THE DESIGN OF N-TYPE FEEDTHROUGH FOR HOM COUPLER FOR
cERL INJECTOR CAVITY
Ken Watanabe #,A), Eiji KakoA), Shuichi NoguchiA), Toshio ShishidoA)
A)
High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract
The injector cryomodule for cERL is under developing at KEK. This cryomodule with three L-band 2-cell cavities
was constructed at June 2012. Three 2-cell cavities with five HOM couplers were fabricated at May 2011. The verticaltests of these cavities were made from June 2011 to Mar 2012, and the rf feedthoughs with high thermal conductivity
for HOM coupler were also developed to achieve 12.5 MV/m operation at CW in cryomodule. The results of vertical
test of the 2-cell cavities with feedthrough of HOM coupler will be reported in this report.

cERL 入射器空洞 HOM coupler 用高熱伝導 N 型フィードスルーの開発
1.

体との接合方式の変更である。高周波窓の材料とRF 設計は変更していない。フィードスルーの耐電圧試験は実機空洞 3 台のたて測定と同時に行った。
本報告では、その試験結果について報告する。

はじめに

KEK で開発が進められている cERL 入射器用超伝導加速空洞システムは 2 セル空洞が 3 台納められたクライオモジュールを用いて、電子銃で生成した
HOM coupler とフィードスルーの構成
10 ｍＡの CW ビームを 5 MeV 程度まで加速する[1]。 2.
HOM coupler の構成を図１、フィードスルーの構空洞あたりの加速電界は 7.5-12.5 MV/m となり、必要とする入力パワーは~30 kW となる。運転周波数 成を図２に示す。また、フィードスルーの材料構成
は 1300MHz、運転モードは CW、運転温度は 2K で を表１にまとめる。
ある。入射器空洞の高次モード減衰器（以下、HOM coupler）は TESLA style の同軸型 HOM couplerを採用したことからクライオモジュール運転時のHOM coupler 周りの発熱を抑制することが課題となっていた。加速モード励振時における発熱箇所はHOM coupler 自身と HOM パワー取り出しのためのフィードスルーである。HOM coupler については
TESLA-like 空洞の HOM coupler をベースに RF 設計を行っており、内導体に High Pass filter、突起を設けることで HOM coupler 全体に流れる表面電流値を1/2 まで低減させ、RF 損失を 1/4 とした[2]。両ビームパイプに計 5 機の改良型 HOM coupler を装着したプロトタイプ空洞および実機空洞のたて測定の結果、2011 年 6 月の段階で目標値である運転電界 12.5MV/m で問題となる発熱箇所は HOM パワーの取り出しに用いているフィードスルーに絞られるに到った[3]。
これまで使用してきたフィードスルーはパルス運転で使用されてきたものであり、アルミナ製高周波窓 を 用 い た N 型 フ ィ ー ド ス ル ー （ Kyocera N-Rtype）である。内導体および外導体を構成する材料
は Kovar、ニオブ製アンテナと内導体の接合方法は螺子式である。フィードスルーの発熱を抑制するためには、伝熱特性を向上させる必要がある。改良の方針は、内導体、外導体に伝熱特性の良いかつ非磁性の材料を使用すること、ニオブ製アンテナと内導図１：HOM coupler

図２：フィードスルーの構成- 1196 -表１：フィードスルーの材料構成
Type
Type 0NormalType 0ModifyType 1

Innerconductor
Kovar
Kovar
Mo

Type 2Mo

Type 2ModifyMo

Outer
Conductor
1:Kovar
2:Kovar
1:Kovar
2:Kovar
1:Kovar
2:Kovar
1:Cu
2:SUS316L
1:Cu
2:SUS316L

Connection(Space)Screw(vacuum)Screw(In block)Brazing(vacuum)
Brazing(vacuum)
Brazing(vacuum)

Pin
Type
FemaleFemaleFemale去も必要であることが試験中に判明した。最終的には下記の手順で製作後のフィードスルーの手入れおよび表面処理を行った。機械研磨により接合部から染み出したロウ材の除去とニオブアンテナ部の鏡面化を機械研磨にて行う。その後、ニオブアンテナ部全体に対して化学研磨（5 分間）を行う。化学研磨後、脱脂剤（FM-20）を用いた物理洗浄および超音波洗浄を行い、組み立てまでクリーンルーム内で保管する。

FemaleMale

Type 0 Normal は TESLA-like 空洞（パルス運転）で使用されていたものであり、ニオブ製アンテナを内導体に螺子で接続する方式である。このため、フィードスルーとニオブ製アンテナを個別に表面処理・洗浄を行うことができる（図 3）[4]。Type 0Modify は内導体とニオブ製アンテナの接合部の隙間をインジウムブロックで埋め、伝熱特性の改善を図ったものである。Type 1 は内導体を Mo に、接合方法をロウ付けに変更したものである。Type 2 は内導体を Mo、接合方法をロウ付け、高周波窓と接している部分の外導体を無酸素銅、N コネクタ部をSUS316L としている。Type 2 の N コネクタ部をオスピンにしたものを Type 2 Modify と呼んでいる。
表 2 に常温と 4.2K における各材料の熱伝導率をまとめる。図 4 に製作したフィードスルーを示す。また、RF ケーブルを接続して、たて測定を行ったと
ころ、Mo 製のメスピンの勘合部に図 5 のような破損が見られた。これは製作したすべてのフィードスルーに見られたため、最終的にはフィードスルーのタイプをオスピンとした。RF ケーブルとの接続はリバースタイプの L-adapter を用いて対応する。

図３：Type 0 Normal と Type 0 Modify(a) Type 1 と Type 2

表２：各材料の熱伝導率[5]材料
銅SUS316L
Kovar
ニオブモリブテン
アルミナ

3.

熱伝導率 [W/(m・K)]
常温
4.2 K
401
840
16.7
0.26
17No data
53.72713866
24 - 32
No data(b) Type 2 Modify
図４：製作したフィードスルー

フィードスルーの表面処理

フィードスルーの表面処理方法を以下にまとめる。
フィードスルーのニオブアンテナ部は表面の細かい傷および製作時（ロウ付け、フランジ溶接時）に表面に付着した異物を除去する必要がある。また、内導体全体の表皮抵抗を最小にするために、内導体とニオブアンテナの接合部から染み出したロウ材の除- 1197 -図５：メスピンの勘合部の破損

使用できるとは言い難い。このような場合、
CHECIA[7]のような試験設備を用いるべきであるが、HOM coupler とフィードスルーの耐電圧特性およ 現状、KEK はそのようなシステムを所持していなびフィードスルーの耐電力特性を評価するために、 い。これゆえ、たて測定のセットアップで、できる実機 3 空洞（＃3、＃4、＃5）およびプロトタイプ 限り実機の運転に近い状態を作り出す工夫を行い、空洞（＃2）を含めた計 4 空洞を用いて、計 8 回の その状態で耐電圧特性を調べることが必要であると考える。図 7 に耐電圧特性測定時のセットアップをたて測定を 2010 年から 2012 年にかけて行った。
示す。ヘリウムの液面とガスのフローレートをモニ4.1 空洞の表面処理、空洞補修、チューニングター・制御することで、上側のビームパイプおよび空洞は製作後、バルク EP（Electro polish：研磨量 2 機の HOM coupler（フィードスルー、接続されて105 µm）、アニール、周波数調整、最終 EP（5～30 いる RF cable）のみをヘリウム液面から出し、そのµm）、リンス工程、組み立て、ベーキング（100～ 状態で維持可能な電界強度を測定した。この際、冷120℃、48 時間）、たて測定の順で試験した。また、 却系のバルブを微調整することでクライオスタット
製作後からの各工程間には空洞内面の光学検査を 中の圧力（3kPa）を維持し、かつ、フローレートを3行っており、空洞性能を制限するような幾何学的欠 出来る限り最小（10 m /hour 以下）とし、気体分子陥が発見された場合、その都度、局所機械研磨によ による対流の影響を極力抑えた。また、フィードスる補修が行われる。補修の際、補修箇所は鏡面仕上 ルーと HOM coupler の外導体には銅製サーマルアンげとし、洗浄後、最終 EP のみでたて測定という工 カーを設置しており、2K ヘリウムから直接取って程を採用している[6]。空洞補修は＃3 空洞の赤道部 いる。なお、フィードスルーに設置したサーマルア
2＃4 空洞のアイリス・ビームパイプ部の溶接欠陥に ンカーのブレード線の断面積は 60 mm である。
HOM coupler とフィードスルーの発熱は外面に設ついて行った。＃3、＃4、＃5 空洞の周波数調整に置した温度センサーとHOM coupler の Qext の変化
ついては、クライオモジュールへインストールされ、から検出した。He中ではフィードスルーの発熱をビーム加速に使用されるため、2K（真空）の状態で 1299.5MHz±0.1MHz となるように調整している。 外面の温度変化から検出することは難しく、この場また、たて測定時には HOM coupler にフィードス 合、Qext の変化を常時モニターすることでクエンチルーを取り付けて行うため、Notch filter の加速モー したフィードスルーを特定することができる。
測定の手順としては、2K へ冷却後、ドに対するチューニングを取る必要がある。チュー① He 中にて維持可能な最大電界を測定する。
ニングは空洞をたて測定用スタンドへ移動、取り付（TM010-π、TM010-π/2）け後に行った。常温（真空）における加速モードの②維持可能な最大電界をキープした状態でヘ周波数（1297.3 MHz）に対して、透過電力が最小にリウムの液面を下げていく。
なるように調整した。図 6 に調整方法を示す。
③ He 外にて維持可能な最大電界を測定する。
である。

耐電圧・耐電力特性の測定

4.

図６：加速モードに対する HOM coupler の調整
4.2

たて測定のセットアップ

HOM coupler とビームパイプはヘリウムジャケットの外側にあるため、クライオモジュール運転状態
では、サーマルアンカーによる伝熱のみで冷却される。一方、たて測定では加速空洞の周辺は 2K の超流動ヘリウムで満たされており、この場合、クライオモジュール運転状態に対して冷却条件が良い。したがって、たて測定（完全に He に浸った状態）で目標電界である 12.5 MV/m 以上を達成しても実機に- 1198 -図７：たて測定のセットアップ

表３：たて測定および耐電圧特性の測定結果
Test

Feedthrough#2 cavity 4thOct/14/2010

Type 0(Normal)

1813
Quench at feedthrough#3 cavity 1stJune/08/2011#4 cavity 1st20/Sep/2011

Type 0(Modify)
Type 1

30.3

25
Quench at feedthrough
5Quench at feedthrough#5 cavity 1st04/Oct/2011

Type 1(ImprovedSurface treatment)
Type 1(Removea brazingmaterial)
Type 216.5

12Quench at feedthrough

20.5

>33.4

7.5
Quench at feedthrough(Reduce a area ofthermal anchor)
31.9
Quench at HOM body

#5 cavity 2ndNov/29/2011

Type 2>30.6

28.2
Quench at HOM body

#2 cavity 5thMar/06/2012

Type 2(Male pin)

>50.4

Not Meas.

#4 cavity 3rdDec/13/2011#3 cavity 2ndNov/01/2011

4.3

Eacc [MV/ｍ]
Sustainable field at CW
InsideOutside
Liq. He
Liq. He

12

測定結果

たて測定の結果を表 3 に、空洞パラメータを表４に示す。図 8 に各タイプの Qo-Eacc カーブを示す。
試験は Type 0 から始まり、Type 1 を用いてフィードスルーの表面処理の条件だし、Type 2 の試験の順で行った。残留抵抗値の約 20 nano-ohm 分はビームパイプの SUS 端板の影響によるものである。
Type 0 Modify では簡単な工夫であったが、耐電圧、リカバリー時間に大きな改善が見られた。
Type 1 における初めの 2 回の試験では、ロウ材の除去およびニオブ面に対する機械研磨を行わず化学研磨のみで対応した。1 回目は表面電流負荷の大きいニオブ製アンテナ先端のみ、2 回目はニオブ表面全体を化学研磨した。3 回目は、内導体接合部のロウ材の除去およびニオブ表面の機械研磨後に化学研磨を行った。ニオブ表面の処理領域、ロウ材の除去などにより、残留抵抗（Rres）および耐電圧特性に改善が見られた。これからニオブアンテナの表面状態も残留抵抗に大きく寄与することが分かる。リカ
バリー時間については、表面処理方法に依存せずに一定であった。内導体の材料変更に伴い、飛躍的に改善した。
Type 2 では、Type 1 の 3 回目に行った表面処理方法を用いてフィードスルーの準備を行った。3 回行ったいずれの試験でも、30 MV/m を超える電界強度においてフィードスルーのクエンチは観測されなかった。また、ヘリウム液面から出た状態では、
HOM coupler の外導体の温度上昇により 30 MV/m

Eacc Max[MV/m](F.E. onset)
Cause oflimitation
42.6 (31)Quench at
feedthrough30.3 (26)
Quench by defect20.3 (No F.E.)
Quench at
feedthrough28.8 (28)
Quench at
feedthrough26.7 (No F.E.)
Quench at
feedthroughRres[nanoOhm]

Recovery timeafter quench
at feedthroughin Liq He

38.0~ 15 min31.1~ 2 min47.8~ 20 sec

40.0~ 20 sec

34.4~ 20 sec

33.4 (26)
Quench: Self
pulse
30.6 (21)Quench: Self
pulse
50.4 (50)Without quench.
RF power limit.

34.6

Unknown
No quench at
Max field
Unknown
No quench at
Max fieldUnknown
No quench at
Max field

36.627.4付近で性能が制限された。#2 空洞を用いた測定では、電界強度 50 MV/m を達成し、かつ、最大電界においてフィードスルーのクエンチは観測されなかった。このとき、フィードスルーのニオブ製アン
テナ先端に流れる表面電流値は約 7000 A/m である
ことが計算より見積もられ、（15MV/m のとき約2000 A/m）。Type 2 へ改良したことにより少なくとも 8.5 倍程度冷却能力が改善されたことになる。また、電界強度 50.4 MV/m のときにセル赤道部に発生した磁界強度は空洞パラメータから評価すると2127 Qe である。

- 1199 -図８：Qo-Eacc カーブ

表４：空洞パラメータ[8]Frequency
R/Q
G
Esp/Eacc
Hsp/Eacc [Qe/MV/m]
K (coupling)
L (effect.)
Iris diameter
BP diameter
Other

表７：実機空洞 3 台の最終状態

cERL 2-cell cavity (KEK)
1300 MHz
204.0
287.8
2.25
42.2
1.94
0.23 m/cavity
70 mm
88 mm
赤道部の磁場強度
50 MV/m -> 2110 OeCavity#3#4#5

Frequency (at 2K)(Field flatness)
1299.533 MHz(90.3 %)
1299.517 MHz(99.4 %)
1299.427 MHz(96.9 %)

Eacc Max[MV/m]
33.4

F.E. onset[MV/m]
26

26.7

No emission
at Max field
2130.6

表 7 にクライオモジュールへインストールする前の空洞の最終状態をまとめる。いずれの空洞も目標電界である 12.5 MV/m をフィールドエミッション無しで達成している。たて測定時に装着したフィードスルーはいずれもメスピンであることから、連結化の作業時に Type 2 Modify へすべて交換した。

一方、フィードスルーに掛かる負荷は加速モードの電圧負荷に加え、ビーム通過時に誘起されたHOM パワー取り出しによる RF 損失の負荷も加わる。耐電力特性はパスバンドモードを使用すること まとめ・今後の予定で行える。HOM coupler の Notch filter のバンド幅は2012 年 6 月にクライオモジュールが完成し、冷凍約 5MHz ある。パスバンドである TM010-π/2 の周波 機との接続後の 2012 年 12 月に High Power 試験を数はπモードに対して 13 MHz 低いことから、HOM 予定している。クライオモジュール状態で行われる
coupler のπ/2 に対する Qext は、空洞の Qo とほぼ High Power 試験の結果から、今回試みた、たて測定同じ 1010 台となる。これより電圧負荷に加え、数 環境化における耐電圧・耐電力特性の評価方法の正Watt から数十 Watt の電力が HOM coupler から出力 当性および誤差が分かる。High Power 試験の結果にされることになり、これを利用して耐電力特性を評 期待したい。
価できる。クエンチ箇所は耐電圧試験のときと同じように Qext の変化から同定した。表 5 にパスバンドに対する Qext と HOM coupler からの出力電力の 参考文献差をまとめる。表 6 に耐電力試験の結果をまとめる。
Type 2 では 1 本あたり 13 Watt（25MV/m の電界負 [1] S. Sakanaka, et al., “Status of ERL and cERL projects in荷）の透過電力まで耐えられることが分かった。
Japan”, proceedings of Linac10 in Tsukuba Japan,
表５：パスバンドに対する Qext と透過電力の変化（例）

Frequency
Monitor Qext
Pout: 20 or 30 MV/m
HOM1 Qext
Pout: 20 or 30 MV/m
HOM2 Qext
Pout: 20 or 30 MV/m
HOM3 Qext
Pout: 20 or 30 MV/m
HOM4 Qext
Pout: 20 or 30 MV/m
HOM5 Qext
Pout: 20 or 30 MV/m

TM010-πAt 30 MV/m
1299.956
MHz
3.8 x 1011
0.623 [W]7.2 x 1011
0.318 [W]1.7 x 1013
0.013 [W]5.8 x 1013
0.004 [W]2.2 x 1012
0.010 [W]3.8 x 1014
0.0005 [W]TM010-π/2
At 20 MV/m
1286.963
MHz
2.5 x 1011
0.425 [W]1.2 x 1010
8.21 [W]2.9 x 1010
3.57 [W]1.9 x 1010
5.57 [W]2.1 x 1010
4.88 [W]1.5 x 1010
7.08 [W]September, 12-17, 2010, TUP004.
[2] K. Watanabe, et al., “New HOM coupler Design for ERL
Injector at KEK”, Proceedings of 13-th SRF Workshop,
Peking University, Beijing, China, (2007).
[3] K. Watanabe, et al., “Status of Development of the cERL
superconducting Injector Linac”, proceedings of Linac10 in
Tsukuba Japan, September, 12-17, 2010, TUP005.
[4] “NEW HOM COUPLER DESIGN FOR ILC
SUPERCONDUCTINGCAVITY”,
NUCLEAR
INSTRUMENTS AND METHODS IN PHYSICSRESEARCH, K. Watanabe, et al., Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A 595 (2008) 299–311[5] 理科年表、真空ハンドブック、低温ハンドブック[6] K. Watanabe, et al., “Cavity Inspection and Repair
Techniques”, proceedings of SRF2011 in Chicago USA,July, 25-29, 2011, WEIOB02.
[7] A. Matheisen, et al., “Activities on RF Superconductivity
at DESY”, proceedings of the 1995 Workshop on RF
Superconductivity, Gif-sur-Yvette, France, srf95a06.
[8] http://ccdb4fs.kek.jp/tiff/2007/0724/0724007.pdf

表６：パスバンド測定の結果（耐電力特性）
FeedthroughType 0 Normal
Type 0 Modify
Type 2Eacc, Output power /feedthrough (In liq. He)
11 MV/m, 3 [W]
20 MV/m, 8 [W]
25 MV/m, 13 [W]- 1200 -