147■ 研究紹介CERN 原子核物理実験施設 ISOLDE の超伝導線形加速器– 薄膜超伝導加速空洞共振器の開発 –欧州原子核研究機構 (CERN), マンチェスター大学

宮崎 彬
Akira.Miyazaki@cern.ch
2017 年 (平成 29 年) 8 月 4 日

はじめに

1

欧州原子核研究機構 (CERN) の花形といえば Large

Hadron Collider (LHC) を用いた高エネルギー物理学実験である. エネルギーフロンティア以外にも比較的規模の小さい実験も平行して行われており, 反陽子実験など
はその代表である. 図 1 に示した The Isotope Separator

On-Line DEvice (ISOLDE) は CERN の全実験中でも

図 1: ISOLDE

最古参であり, 1967 年から 50 年にわたって運用され続けている原子核実験施設である [1].

まずカビボ小林益川行列 (CKM) の対角成分の測定を挙げよう. CKM 行列のユニタリティ条件から

1.1

2

ISOLDECERN で実験に用いられる陽子はまず Linac2 を初段

22|Vud | + |Vus | + |Vub | = 1 + ∆(1)であり, 標準模型では ∆ = 0 を予言する. ISOLDE にお加速器とし次いで Proton-Synchrotron Booster (PSB),

いては, ペニングトラップ (ISOLTRAP) [2] による β 崩Proton Synchrotron (PS), Super Protron Synchrotron(SPS) を経て LHC へと至る. PSB 後の陽子は 1.4 GeV

壊の母核および娘核の精密質量分光が |Vud | 精密測定にまで加速されているが, このうち下流に送られるのはわ

β 崩壊に関連して行われている別の実験はニュートリノの質量決定である. 163 Ho の electron capture を用い

ずか 40%であり残りの約 60%は ISOLDE の固定標的実験に利用される. この標的は比較的重く1 , したがって
主に原子核破砕反応によって生じる二次粒子は「殆ど止まって」生成される. 多孔質, 粉状や液状のものが用いられる標的を 2000 度まで加熱し, かつ電位差を与える
ことでこの二次粒子は徐々に標的内部に浸透さらには流出し, それを用いて原子核の性質を調べる. これは理研などの比較的重い粒子を軽い標的にぶつけ in flight で原子核を研究する施設とは対照的であり, ISOL 方式と呼ばれる. ISOL 方式は高いビームクオリティ2 をもつため
精密分光実験などを得意とする. ISOLDE では 70 種を越える元素のおよそ 1300 もの同位体を提供することが出来る [1].
様々な物理成果があるが, 高エネルギーニュースにふ
さわしい素粒子物理への貢献を 2,3 紹介しようと思う.
1 例えば炭化ウラン, ビスマス, 鉛, タングステンなど
2 核種の separation が非常に良い利用される [3].

たニュートリノ質量測定はモデル依存性が少ないと考えられている [4]. この 163 Ho 線源の検出器へのインプラ
ンテーションに ISOLDE が使用されている (ECHO コ
ラボレーション) [5].
最後に atomic EDM 実験についても触れておこう.

ISOLDE で生成される重い原子核を用いることで, 現在
最も強い制限をつけている 199 Hg よりも精度良く EDMを測定できる可能性がある [6]. 特にこれから紹介する加速器アップグレードによってクーロン障壁を越えるエネ
ルギーまで 225 Ra 等を加速し, 二次標的に衝突させ励起状態へ遷移させることで精度の向上が期待されている.

1.2

HIE-ISOLDE プロジェクト

ISOLDE の一次標的で生成された二次粒子 (重イオン)は, 高純度で選別できる代わりにエネルギーが低いとい2
48

う弱点を持つ. したがって, 二次粒子を再加速させてさよそ 2 m という非常にコンパクトなクライオモジュール

らに二次標的に衝突させれば, 様々な実験を行うことがの内部に超伝導加速空洞共振器 5 台と収束用ソレノイド可能となる. それを目的とした加速器が High Intensity

1 台が設置されている. HIE-ISOLDE クライオモジュー

and Energy ISOLDE (HIE-ISOLDE) である [7].

ルにおいて最も特徴的な設計は, ビーム真空と断熱真空

土地面積の限られた ISOLDE の建屋に建設するため
HIE-ISOLDE は超伝導線形加速器で構成されている. 図

洞共振器は共振器内部を封じきれば一般の室内で外部アが共通になっていることである. それゆえ普通の加速空2 に 2017 年夏現在の加速器の全容を示す. ISOLDE 標的で生成された重イオンはまずチャージブリーダー (REX-

センブリが出来るのに対し, HIE-ISOLDE はクライオモ

EBIS) によって余分な電子を剥ぎ取られ, 質量電荷比

必要がある.

ジュール全体を封じきるまでクリーンルームで作業する(A/q) を下げられる. 高い電荷により加速しやすくなった

図 4 はアセンブリのためのクリーンルーム (クラス

イオンは 2002 年から運用されている常伝導 Linac (REX-

100) の写真である. 写真奥から横向きに風を流すこと

ISOLDE) によって 2.8 MeV/u (およそ β = 7.8%に相で内部を清浄に保ち, かつ手前側から大きなクライオモ

当) まで加速される. それをさらに加速するのが HIEISOLDE 超伝導線形加速器である.

ジュールの出し入れが可能である. 現在まで Linac に設置した全 15 台の加速空洞共振器のうち, 塵が共振器表面に付着することで発生する電界放出 (Field Emission)
はたった 2 台でしか観測されていない. これは予想以上に良い値であり, クリーンルームにおける共振器のアセ

超伝導Linac
クライオモ
ジュール

常伝導Linac
REXISOLDE

ンブリが適切であったことを示している.

図 2: 2017 年現在の HIE-ISOLDE 超伝導線形加速器 [7]2015 年に第一クライオモジュール, 2016 年に第二クライオモジュールが建設され, 2017 年現在は第三のクライオモジュールまでで最高 7.5 MeV/u のビームをユーザーに提供している. 2018 年に第四クライオモジュールの建設をもってアップグレード計画 (phase2) は完了となり, 10 MeV/u のビームが利用可能となる予定である. これは原子核のクーロン障壁を越えるエネルギー

図 4: クリーンルーム

であり, 新たな原子核実験の機会を提供する. 今後の予算次第で常伝導 Linac 部分を超伝導で置き換える計画(phase3) もありうる.
クライオモジュール内部の写真を図 3 に示す. 全長お2017 年現在 15 台の超伝導加速空洞共振器が運用されている. 図 5 に加速空洞共振器のパフォーマンスを示す [9]. ほぼすべての共振器が設計値を超えた性能を示しており, 順調に物理実験に貢献している. HIE-ISOLDE
加速空洞共振器は 12 K から 8 K の間 (超伝導転移温度

液体ヘリウムタンク

9.5 K) でゆっくり一様に冷やすと性能が上昇することが知られており, 現在の高いパフォーマンスは最適化された冷却法によって実現されている. 加速空洞共振器に関しては次の章で説明する.

加速
空洞

加速
空洞

ソレノイド

加速
空洞

加速
空洞

2m

加速
空洞

1.3

HIE-ISOLDE 加速空洞共振器

HIE-ISOLDE の超伝導加速空洞共振器は一般にあまりなじみのない設計をしている (図 6). BNC ケーブル

図 3: クライオモジュール [8]のような同軸形状の共振器の固有モード電場は動径方向であるため, 共振器を横切る荷電粒子は電場による加

3
49

Q0

0

10

20

30

40

Bpeak [mT]
50
60

8

10

0

XLL2.1XLH1.1XLH2.1XLL2.2

XLH1.2XLH2.2XLL2.3

XLH1.3XLH2.3

XLL2.4

XLH1.4XLH2.4

XLL2.5

XLH1.5XLH2.5

1

2

3

l/4
75cm

電場分布

熱伝導冷却

109

液体ヘリウム
(4.5K)

4

5
6
Eacc [MV/m]

図 5: HIE-ISOLDE 共振器の Q 値と加速勾配. 2017年のコミッショニングで測定されたクライオモジュール内における測定結果. 図の星印は設計値, 点線は 10 W 電
力消費ライン [9].
速をうける. 上部が固定端, 下部が自由端の四分の一波
長で共振させるため四分の一波長共振器 (Quarter-wave

Resonator; QWR) と呼ばれる [10].

図 6: HIE-ISOLDE QWR

LHC や International Linear Collider (ILC) で用いられている楕円型共振器ではなく QWR を用いる理由は,
加速する粒子が電子や陽子ではなく重イオンであり, エ表 1: HIE-ISOLDE 加速空洞共振器のスペック

ネルギーのわりに速度が遅いからである. たとえ共振周波数がビームの速度とシンクロしていても, 共振器内部の電場には空間構造があり時間によって振動するため, 加速効率は速度の関数となる. これを走行時間係数(Transit Time Factor) と呼び, 加速空洞共振器の形状

周波数101.28 MHz

加速電圧

1.8 MV

加速勾配

6 MV/m

Q値

4.7×108

消費電力によって決定される [11]. 遅い粒子を効率よく加速する
ためには共振波長に比べて加速領域が狭い必要があり,

QWR は HIE-ISOLDE で加速される β = 8-18%の速度

10 W

ピーク磁場

58 mT

最適 β

11%

に適した構造をしている.
表 1 に HIE-ISOLDE 加速空洞共振器のスペックをまとめた. この表で特に重要なのは高い Q 値と低い消費電力であり, これは超伝導体で共振器を作ることで初めて達成できる値である. この低い電力消費により共振器を Continuous Wave (CW) で運用することが可能とな
り, ビームのエミッタンス等のクオリティを保ったまま加速することが出来る.
あとで詳しく説明するが, この加速空洞共振器は銅の共振器に超伝導ニオブフィルムを貼った構造をしている.
図 6 にあるように, 4.5 K の液体ヘリウムを内部に注ぎ,銅の優れた熱伝導を活かして全体を冷やしてフィルムを超伝導に保つ.

以降の電解研磨 (Electropolishing) や高圧水洗浄 (HighPressure Rinsing) の発達, ニオブ中の水素の扱い (Qdesease の解決), 環境磁場を排除する冷却法の確立, 等々
によってバルクのニオブの技術は成熟し世界中で実用されている.
しかし, このバルクニオブには本質的困難あるいは技術的限界がいくつかある.

1. 非常に高価である
2. 熱伝導が非常に悪いため熱的にクエンチする
3. 機械的に柔らかく振動の影響を受けやすい
第一の困難は重大であり, 既存技術による巨大加速器建2

薄膜超伝導加速空洞共振器の開発
ILC を初めとして, 加速器で用いられる超伝導共振器

は一般にバルクのニオブから製造される. 特に 90 年代

設の大きな足かせになっている. 第二の困難を解決する
ためには極力純度の高く熱伝導のよいニオブを使用する必要があるが, これがまた価格を釣り上げる. 第三の困
難は加速器の安定なフィードバッグ制御の大きな妨げと450

なる. 特に大電流の加速器の場合, 狭い共振幅のまま電場の振幅と位相を安定に抑える必要があるため, 機械振動による共振周波数の変化は非常にチャレンジングな問題となりうる.
このような数々の困難を取り除くため, 我々はバルクではなくニオブのフィルムを銅の表面に貼る Nb/Cu 共振器を開発・運用してきた. 以下では CERN における

2.2

HIE-ISOLDE における薄膜超伝導体

HIE-ISOLDE 加速空洞共振器は, まず銅で共振器部分を製造し周波数を調整した後, 直流バイアススパッタリ
ングと呼ばれる手法で厚み数 µm のニオブ薄膜を銅表面にコーティングしている. 図 7 にスパッタリング装置の概要を示す.

Nb/Cu 共振器の歴史, HIE-ISOLDE 加速空洞共振器への応用, 課題, そして今後の展望について述べる.

2.1

スパッタリング用真空容器
円筒状Nbカソード (-1kV)

歴史と運用実績

薄膜超伝導体 Nb/Cu にはバルクに比べて大きな利点
が 4 つある.

グリッド状GND

1. 共振器は銅でつくられるためバルクニオブ共振器より一桁以上安い共振器 (300-620℃)

2. 銅の熱伝導が非常によいためニオブ薄膜は十分冷却され熱的にクエンチしない

3. 銅は機械的にニオブより硬く振動の影響が少ない

図 7: スパッタリング装置 [14]4. 外部磁場の影響がバルクのニオブより二桁ほど小さいため磁気シールドが必要ない3 [12]この革新的なアイデアは 1980 年代に CERN の C. Ben-

venuti らにより導入された [13].
Nb/Cu 共振器が初めて実用化されたのは CERN の
LEP-II である. 現在の ILC のような, 1.3 GHz もの高周波の共振器は小さいためバルクニオブでの製造も可能である. しかし LEP-II の周波数は 350 MHz であり, 共振器が巨大であるためバルクニオブは金銭的にも機械的にも現実的でない. LEP-II ではその困難を払拭するた
め Nb/Cu 共振器を開発し, 最終的に 256 台もの 4-セル
共振器を建設・運用した4 . 現在世界最大の LHC もその技術を継承し, 周波数 400 MHz で 1-セルの Nb/Cu 共
振器を 16 台運用している.
一方で 1990 年代に重イオン加速器で Nb/Cu 共振器を初めて採用したのは INFN リニャーロ研究所の ALPI 加速器である. これは QWR であったため, HIE-ISOLDE
加速器の基本設計はこの加速器の実績を元にしていると言える.
以上のように Nb/Cu 共振器には大きな利点があり,
すでに運用実績が有り, しかも LEP や LHC 等の重大な物理実験に多大な貢献をしてきた. この技術をさらに発展させることも HIE-ISOLDE プロジェクトの目的の一つである.
3 メカニズムはまだ完全には解明されていないが, 恐らく結晶粒界面の影響だと考えられている.
4 バルクニオブ共振器も 32 台製造されたため, 合計で 288 台の共振器が使用された.

真空容器には純度の高いアルゴンガス 0.2 mbar が封入されている. 同軸状の共振器の内部・外部壁の中央にはニオブの円筒状カソードが置かれ, −1 kV の電圧がかけられる. カソードと共振器との間にはハニカム構造のグラウンドが設置され, 封入されたアルゴンガスを電場
によって電離させる. 共振器の電位は可変となっており,
アルゴンプラズマの形状を最適化している.
アルゴンイオンは正の電荷を帯びているためニオブカ
ソードに引きつけられ, その衝突エネルギーでもってニオブ原子を遊離させる. このエネルギーレベルで遊離されるのはニオブ原子でありイオンではない. そのニオブ原子は中性であるため電場の影響は受けず, プラズマとの多重散乱を繰り返しながら共振器壁に到達し, 銅表面をコーティングする.
この過程によって共振器は徐々に温まっていき, 620 度になった時点で一旦スパッタリングを中止し冷却にはいる. それ以上の温度では銅が軟化してしまうからである.
スパッタリングに 25 分, 冷却に 5 時間 35 分かかるため,
一層のコーティングに 6 時間を要する. 一連のスパッタリング及び冷却のサイクルを 14 回繰り返すことで目的の厚さのフィルムを実現する. よって HIE-ISOLDE のニオブ薄膜は正確には 14 層の多層構造をもったフィル
ムである.
スパッタリング前後の共振器の写真が図 8 である. このようにたった数 µm という材料の量としては極めて少ないニオブでバルクのニオブのような超伝導共振器

551を製造できるのがスパッタリングの強みである. HIE-を動作させることで決まっている. 低い電場における Q

ISOLDE の QWR 構造に対しては以上のスパッタリン

値は, このデータではフィルムがたまたまバルクを上回っ

グ法を採用したが, 例えば LHC のような楕円形状の場ているが, 共振器表面状態のランダムな影響が大きく場

合は磁場をかけてプラズマをサイクロトロン振動させる合による. 注目すべきは Q 値の勾配である. Nb/Cu 共

マグネトロンスパッタリングが適していることが知られ振器には Q-slope 問題と呼ばれる未解決問題があり [12],ている. この場合はより低いガス圧でも効率よくプラズ

バルクに比べ電場を上げると急激に Q 値が下がることがマを生成できる.

知られている. そのため LEP-II や LHC あるいは ALPI

Nbコーティング前

Nbコーティング後や HIE-ISOLDE のような, 共振器が大きく比較的低い加
速勾配のプロジェクトでは Nb/Cu 共振器は優れているが, 非常に高い加速勾配が絶対条件となる ILC 等の加速器には現状のままでは採用が難しい. そのため Q-slope
問題を理解し解決することが Nb/Cu 共振器開発におけQ0

る最大の課題となっている.

1011

図 8: Nb コーティングされた銅の共振器 [14].
図 9 は電子顕微鏡 (FIB-SEM) によるフィルムの断面図である. プラズマの分布やカソード形状を反映して,

1010

共振器の場所によってフィルムの厚みや結晶構造に差が生まれているのが分かる. 共振器全体で最低数 µm の厚みをもち, かつフィルムが剥がれないようなパラメタ最0

適化がプロジェクトに先行して行われた. これは超伝導

2

4

6

状態における磁場の侵入長 (およそ 40 nm) よりも十分
厚いフィルムが要求されるためである. 一つ一つのニオブ結晶サイズが小さいのも特徴である. これによりバル
クニオブにくらべ Nb/Cu 共振器は結晶粒界面が非常に多いといえる.
共振器上部

8

10

12 14 16
Eacc [MV/m]

図 10: TESLA 型加速空洞共振器 (ILC) の Q 値比較. 四角点はバルクニオブ, 丸点はフィルム. いずれも 1.3 GHz,2K [15].

共振器外壁下部2.3.1

超伝導体の表面抵抗

Q-slope を理解するためには超伝導加速空洞共振器の物理を正しく知る必要がある. Q 値は表面抵抗 Rs に反1.5 kV, EsB

1.85 kV, EsB

図 9: サンプル上のニオブフィルムの例 [14].

比例する量である. 低い電磁場の極限における表面抵

抗は Bardeen Cooper Schrieﬀer (BCS) 理論とその線形
応答 (摂動論) により 1950 年代には知られており, 近似
的に

Rs (T, ω) =

2.3

課題

=

RBCS (T, ω) + Rres"!
0
+ Rres
− k∆
BT

Aω 2
T exp

(2)
(3)

以上では Nb/Cu 共振器の利点と製造方法に関して概と与えられる [16]. 線形応答であるため電磁場の強度依観してきた. 良いことずくめのようだが, 実はバルクニ

存性 (非線形抵抗成分) は含まれていない. ここで第一

オブにはない問題を抱えていることが既に 80 年代から

項は BCS 抵抗と呼ばれ, 有限温度でクーパーペアが熱知られている.

励起して生じる常伝導準粒子の影響である. 印加された

図 10 はバルクと Nb/Cu 共振器の典型的な Q 値を加電磁場が直流ならば準粒子の影響はないが, 交流の場合

速勾配の関数としてプロットした実験データである [15].

はクーパーペアの有限インダクタンスを経由して準粒子最大加速勾配は電界放出による放射線がインターロック

が表面抵抗を担う. ω は電磁場の周波数, A は平均自由652

行程, コヒーレンス長, ロンドン侵入長といった超伝導体の物性によって決まる定数であり, ∆0 は超伝導ギャップである. 周波数の高い加速器では温度を下げる必要があることが分かる.

1. 結晶間トンネル効果 (Internal Tunnel Exchange;ITE) [21]2. ジョセフソン接合 [22]第二項 Rres は残留抵抗と呼ばれ, 温度依存性の小さいなどである. しかしそのいずれも実験値を満足に説明す

これは冷却時に束縛された磁束の影響など, より複雑な

値変化がほぼなく, ある程度の電磁場強度で急激に立ち

表面抵抗成分であり現在の BCS 理論では説明されない.

物理を含む. 既に述べた表面の状態によるランダムな効果というのは主にこの項の影響と考えられる.
以上は電磁場強度の弱い極限5 で成り立つ話であるが,現在でも高い電磁場では確立された表面抵抗の理論は存在せず, これが Q-slope 問題が未だに解決されていない
一つの要因であるといえる. なぜバルクでは比較的小さい電磁場依存性がフィルムでは大きいのか, というのは面白い問題である. いくつか理論的可能性が考えられる
ので節を分けて紹介しよう.

るには至っていない. これらのモデルは低電磁場で抵抗上がる表面抵抗を予言する. 高温超伝導体のような非常に細かい多結晶の場合には実験を良く説明するが, 加速器に用いられる比較的高いクオリティのニオブフィルムの Q-slope にはうまくフィットしない. Nb/Cu 共振器で観測される Q-slope は, 低磁場から電磁場強度の一乗から二乗に比例して抵抗が徐々に上昇するからである.

HIE-ISOLDE 加速空洞共振器の場合もコーティング
レシピの研究開発初期段階で Q 値が一桁低かった時代
は ITE モデルで上手く説明できたが, 最適化の行われた後ではこの効果は見えなくなっている. また, 小さいサ

2.3.2

ンプルを用いた研究でバルクと同等サイズまで結晶を成BCS 理論の拡張

Rres だけでなく RBCS も電磁場に依存して上昇することが分かっているため, これは線形応答を越える物理の存在を示唆している可能性がある. これは非平衡統計力学の分野に属する問題であり, 一般に非摂動論的計算は困難である. 従来, 現象論的に超伝導ギャップが電磁場の影響で狭まるため準粒子の熱励起が増え, 表面抵抗の上昇が予想されてきた [17].
近年になって摂動論の代わりに半古典近似を用いた手法を表面抵抗の計算に応用する手法が開発された [18].
その結果は驚くべきことに, 電磁場による表面抵抗の減少を予言する. 電子の状態密度が電磁場の影響で変化
し, 結果として抵抗値は下がることが指摘された. よって, BCS 理論の拡張は現状では Nb/Cu 共振器におけるQ-slope への説明を与えない. そのかわりに近年フェルミ研究所にて発見されたバルクのニオブに窒素をドープさせたときに生じる Q 値上昇 (anti-Q-slope) の理論として注目されている [19]. この新しい技術は実用化され,SLAC で建設中の自由電子レーザー LCLS-II の共振器

長させても Q-slope が消せないことが知られている. 以
上より, 現在のモデルでは Q-slope の説明は難しい.

2.3.4

熱的不安定性Nb/Cu 共振器は熱的にクエンチしないことがバルクに対する大きな利点であった. 実際, 実験的にも Nb/Cu
共振器では普通クエンチは観測されない. これは銅の高い熱伝導性に起因する. しかし, ニオブフィルムと銅の界面に問題がある場合, 熱伝導冷却が十分でない場合もありうる. その場合, 共振器全体が一度にクエンチすることはなくても, 局所的にクエンチした状態 (マイクロクエンチ) が起こりうる (図 11). 電磁場強度を上げてマイクロクエンチの面積が徐々に拡がれば, Q-slope を生じうる. このように, Nb/Cu は熱的クエンチ問題を解決したのではなくただ隠しているだけかもしれない. このモデルは 2016 年に R. Vaglio と V. Palmieri によって定式化された比較的新しいアイデアである [23].

に適用されている [20].

2.3.3

マイクロクエンチ

結晶構造の影響フィルム Nb の結晶構造はバルクに比べ細かいため多

超伝導Nb
フィルム

くの結晶粒界面が存在する. これが新たな Rres の原因になっている可能性があり, 様々なモデルが存在する. 例

を上げれば,
5 実際にはニオブの熱力学的臨界磁場 H

c = 200 mT に対して印加磁場が十分小さければそれなりの精度で摂動論が適用できると期待できる. HIE-ISOLDE 共振器の場合, 3 mT(300 kV/m) 程度の低電磁場領域では BCS 抵抗の電磁場強度依存性は無視できるほど小さい.
この領域の Q-slope は残留抵抗の影響が主である.

銅基板<< 1mm
図 11: マイクロクエンチモデル

7
53の結果は良好であり, 縦型クライオスタット試験では全

HIE-ISOLDE の Q-slope はこのモデルにより解析され [24], Q-slope の温度依存性を説明し, さらに他の共振

HIE-ISOLDE 共振器中最高の Q 値を示した (図 13). こ器 (Quadrapole resonator) では周波数依存性も良く説の共振器は来年第四クライオモジュールに設置され物理明することが分かっている [25]. もしこの仮説が正しいランを担う予定である. ただし Q-slope は小さくはなっのであれば, スパッタリング前に銅表面の状態を改善さたが依然として存在する. 共振器表面積は大きいため,せたり, 熱伝導を上昇させるバッファー層のコーティン

溶接以外の箇所の不完全なフィルムの張り付きを完全にグなどが解決策となるだろう. 特に溶接の有無が影響を制御することが今後の課題である.

与えている可能性があるため, HIE-ISOLDE プロジェク
トでは次節のように溶接なしの共振器を新たに開発した.

2.3.5

Q0

溶接の影響

0

10

20

Bpeak [mT]
40 50 6030

削りだし共振器

現在のクライオモジュールに設置されている QWR

10(shrink fit) の後に電子ビーム溶接によって接合されている. この溶接時の熱の影響を受けて再結晶化した銅表

設計値

面 (Heat aﬀected zone) において, 銅結晶粒界面に小さ

溶接共振器

な亀裂が生ずることがある (図 12). マイクロクエンチモ
デルによれば, この上にコーティングされたニオブフィ

1080

ルムは Q-slope を生ずる可能性がある.

7W

10W

1

2

3

4

5

6
Eacc [MV/m]

イオモジュール内部ではなく専用の縦型クライオスタットで測定されたもの.

今後の展望
以上のように Q-slope 問題はさかんに研究されているが, まだバルクニオブと最大加速勾配で競合するための糸口はつかめていない. しかし現状の Nb/Cu 共振器でもバルクニオブとはある種相補的な「売り」をもつため,
図 12: 溶接痕に発生した亀裂 [8].
溶接時における亀裂の発生条件は, 材料の機械的・熱的・化学的処理の履歴によるため非常にナイーブな問題であり, 完全な理解には至っていない. 例え亀裂を生じなくとも溶接痕の表面には微細な凹凸があるためフィルムにストレスを与える. また, HIE-ISOLDE は図 6 のよ
うに熱伝導冷却で内部から外部を間接的に冷やすが, その熱伝導率も溶接に強く左右される.
このような状況から, 我々は 2016 年から新たに銅ビレットを削り出して溶接を廃した新しい QWR の開発を行った [26]. 削りだしは一般に材料が多くかかるが,HIE-ISOLDE 共振器の場合はそもそも内部・外部部品

プロジェクトの性質によっては採用が考えられる. 最大到達エネルギーへの要求が必須でない場合には, 主に経済的な理由から Nb/Cu は優位性を持つ. 例えば

1. コンパクトなスペースで安価に粒子を加速したい
2. 加速器に関わらず超伝導空洞共振器の高い Q 値 (109以上) を利用したいなどの場合である. 前者は HIE-ISOLDE のような重イオン加速器が代表的である. 後者に関しては例えば未知粒子探索への応用などが考えられる6 .
もうひとつ考えられる利点として

3. 機械的に複雑な形状の超伝導体が作れる可能性を削り出しているため材料費は増えない. 溶接過程をスキップしたため, 結果的に全体として 25%ほど安価に製作することが出来た. 共振器のパフォーマンス試験

6 ただしニオブは 200 mT の磁場で超伝導破壊が起こるので強静磁場下のアクシオン探索などには使えない

QS11.1
QS12.1
QS13.1
QS14.1
QS15.1
QS16.1
QS20.1
QS19.1
QS17.2
QS22.1
QS23.1
QSS1.1
nominal13W

図 13: 削りだし共振器の試験結果 [26]. 図 5 と違いクラ

3

QP3.2
QS1.1
QS2.3
QS3.1
QS4.1
QS5.2
QS7.2
QS8.1
QS10.19は同軸形状の内部・外部を独立に削り出し, 締まりばめ

QP2.1

8
54

が挙げられる [27]. 必要な電磁場構造の要求によっては,るため, 特に冷却時の熱電効果に関して Nb/Cu 研究のバルクのニオブでは機械的に製作が難しかったり, 冷却

知見が役に立つと考えられる.
バルクのニオブを基板に使用した場合, 例え Nb3 Sn でが困難な形状が必要になることがある. Nb/Cu はフィルムであるから原理的には色々な形状に対応でき, かつ非常に高い Q 値を実現できても材料価格の問題は解決

冷却は銅が担当するので問題がない. しかしそのためにできない. そこで銅の上に Nb3 Sn のフィルムをコーティ

はスパッタリング時のプラズマ形状の最適化という非自ングする研究も行われている. 単一ニオブをコーティン

明な問題があるため, 必要に応じて R&D を行う必要のグする Nb/Cu とは異なり, 銅表面上に一様に合金結晶ある面白い課題である.

を生成するレシピの実現は大きな課題である. CERN に大規模プロジェクトに関する Nb/Cu 技術の利用や,

Nb/Cu 以外のフィルムも研究されているので以下に紹

おいては Nb3 Sn/Cu のサンプルを用いたコーティング
パラメタの最適化がおこなわれている [30].

介しよう.

3.1

FCC への Nb/Cu 導入可能性

Future Circular Collider (FCC) 計画とは, LHC を越える全長 100 km のシンクロトロンをジュネーブ地下に作ろうという壮大な計画である. 電子陽電子コライダー(TLEP) ではヒッグスの精密測定を行い, 100 TeV 巨大
ハドロンコライダーで未知粒子探索を行う. LEP-II や

LHC で Nb/Cu 共振器が使用されていることからも明らかなように, このような巨大コライダーの加速空洞共振器に Nb/Cu 技術が採用される可能性がある.
具体的には現状で加速器周波数に 2 オプションがある [28].

1. 800 MHz, 2.0 K
2. 400 MHz, 4.5 K
これは 400 MHz で運用されている LHC を前段加速器として用いる際の必要条件である. 前者の場合はスウェー
デンの European Spallation Source (ESS) で開発されている 704 MHz のバルクニオブ共振器の技術を応用することになる. 周波数が高いため BCS 抵抗が大きく, 超流動ヘリウムによる 2.0 K への冷却が基本的に不可欠である.
後者では LHC と同じく巨大な加速空洞共振器になるためバルクでは大量生産が困難であり, Nb/Cu 共振器
が最も現実的な解となる. 目指す物理によって要求される加速勾配が異なるが, Q-slope 問題の解決ができればNb/Cu 採用の決定打となるだろう.

3.2

Nb/Cu 以外のフィルム

薄膜超伝導はなにもニオブだけではない. より転移温

4

最後にCERN における原子核実験のアップグレード計画である HIE-ISOLDE 線形超伝導加速器について概観した.
特に CERN で開発運用中の薄膜超伝導加速空洞共振器
は目的によっては有用な技術であることを指摘した. 未解決の Q-slope 問題に関する研究, およびさらに将来に向けた研究も紹介した. Nb/Cu 共振器の応用先が増えることを願ってやまない.

謝辞
この記事は以下の方々との共同研究によるものです.
まず私のスーパーバイザーであり HIE-ISOLDE プロジェ
クト副リーダーでもある Walter Venturini Delsolaro 氏には特別のご支援をいただきました. ISOLDE に関して Maria Jose Garcia Borge 氏, HIE-ISOLDE に関して Yacine Kadi 氏, Nb/Cu 共振器に関して Sarah Aull氏, 無溶接共振器に関して Silvia Teixeira Lopez 氏, HIE-ISOLDE 共振器のスパッタリングに関して Alban Sublet
氏, 新しいコーティングに関しては Guillaume Rosaz 氏との有益な議論に感謝します. この他にも ISOLDE コ
ラボレーション, HIE-ISOLDE コラボレーション, およ
び CERN の BE-RF グループ, TE デパートメント, EN
デパートメント等々非常に多くの皆様に支えられたプロジェクトです. この場を借りてお礼申し上げます.

参考文献[1] M. Borge and Y. Kadi, ”ISOLDE at CERN”,
Nuclear Physics News 26, 4 (2016).

度や転移磁場の高い Nb3 Sn フィルムがブレイクスルー[2] K. Blaum, et al., J. Phys. B 36, 921 (2003).

てバルクのニオブの上に Nb3 Sn を形成する研究が進ん[3] J. C. Hardy and I. S. Towner, Phys. Rev. C 91,
025501 (2015).

を産むことが期待されている. 現在 Cornell 大学においでいる [29]. ここでは二種の異なる金属の界面が存在す

955[4] S. Eliseev, et al., Phys. Rev. Lett. 115, 062501(2015).
[5] A. Faessler et al., Phys. Rev. C 91, 045505(2015).
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