1,HITACHI is developing 9-cell superconducting cavity for ILC (International Linear Collider) project in collaboration
with KEK. Hitachi’s first cavity without HOM couplers was completed in April 2010, which achieved an accelerating
gradient of 35.2 MV/m in its vertical test at KEK. We have undertaken a second cavity with HOM couplers sinceJanuary 2011, which completed in February 2012. Performance tests (Vertical tests) and surface treatments of thesuperconducting cavity were done at KEK and the accelerating gradient reached 40.9MV/m. This paper describes thestatus of the second cavity briefly.

日立製作所における９セル超伝導加速空洞の開発状況
はじめに計画に向けて国際協力の下、が進められている。日立では計画に対して、クライオスタット開発 と超伝導加速空洞開発に取り組んでいる。本論文では後者の超伝導加速空洞開発について述べる。
日立は年より高エネルギー加速器研究機構の協力の下、超伝導加速空洞開発に着手し、年 月にカプラ無しの号機が完成した。
での表面処理、性能試
験の結果、加速電界を達成した 。この結果を踏まえ、
年 月よりカプラ付きの号機の開発に着手し、年 月に完成、加速電界を達成した。
号機開発の目的は号機で明らかになった製造技術課題を解決する、カプラ付き空洞の製造技術を獲得することである。特に前者は最も性能に寄与する赤道溶接の安定化、後者は新規開発品であるカプラ製作に注力した。本論文では上記目的に対する開発内容と 号機の性能試験結果について報告する。

ンドグループにカプラを取り付けた形状とした。ここでカプラとは加速電子によって空洞内に励起される高次モードを空洞外に取り出すための装置である。
空洞本体の材料は高純度ニオブで、フランジは強度を考慮しニオブチタン、ベースプレートはチタンである。空洞本体は全部品が電子ビーム溶接で接合される溶接構造体である。特に赤道部とアイリス部の溶接品質は空洞性能に寄与するため、空洞開発における重要な開発要素である。その他開発要素として、非鉄金属の塑性加工・機械加工技術や化学研磨処理技術、バーリング加工技術等が挙げられる。
本開発空洞の主な仕様を表 に示す。

開発空洞形状

図 1: HOM カプラ付き 9 セル超伝導加速空洞
表 ： 号機空洞の基本仕様

号機の概略形状を図 に示す。 個のセルと両端のビームパイプ、空洞ジャケットを取り付けるベースプレート等で構成される。セルのアイリス部
くびれ部 には機械的強度を補償するためにスティフナーという強め輪を用いる。セル形状は 号機と同様、ベースライン空洞を採用した。また、本開発では 号機開発の次ステップとして、端部のエ- 1165 -項目
材料全長
赤道径
アイリス径

単位仕様

号機開発内容

0.30

1号機裏ビード形状

赤道溶接の安定化

0.25
裏ビード高さ [mm]号機開発で特に注力した 赤道溶接の安定化、カプラ製作の 点について以下報告する。

0.20

2号機裏ビード形状
ドイツ製空洞裏ビード形状(DESY)

0.15

空洞製作において赤道部の溶接品質は空洞性能に0.10寄与する重要な開発要素である。特に空洞内面側と0.05なる裏ビードが重要で、スパッタがないこと、幾何0.00
学的に滑らかであることが要求される。 号機開発
2345678910
ではのビード形状評価により、実績のある他-0.05
位置 [mm]空洞と同等レベルであることを確認した。 号機性能試験ではという高加速勾配ではあるが、図 3: 赤道裏ビード形状比較
赤道溶接部欠陥が原因でクエンチしたため、赤道溶接の改善が必要である。そこで号機で見られた不安定領域 溶接開始・終了部のビード乱れ の無い
カプラ製作
溶接条件、
号機より滑らかで裏ビード高さの低号機では空洞両端のビームパイプにカプい溶接条件を得ることを目標に検討試作した。
ラと呼ばれる高次モード高周波減衰機構を取り付け空洞は酸化防止のため真空中での溶接が必要であた。
カプラは基本モード 加速モード を外部り、且つニオブが高融点℃ であることから、に取り出すことなく、高次モードのみを外部に取り全部品を電子ビーム溶接で接合する。
出すノッチ特性を備えている 。
は一般にビーム電流や加速電圧、 値 対物距離とカプラの概略形状を図 に示す。
カプ
焦点距離の比 、溶接速度等をパラメータとし、目ラはニオブ材で構成され、内外導体からなる同軸管的とする溶接状態を得る。本試作においても、上記形状であり全部品をで接合する。製作上の課
複数のパラメータを 号機での条件をベースに調整
題は 内外導体の、 ピックアップポート部した。
装置は一般に低電圧型と高電圧のバーリングである。前者は単品性能であるノッチ型に分けられるが、本試作では前者を使用周波数に寄与し、内導体の傾きを抑制した溶接が要した。試作は平板ビードオン、実形状試作と段階的求される。後者はパイプ形状から小径で且つ斜め方に進め、徐々に溶接パラメータを絞る手順とした。
向にバーリング加工する必要がある。
本試作で得られた赤道裏ビードの典型例を図 に
図 に試作したカプラを示す。溶接後の内示す。比較のため 号機の赤道裏ビードを併記した。
導体に傾きは見られず、またピックアップポート部で開発した光学カメラによりビードを観察しのバーリング部も滑らかに加工できた。両者とも製た結果、本試作で得られたビードは全周に亘り均一作条件だけでなく、冶工具の検討が重要である。
幅で、不安定部が無いことが確認できた。更に定量
表 にで実施したカプラのノッチ周的評価を行うため、ビードのレプリカを作成し波数測定結果を示す。試作材も含め つ製作し、バフォームトレーサによる形状解析を行った。その結ラツキが内と再現良く製作できており、設計果を図 に示す。実績のあるドイツ電子シンクロト
ノッチ周波数に対し、調整可能範囲内
ロン研究所で開発された空洞の裏ビード形±であることを確認した。
状も合わせて示した。 号機裏ビードは幅、高さに対し、 号機では幅、高さとなり、ビード高さを低下させることができた。 号機製作ではこの不安定領域が無く、裏ビード高さの低い溶接条件を赤道部に適用した。
号機

号機

図 4: HOM カプラ概略図

図 2: 赤道裏ビード形状比較- 1166 -図 5: HOM カプラ(左図;溶接前、右図;溶接後)
図 6: 9 セル超伝導加速空洞試作 2 号機

表 ：ノッチ周波数測定結果
ノッチ周波数 (MHz)No.1

1294.686

No.2

1290.435

No.3

1290.935

1011

2号機のQ-Eカーブ比較

1010

無負荷Q値(Q0)

製作 No.

109

性能試験結果

1回目の測定[1.51-1.68K]
2回目の測定[1.15-1.51K]
ILC Spec.[35MV/m,8×10^9]108
号機は
年 月に完成し、 月から 月まで
01020304050にて表面処理と性能試験を実施した。完成し加速電界(Eacc) [MV/m]
た 号機空洞を図 に示す。
図 7:2 号機の Q-E カーブ
超伝導空洞は空洞内面が滑らかで清浄に保たれている必要がある。性能試験前には、空洞内面を鏡面にするための電解研磨や各セル間の電場均一性まとめを確保するためのプリチューニング等、いくつかの工程を経て性能試験を実施した。超伝導空洞の性能
超伝導加速空洞 号機開発の概要を説明した。
は、カーブという特性で評価される。 は空洞

号機の製造技術課題である赤道溶接の安定化の無負荷 値
で、 は空洞の加速電界を表試作を行い、号機と比較し裏ビード高さをわす。
低下させた。また、カプラ試作でバ性能試験結果を図 に示す。 回目の測定では、ラツキ
ノッチ周波数程度の尐ない製作
最大加速電界以上、 値×となり、技術を確立した。
加速電界としては仕様×カプラ付き セル超伝導加速空洞の製作を満足したが、 値は未達成であった。空洞内技術を確立した。完成した
号機空洞の性能面のアイリス傷が原因で放射線が発生し値の低試験を実施し、最大加速電界、 値下が見られ、空洞の性能限界が判明しない結果と×という結果を得た。
なった。そこで、アイリス傷をスポンジ研磨材により研磨処理し、再度測定した。
謝辞
回目の測定では、最大加速電界、本開発を行う上でリニアコライダー計画推進室長
値×となった。加速電界がの時の機械工学センターの上野健二氏、値は×となり、加速電界、 値とも仕 の山本明氏、井上均氏、安島泰雄氏、渡邉勇一氏をはじめ多くの様 を満足した。研磨処理の効果が大きく、加速電方に、ご指導と貴重なご助言を頂きました。ここに界がを超えても放射線は発生しなかった。
感謝の意を表わします。
以上の性能試験結果より、開発目的としていた号機で明らかになった製造技術課題解決及び、カプラ付きの空洞製造技術獲得を達成できた。
参考文献
今後の課題は、工数の尐ない簡略化した製造技術の確立、ジャケットの取り付いた空洞の製造技術確立が挙げられる。

渡邉謙
る研究

- 1167 -超伝導
セル加速空胴の高次モードに関す
博士論文
年度