Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP014

金属磁性体コア (FT3L) を用いた RF 空胴の開発 (2015)
DEVELOPMENT OF THE RF CAVITY WITH FT3L MA CORES (2015)長谷川 豪志 ∗A) 、大森 千広 A) 、戸田 信 A) 、原 圭吾 A) 、吉井 正人 A)
野村 昌弘 B) 、山本 昌亘 B) 、島田 太平 B) 、田村 文彦 B)

Katsushi Hasegawa∗ A) , Chihiro OmoriA) , Makoto TodaA) , Keigo HaraA) , Masahito YoshiiA)
Masahiro NomuraB) , Masanobu YamamotoB) , Taihei ShimadaB) , Fumihiko TamuraB)
A)High Energy Accelerator Reserch Organization, KEKB)Japan Atomic Energy Agency, JAEA

Abstract
In the J-PARC MR, the upgrade scenario by increaseing the repetition rate is in progress and this scenario requires
560kV acceleration voltage. It is the two times higher acceleration voltage for the RF cavities. For this reason, all RFcavities are going to be replaced to the new designed cavity, which is using FT3L cores with an impedance characteristic
higher than the conventional FT3M core. The development and mass production of FT3L core and design of the newcavity have progressed. Last summer, we installed the ﬁrst new cavity using FT3L cores of mass production in MR andit was used in operation by this June. From this operation, we can get some infomations, which are small decrease in theresonance frequency and data of anode power supply when the beam power has increased. We report the current statusand future plans of the new cavity replacement plan.

1.

はじめに2014㻚㻿㼡㼙㼙㼑㼞㻌㻔㼀㼛㼠㼍㼘㻌㻞㻣㻙㻳㻭㻼㻌㼇㻝㼟㼠㻦㻞㼚㼐㻩㻞㻠㻦㻟㼉㻕J-PARC ではビーム増強計画が進められており、リニアックでは 2013 年夏に入射エネルギーを 180MeV から400MeV まで増強した。また RCS でもビーム調整が進められており、設計値である 1MW 相当の粒子数を加速する事に成功している [1] 。MR でも入射ビームの増強と繰り返しを 0.4Hz から 1Hz まで早くする事で 750kW達成を計画している。これは RF 加速電圧として現状の2 倍の 560kV が必要となる。
MR では 1 台当たり 3 つの加速ギャップを持つ RF 空胴を 9 台インストールし、基本波もしくは 2 倍高調波空胴として運用していた。RF グループでは高インピーダンスコア (FT3L) を用いた５ギャプ RF 空胴 7 台と４ギャップ RF 空胴 2 台の新しい RF 空胴を設計し、置き換える事で必要な加速電圧をまかなう計画とした。この計画に沿って大型 FT3L コアの製作試験を行い、2012年夏からは現状空胴に２タンク 6 枚分をインストールして長期の運転試験も行ってきた。これらの結果を基に、2013 年からはメーカーによる FT3L コアの増産や空胴本体の設計も開始し、2014 年夏には先行して 1 台の 5ギャップ RF 空胴をインストールする事を本学会で報告した [2] 。以下に、現在までの進捗状況を述べる。

2.

RF 空胴の増強計画

RF 空胴の増強は、2014 年夏から 3 年間の予定で順次5 ギャプ RF 空胴もしくは 4 ギャプ RF 空胴への置き換えを計画している。
2.1

FT3L RF 空胴のインストール計画

S23S33S43S53S63

S73

S93 (2nd)

S833-GAP

12-GAP

12-GAP2014㻚㻭㼡㼠㼡㼙㼚㻌㻔㼀㼛㼠㼍㼘㻌㻞㻥㻙㻳㻭㻼㻌㼇㻝 㻦㻞 㻩㻞㻢㻦㻟㼉㻕㼟㼠

S13S23S33

㼚㼐

S53S43S63S9S7 S833 (2nd)

55-GAP

12-GAP

12-GAP2015㻚㻭㼡㼠㼡㼙㼚㻌㻔㼀㼛㼠㼍㼘㻌㻟㻢㻙㻳㻭㻼㻌㼇㻝㼟㼠㻦㻞㼚㼐㻩㻟㻟㻦㻟㼉㻕
S15S2S355S44S53S63S9S7 S83 3(2nd)512-GAP

4-GAP

15-GAP

5-GAP

2016㻚㻭㼡㼠㼡㼙㼚㻌㻔㼀㼛㼠㼍㼘㻌㻠㻟㻙㻳㻭㻼㻌㼇㻝㼟㼠㻩㻠㻟㼉㻕
S15S2S35515-GAP

S4S5454-GAP

S6S7S8S9554515-GAP

9-GAP

Figure 1: The replacement plan of cavities.
用いた RF 空胴、5(4) ギャップ空胴が FT3L コアを用いた RF 空胴を示している。
2014 年夏に 5 ギャップ RF 空胴（9 号機）を先行してインストールし、運転実績を重ねてきた。今夏の当初インストール予定では、4 号機から 8 号機の 5 台 (5GAP-3台、4GAP-2 台) をインストール予定であったが、FT3Lカットコアの製作工程等の関係から 1 号機から 4 号機の4 台 (5GAP-3 台、4GAP-1 台) に変更した。新型の空胴はすべて基本波で使用し、残っている FT3M 空胴を基本波もしくは 2 倍高調波空胴とバックアップ空胴として使用する。来年の夏には、すべての空胴が新空胴に置き換わり、すべて基本波での使用を予定している。2 倍高調波用空胴については、別途開発が進められている [3] 。

2.2

図 1 は、2014 年から 3 年間の RF 空胴入れ替え計画を示している。四角内の数字が空胴当たりの加速ギャップ数を示しており、3 ギャップ RF 空胴が FT3M コアを∗ katsushi.hasegawa@kek.jp

S13

FT3L コア及び新型空胴の製作状況

FT3L コアの量産は、予定していた 280 枚全てが終了している。このうち、240 枚についてカットコア製作が進められ、7 月 31 日現在で 224 枚まで終了している。
残り 16 枚も 9 月中旬には終了予定である。また、残り- 951 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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追試試験では、これらの対策を組み合わせた 4 種類、FT3M 空胴型、対策無しのタンク 1 個を含めて 6 タン
ク (3 ギャップ) で 2014 年 8 月 3 日〜9 月 3 日の日程で約 360 時間の通電試験を行った。
通電試験後の目視検査では、変更無し及び FT3M 空胴型のタンク内コアでは変わらずコーティングの変色や浮きが見られたが、対策を組み合わせた 4 種類では異常は見られなかった。よって改良として以下の変更を行った。

1. 冷却の強化
冷却水用スリット板の取り外し
2. 舟形コマの変更
材質と形状：FRP(8mm 巾+C0.5)、位置：内 (外) 周部の発熱が小さい位置、厚み：ギャップ側のみ 4mm。

Figure 2: New RF Cavity.
40 枚のカットコア製作も今年度中に行う予定である。
新型空胴 9 台については、昨年度末までに 9 台全てが納品された。図 2 は、納品された新型空胴 8 台で、手前側 6 台が 5 ギャップ空胴、奥側 2 台が４ギャップ空胴である。一台は昨年夏 MR トンネル内にインストール済みである。

3.

図 3 は、改良後のタンク内（ギャップ側）である。FRP板にある白いけがき線が改良前の EPDM 舟形コマの位置であり、FRP 舟形コマは内 (外) 周部に配置されている。

新型空胴の運転状況

昨年夏、最初の 1 台について空胴の組み立て確認と量産コアの健全性確認のため通電試験を HENDEL 棟で実施した後、トンネル内に設置して約 9ヶ月間運転に使用してきた。通電試験結果とインストール後の連続通電で分かってきた事について述べる。

3.1

通電試験での不具合とその対策

昨年 HENDEL 棟で行った最初の通電試験では、コア間に冷却水を流すための流路確保用 EPDM 製舟形コマを使用していて接触している部分で融着やコーティングの変色、一部のコアでは焦げとコーティングの浮きも見られた。そのため、以下の対策を行い、健全性の試験を行った。

• 舟形コマの材質、形状変更
EPDM(10mm 巾) から FRP(8mm 巾+C0.5) にする事
でコア表面での接触面積の減少および密着防止。

Figure 3: The inside of the tank.

3.2

連続通電

昨年 10 月から５ギャップ空胴 1 台を先行してインストールし、運転に使用してきた。図 4 は、今年 7 月までのインピーダンスと周波数の変化を表している。インストール直後の 11 月前後に、2 度ほど周波数調整を• 舟形コマの配置場所変更
カットコアは、カット面の内（外）周部分で C 面を3cm 程とっているため発熱が小さい。よって、コマの位置をすべてこの部分に移動する。
• ギャップ側配置コアへの冷却強化
ギャップ側コアとギャップ絶縁板の距離を 3mm から 4mm に変更。冷却水バッファータンク出口のスリット巾変更 (-5mm) またはスリット板取り外し。
• 全体の冷却水強化
試験通電のギャップ数を３つまで減らすことで全体流量を確保。
• FT3M 空胴のデザイン踏襲
スリット形状、舟形コマ配置、材質等。

Figure 4: Trend of cavity impedance and frequency(Cav#9L).

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行っている。12 月以降では、これまでの他の空胴と同様にインピーダンスはほぼ一定で安定に推移している。
しかし、共振周波数は徐々に低下してきており 7ヶ月間で約 5KHz 程低下していた。インピーダンスの低下が見られないことからコアの損傷等の深刻な問題はないと考えているが、原因は現在調査中である。

4.

空胴周波数変化への対策

4.1

過去の測定データとの比較

MR の RF 空胴では、2009 年後半からコアのカット面が錆びつき、損傷してインピーダンスが低下する問題があった [4] 。図 5 は錆問題が表面化する以前の空胴 4 台の 1 年間の周波数変化を、図 6 はそれ以降の錆対策を施したコアを使用している空胴 #2 の 2010 年 11 月〜現在までの周波数変化を示している。錆対策以前のコアを使用している 2009 年は、周波数が安定して推移している。しかし、対策後のコアを使用した空胴 #2 では今回と同じく最初の 1 年間で約 5kHz 程低下していた。
さらに低下幅は小さくなりながら約 3 年にわたって徐々に低下していたが、周波数調整後の直近 1 年間では安定している。
錆対策前後の違いは、対策前がカットコア間に 10mm厚の FRP コマを挟んで固定しているのに対し、対策後はカット面全てを弾力性のある RTV シリコンゴム数 mmと FRP 板で覆い固定している事である。コアの外周はSUS バンドで固定している事から、運転中の熱負荷などでカット面に力がかかり RTV 部分がつぶされカットコア間距離が狭くなっているのではないかと考えている。
4.2

対策

対策として、定期的なインピーダンス測定時に必要なら真空コンデンサの入れ替えで共振周波数を再調整する事を考えている。その際、コンデンサ容量の調整量としては 50pF 以下であるため、使用しているコンデンサの組み合わせでは難しい場合も考えられる。そこで、調整用として可変容量真空コンデンサの導入も検討しているが、信頼性の問題もあり積極的に導入するかは検討中である。
また、極力 RTV の弾力性部分を排除する事も考えた。
図 7 は、今回インストールするコアのカット面である。
中心部に 0.5mm 厚の FRP 板を置き周りに RTV を配置した後、1mm 厚の FRP 板を貼り付けている。更に Q 値調整で間に FRP 板を挟むが、中心部分は弾力性のないFRP 板であるためコア間距離は一定に保つことができると考えている。

Figure 7: Conﬁguration of cot core surface.

5.

今後の予定

インストール予定の空胴 4 台はすでに組み立てが終了している。8 月 18 日から新型空胴 4 台を順次 MR トンネル内に移動し、据え付け、アライメントを開始する。
その後、水配管、ケーブル繋ぎ込み、周波数調整などを行い、9 月中旬には通電試験を行う予定である。10 月の運転再開行以降インピーダンス測定を現状より短い期間で行い、FRP 板貼り付けによる周波数変化対策に効果があったのかの検証も行う予定である。

Figure 5: Trend of cavity frequency (Cav#1〜#4).

参考文献

Figure 6:(Cav#2).

Trend of cavity impedance and frequency[1] H.Hotchi, Proc. of IPAC 2015, TUBB3(2015).
[2] K.Hasegawa, et al. 第 11 回加速器学会年会プロシーディン
グス, pp. 621(2014).
[3] C.Ohomori, et al. ”AIR-COOLED MAGNETIC ALLOYCAVITY FOR J-PARC DOUBLED REP.-RATE SCENARIO”, Proceedings of the 5th International Particle Accelerator Conference IPAC 14, Dresden, Germany, Jun. 15-20,
2014.
[4] K.Hasegawa, et al. 第 9 回加速器学会年会プロシーディン
グス, pp. 1192(2012).

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