ）の比、H p / Eacc 、り、当時超伝導空洞には何のアイディアも持ち合わせず、が小さくなるように空洞形状を設計すれば、この理論限界

この計画は正に「斎藤教」であると冗談を言われていた。の中でも 50 MV/m 近い高電界が期待できると提案した。こ私もちょうどこの時期に WG5 に参加し、初めて超伝導空れは､フィールドエミッション対策を重視し、最大表面電場洞開発に足を踏み入れた。その時から現在にいたるまで、（ E p ）と加速電界の比： E p / Eacc が小さい形状を選択してKEK の WG5 における空洞開発は私を含めた新人教育の場きたこれまでの設計概念に変更を迫るものであった。このともなり、様々なトラブルを克服しながらの歩みであった。

提 案 に 基 づ い て 2002 年 、 Cornell 大 で RE 形 状 を 、しかし、トラブルは空洞表面処理のコントロールミスや、

JLAB/DESY では LL 形状の空洞を設計した。図 2 に TESLA

空洞アセンブルの失敗、RF ケーブルを含めた空洞性能測定

形状と LL 形状、RE 形状を、表 1 にそれぞれの空洞パラメシステム周りの故障といった初歩的なもので、致命的なもータの計算値を比較する。 LL 、 RE 形状では H p / Eacc がのではなかった。単空洞での 45 MV/m 高電界の実証が、目TESLA 形状に比べ 15% ほど小さく、結果その分だけ高い

標の 2005 年 3 月から 7 月にずれこんだが、その原因は、新電界（ ∼ 47 MV/m ）を達成できると予想される。

人教育やしばらく休止していた空洞開発の再立ち上げに時間を要したためである。

3.

50 MV/m 空洞の達成

ILC に向けて、2004 年 11 月に KEK で 1st ILC Workshop

これらのトラブルを克服し、表面処理から測定にいたるまでミスがないと確信して臨んだのが、2005 年 7 月 29 日が開かれ、5 つのワーキンググループ（WG）を立ち上げた。の RE 空洞に対する 8 回目の測定であった。私は、この日空洞開発を受け持つ ILC-WG5-Asia は KEK の斎藤健治をのことを一生忘れないだろう。空洞に再度、電解研磨と高リーダーに、2005 年 3 月までに LL、RE の新形状単空洞に圧超純水洗浄を施し測定したが、40 MV/m でクエンチした。

よる 45 MV/m の実証、 2005 年 9 月までに 9 連空洞で依然として 40 MV/m の壁を越えられなかった。「斎藤教は45 MV/m 達成を目標にスタートした。この開発計画では、やっぱしまやかしか！」一瞬その思いが過った。しかし、

239
ドラマは翌日起きた。私は、このバリヤーは超えられるか4.

も知れないという予感があり、翌 7 月 30 日、液体ヘリウムを追加し再測定を行い、40 MV/m 付近でのプロセッシングを丹念に行った。その結果、ついに 40 MV/m の壁を破り47 MV/m に到達することに成功した。翌 31 日（日）朝、斎藤さんがやって来て、達成感を共有した。そのとき、斎藤さんに「君が 45MV/m の新しい世界を切り開いたんだぞ。」と言われた。研究の本当の面白さ、ほのかな自信を感じた瞬間だった。その後、米国 Snowmass での 2nd ILC

9 連空洞の開発と性能試験

LL 空洞、 RE 空洞での 45 MV/m 実証試験と並行して
KEK では ILC 実機モデルとなる ICHIRO 9 連空洞の製作を進めた。ICHIRO 形状は LL 形状をベースに KEK の両角祐一が改良したもので、KEK 周辺の中小企業をベースに製作した。ちなみに、この ICHIRO 形状の 9 連空洞製作の途中で、同じ ICHIRO 形状の単空洞も製作することになり、Ichiro-Single cavity ということより IS 空洞と名づけた。

Workshop があり､スケジュールの都合上 9 月になってしま

土曜はもちろん、日曜日にもしばしば研究所に出勤しなったが、LL 空洞に対しても同様に電解研磨＋高圧超純水洗

がら、われわれは数ヵ月かけ 4 台の ICHIRO-9 連空洞を製浄の再表面処理を行い測定した結果、 46.5 MV/m を達成し作した。もちろん、これはわれわれのみならず、製作にたた。また、その後の再処理で 47.3 MV/m を達成した。さらずさわった企業の協力の賜物である。最初の 1 台が KEKに RE 空洞の再測定では 52 MV/m を達成した。 46 MV/mに到着した日の喜びは格別であった。KEK-WG5 表面処理の達成では Cornell 大に先を越されたが、単空洞での世界記レシピ（後述）を施し、1 台目の性能試験を 2005 年 7 月に録を樹立した。この RE、LL 空洞による新形状空洞によっ行った。このときは非常に厳しいマルチパクティング（MP）て 40 MV/m の壁を破ることができるという実証をなし、で制限され、到達最大電界は 21MV/m であった（図 4）。

50 MV/m の高電界の新たなブレークスルーの現場に運よMP 現象は単空洞でも起こり、通常 20 ∼ 25 MV/m 付近のく立会い、身の震える感動をした。後述するが、新たに作壁となる。この壁はクエンチを意図的に繰り返し、空洞表成した IS 空洞でも今年 1 月に 51.4 MV/m を達成し、新形面に対するエージングを行なうことで、越えることができ状の単空洞すべてで、45 MV/m の高電界という目標を達成る。これを空洞に対するプロセッシングと呼び、25 MV/mした。図 3 に RE、LL、IS 空洞の電界測定結果を示す。KEK付近の壁を越えると一気に 40 MV/m 超の高電界に到達すで設計した LL 空洞に ICHIRO と名付けた。これは、設計る。プロセスしても 37 MV/m 付近でクエンチしてしまった

当初から 51MV/m の達成を意識したもので、イチローの背り、MP によってフィールドエミッションカレントが引き番号にちなんでいる。ここに来て、大胆な ICHIRO 空洞の起こされて、 45 MV/m に到達できないこともある。9 連空

シナリオは、話が旨過ぎる程よくまとまった。現場は決し洞における MP のプロセッシングは単空洞よりも厳しいこて楽とはいえないが、自分自身が高電界の世界記録を頻繁とが予想され、MP の低減は重要課題の一つといえる。に発信できることが何よりもエキサイティングである。
1110

RELL #1
IS #6
1010

QoCavity Eacc[MV/m] / Qo @2K
RE52.31 / 0.97e10
LL-#1 47.34 / 1.13e10
IS-#6 51.44 / 0.78e10

9108100102030

Eacc[MV/m]
図 3：RE、LL、IS 空洞の結果

4050602401011Qo

Eacc:20.8MV/m
Qo:1.1e1010Qo

109108100510152025

Eacc[MV/m]
図 4：9 連空洞 1 台目の第 1 回測定結果

2005 年 7 月段階で、われわれは単セル空洞の 45 MV/m のか」という不安な気持ちから、「次の測定ではどんな結果が実証はもちろん 9-cell での 45 MV/m の実証にはいたらず、出るか」という楽しみの気持ちに変わったのを覚えている。

ILC Internal Review を 7 月 27 日に迎えた。

さて、高圧洗浄処理に関しては、他の研究所では超純水

そのような状況から、この Review 委員会では「単空洞でを使用することがベストと信じられている。しかし、超純の 45 MV/m 高電界実証に集中せよ」との勧告が出された。

水装置のメンテナンス費は三年で新設備が買えるほど高い。

この勧告に従って WG5 は単セル空洞での 45 MV/m の実証、もし純水の使用が可能であれば、ILC のような大型プロジ表面処理方法の信頼性の確立、MP 現象の低減を新たな目ェクトでは大きなコスト削減が期待できる。KEK ではその標に再スタートした。9 連空洞にはこれらの研究結果をフような考えで純水を使った高圧洗浄を試みて、40 MV/m レィードバックすることにした。私自身は「 45 MV/m は出る」

ベルまでは二、三例の肯定的結果を得ている。そこでわれと信じて進んで、上に述べた 7 月 29―30 日の RE 空洞におわれは 45 MV/m の高電界に純水が使えるかを調べるためける 47 MV/m の達成にたどり着いた。これは、この Reviewに、空洞性能と水質の相関を系統的に調べた。この水質に委員会のまさに二日後であった。

関する R＆D は、業界の常識への挑戦である。

5.

われわれは超純水と純水を比較するパラメータとして単空洞による試験（1） 高電界の再現性試験と水質の影響TOC（Total Organic Carbon）とバクテリア数にスポットを当てた。この二つを選んだ根拠は、これらが MP や FEの種になりうると考えられているからである。一連の測定

RE、LL 空洞での高電界達成後、すぐに次のステップへ向かった。まず、高電界性能の再現性を試験した。この試において、超純水では TOC は 10 ∼ 20 ppb 、バクテリアは0 ∼ 1 個、純水では TOC は 100 ∼ 800 ppb 、バクテリアは験では、空洞表面処理のどのステップまで戻って評価する30 ∼ 1000 個であった。超純水はわれわれが電解研磨と高圧か議論があったが、最終表面処理から一つずつ戻りながら超純水洗浄を行う（株）野村メッキでの値、純水の値は KEK性能測定をすることにした。空洞に高圧超純水洗浄処理のにある純水装置のものである。37 MV/m 付近までの性能にみを追加した試験から始めた。その結果、RE、LL 両空洞対しては純水と超純水とで差がないことを確認できたが、で高電界性を再現できた。ここで、再現性と一口に言って残念ながら 40 MV/m 以上では純水に分が悪い。また、純も、この試験には測定後の空洞の分解作業に始まり、表面水高圧洗浄した空洞を再度、超純水で高圧洗浄を施すと性処理、運搬、組み立て、真空排気、測定といった一連の工能が回復することが確認できた（図 5）。水の影響は確かに程すべての信頼性が含まれる。この試験結果で、自分のスあるが、差はわずかであるとの結論に達した。今後、純水キルがアップしているという自信が得られた。

装置に対する改良を加えて TOC とバクテリアレベルを下

この頃から空洞測定に対して「次回、性能が出るだろうげて、さらに R&D を進める予定である。241
1110Qo(1st)Qo(2nd)Qo(3rd)1010meas. Eacc[MV/m] / Qo @2K
1st48.8 / 0.96e10
2nd44.0 / 0.46e10
3rd51.4 / 0.78e10

Qo
109surface treatment
1st meas. KEK recipe
2nd meas. +HPR(using PW)@KEK
3rd meas. +HPR(using UPW)@Nomura
1080102030405060

Eacc[MV/m]
図 5：超純水（UPW）と純水（PW）を使用した HPR の影響（IS#6 空洞の結果より）（2） KEK レシピの確認
単空洞試験に路線変更した後、われわれは IS 空洞 7 台を

空洞は Nb 板をプレス、トリム加工した半球を二つ向かい合わせて電子ビーム溶接（EBW）し、ビームパイプとフランジを EBW して製作される。その後に表面処理として製作した。最初の 1 台（IS#1）は工業レベルの溶接試験にまず遠心バレル研磨（CBP）と呼ぶ機械研磨によって大き使用したセルを利用した。次の 3 台（IS#2,3,4）は、ICHIROな表面の欠陥を除去し、かつ溶接シームを滑らかにする。

9-セル空洞製作中に電子ビーム溶接に失敗して途中で製作

さらに化学研磨（CP）で CBP 時の砥粒による汚染表面をを中止した空洞からセル部を切り出して製作した。この 4軽く除去（ ∼ 5 μm ）し、CBP や CP 工程でニオブ中に吸台の試験には工業レベルの赤道部溶接の信頼性試験の意味

蔵した水素を脱ガスするために真空熱処理（ 750 °C 、3 時合いが含まれる。残り 3 台（IS#5,6,7）は KEK 機械工作セ間）を行い、その後電解研磨（EP）で 80 μm 除去して滑らンターで、これまでの実績に基づいて製作した。工作セン

かな表面を作り、最後に高圧超純水洗浄を施して清浄表面ターでの赤道部溶接法は、ICHIRO 9-セル空洞とは異なる。

を得る。その後ベーキング（ 120 °C 、48 時間）、真空排気

このように EBW が単一の方法でないのは、空洞の製作発をして空洞性能試験に移る。この CBP からベーキングまで注が入札になること、今回の空洞製作発注で出来るだけ多の空洞表面処理を KEK-WG5 レシピと呼ぶ。このレシピは、

くの企業を育てたいとの目論見による。KEK 所内製作の単TRISTAN 時のとは異なる。TRISTAN では 80 μm の EP を

セル 3 台では KEK の溶接法の信頼性試験が含まれる。こ施した後、真空熱処理を施し、さらに仕上げとして 10 μm のれらの空洞に KEK-WG5 レシピと呼んでいる表面処理を施EP を施したので、EP 工程が二回含まれる。KEK-WG5 はし、最初の測定で 45 MV/m の加速電界がどれ程の歩留りで表面処理コスト削減を狙って、一回の EP 処理にしている。

得られるかを調べた。
これまでに RE や LL で 45 MV/m 以上の高電界達成した

当初、IS#2 で 37 MV/m 、IS#3 で 31MV/m と最初の二台では高電界は達成されなかった。われわれは毎朝、小ミが、それは何度も空洞の表面処理をやり直した後で得られーティングを行い進行状況などの確認を行っているが、た結果である。（ 1 ）そのような高電界が新品の空洞にIS#4 の試験予定日の朝はミーティング時に緊張感が漂い、

KEK-WG5 表面処理レシピを施して一発で達成出来るか、高電界が出ないことに対する不安や、出るはずの性能が出また、（2）達成できたとして如何なる歩留りで得られるをないという苛立ちなどで殺気だった雰囲気だった。私自身

調べる、これが単空洞試験の最初の目的であった。IS#1 はも結果がどうあれ測定時の失敗は許されないという緊張感落下による破損で使用不能となり、IS#2 から IS#7 の都合を持っていた。その日の夕方 IS#4 で 45.1MV/m を達成し、6 台の試験となった。

KEK-WG5 レシピ一発で 45 MV/m を達成した最初のデータを得た。

242

1st measuremnts of Ichiro-Single caivties

11101010Qo

910Cavity Eacc max[MV/m] / Qo @2K
IS#2 37.0 / 1.53e10
IS#3 31.4 / 0.87e10
IS#4 45.1 / 0.91e10
IS#5 44.2 / 0.54e10
IS#6 48.8 / 0.96e10
IS#7 28.3 / 0.19e10

IS#2
IS#3
IS#4
IS#5IS#6
IS#7810010

2030405060Eacc[MV/m]
図 6：IS 空洞 6 台の初回測定結果
その後、IS#5 で 44.2 MV/m 、IS#6 では 48.8 MV/m と連世界でのわれわれの新形状空洞の位置づけであるが、続して高電界を達成し、グループ内の士気も上がった。最2005 年 8 月に Snowmass で開かれた 2nd ILC Workshop で後の IS#7 は 28 MV/m と低い性能であったが、これは EPLL、RE 空洞の高電界性能が認められ、アルタネィティブ液の劣化の問題やアクシデンタルな FE の発生などの問題(ACD) として加えられた（表 2）。現在の ILC 空洞のベーを含み、単空洞での今後の R&D の課題提起となった。

スデザイン（BCD）は TESLA 形状であるが、今後のわれまとめると試験結果は工業レベルの EBW の空洞 3 台のわれの 9 連空洞 R&D の進展によって LL、RE 形状を ACD

内 1 台、KEK 所内製作の 3 台の内 2 台、合計 6 台中 3 台でから BCD に変更させることを、われわれは目標にしている。

45 MV/m の性能を得た。残りの 3 台はフィールドエミッシ
表 2：ILC 空洞の BCD と ACD

ョンやクエンチによって 28 ∼ 37 MV/m に制限された（図6）。（1）の目標設定はクリアできた。（2）の目標設定にはCavity Shape

Eacc max

Eacc operation

85% の歩留り（ILC BCD での目標）を期待したが、50%BCD

TESLA

3531.5に終わった。今後の課題は、残り 3 台の空洞で何故

ACD

LL,RE

413645 MV/m を達成できなかったのかを調べ、歩留りを 100%にすることである。

ILC-WG5-Asia では短期・長期滞在の海外からの研究者

現在、表面処理を追加して残り 3 台の IS 空洞で高電界をを受け入れながらインターナショナルに空洞 R&D を進め達成することと、MP や FE の低減に有効な表面処理方法のている。WG5-Asia は議論と実験結果の蓄積を重視するグ確立を目標に単空洞 R&D を進めている。さらに、それらループである。良し悪しどちらも含め、空洞性能試験におをフィードバックし 9 連空洞 4 台の測定の準備をしている。

いて毎週のように新しいデータが生まれ、その度ごとに議論を重ね、細かな方向修正を行いながら進めるという非常

6.

おわりににエキサイティングな毎日を楽しんでいる。私は体力に自信があるつもりであったが、WG5 の中で生き残るには体力

この一年間で 80 回以上の単空洞性能測定を行った。

はもちろん、着想力と集中力を身につけなければいけない

40 MV/m の壁を破る昨年 7 月末までで、測定に失敗したもこ と を 実 感 し て い る 。 わ れ わ れ の グ ル ー プ は WG5のを含め約 30 回、その後今年 1 月までに 50 回以上の測定-Exciting-Asia と名づけてよいくらい生きのよいグループを重ねた。その中で三種類の形状の単空洞で 45 MV/m 超のであり、今回の原稿を書いている間にも何度ものデータの高電界性能を達成し、これからいよいよ 9 連空洞での実証アップデートを重ねる必要があった。さらに今現在も 9 連に力を注ぐ予定である。

空洞、単空洞の試験は続いており新たなデータを日々取り243続けている状態である。願わくばさらに多くの人がこのグループに参加して力となってくれることを期待している。
今後のわれわれのデータに期待していただくとともに、様々な意見、批評をいただき、さらに質の高い研究を行いたい。私自身も ILC を背負って立つ研究者に早く成長できるよう努力したい。

謝辞
WG5-Asia の活動は KEK の低温工学センターや機械工作センターに支えられており、ここに感謝の意を表します。
昨年の 11 月頃からは空洞の数が増えるとともに、われわれのスキルもそれに追いつき、毎日のように空洞測定を行い、多い時には週 4 回も測定を行った。これらを支えてくれたのが低温工学センターの液体ヘリウム供給体制であり、われわれは常に液体ヘリウムの必要量を安定に入手でき、空洞測定を効率よく行うことができた。また機械工作センターには、単に物作りだけでなく、アイディア提供など様々な助言・協力をいただいた。これらのセンターの支えなくしては、われわれの R&D を集中して進めることは不可能である。

参考文献
http://lcdev.kek.jp/ILC-AsiaWG/WG.php?wg=WG5