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

PASJ2015 WEP046

ヘリウムプロセスを用いた ERL 主加速超伝導空洞の性能回復試験
THE TEST OF THE HELIUM PROCESSING FOR THE ERL MAIN LINAC
SUPERCONDUCTIVE CAVITY.
篠江憲治#, A), 阪井寛志 A), 梅森健成 A), 江波和宏 A),沢村勝 B) 江木昌人 A) 古屋貴章 A)
Kenji Shinoe #, A), Hiroshi Sakai A), Kensei Umemori A) Kazuhiro Enami A),
Masaru Sawamura B) , Masato Egi A) , Takaaki Furuya A)
A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)B)
Japan Atomic Energy Agency (JAEA)

Abstract
We have manufactured the cave of the performance which ERL requires in vertical measurement. However, when it
modularizes and includes in beamline, performance degradation has happened. Recovery from this performancedegradation is our present subject. We performed the helium process as the method of cavity performance recovery
reported partly, and tried performance recovery of a cavity. As a result of having performed the helium process, recovery
from cavity performance degradation was seen and having removed the emitter in the helium process was checked.

1.

はじめに

3GeV クラスを目指す次世代放射光源 ERL(大 ERL)
においては超低エミッタンス大電流ビーム(100mA)を安定に加速&減速するため、空洞として空洞損失の少ない超伝導空洞が用いられる。特に ERL 用の超伝 導 空 洞 と し て は 、 い か に 高 い 加 速 勾 配 (15 ～ERL target
20MV/m 程度が目標)にてなおかつ空洞損失の少ない状態(Q 値 > 1×1010)を維持できるかが、ERL 実現の鍵となる。我々は、大 ERL 用に 100mA もの大電流(最大 600mA)の回収を可能とする独自に開発した 9 Figure 1: (Left) Performance result of two cavities in
セル空洞[2]にて、縦測定と呼ばれる性能評価試験に vertical measurement. A horizontal axis shows anて図１（左）に示すように最大加速勾配 25MV/m、 acceleration slope (Eacc) and a vertical axis shows Q value(Q0). (Right) Cavity performance degradation due to fullまた、15MV/m にて Q 値 > 1×1010 を実現し、ERL のassembly - (open circles and squares, ) during beam
要求を満たす空洞を実現した[3]。その性能を実現し operation - (solid circles squares and triangles).
た２空洞を 2012 年度は KEK にて建設が行われた
Compact ERL(cERL)[4]のビームラインに、モジュー そのため、この field emission による空洞性能劣化のル化した後に組み込んだ所、２空洞とも、図１(右) 回復は今までいくつかの方法がなされてきた。特にに示すように 10MV/m から Q 値の劣化が発現すると 設置後に与える process 方法として 1 つ目は high
ともに、強烈な放射線を発生することとなった[5,6]。 power pulse processing(HPP)であり、２つ目は Helium
縦測定により、空洞自身に欠損はないことは確認さ processing が提案されている。まず１つ目の HPP はれているが、組立時において、微小な埃、異物の混 従来の運転電圧に対し、ミリセカンド（ms）以下の入による空洞内面での電解放出（field emission）に より高い電圧をかけて、放電をコントロールするこよる多大なエネルギーロスが起こったと考えられる。 とで、表面状態を良くする方法である。我々の空洞
さらにはビーム運転によりより劣化が進んだ結果 でも現在 HPP の効果が見られており、長期運転中の（図１（右））も現在得られており[7]、この性能劣 空洞劣化をある程度抑えている。[7]これに対し、２化の回復が本 cERL 主空洞モジュールの当面の課題 つ目の He processing は冷却中の空洞に He ガスをとなっている。
10-2～10-4 Pa 程度導入した上で、高い field をかけてこのような field emission による Q 値劣化は KEKB 放電を増幅することによって、emission 源を除去すの超伝導空洞[8]やアメリカ Jlab にある CEBAF 用超 るものである。実際に CEBAF の cryomodule で He伝導空洞加速器[9]など、昔から顕著に見られており、 processing が 行 わ れ て お り 、 最 近 で は C100
field emission の抑制は超伝導空洞の歴史が始まって cryomodule で平均して 9.3MV/m で field emission が出重要な課題となっている[10]。ていた空洞が 13.1MV/m まで回復したなど、HPP に___________________________________________# kenji.shinoe@kek.jp

比べて、大きな効果が得られている[11]。このよう- 548 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, JapanPASJ2015 WEP046に He processing は HPP に比べ、大きな効果が期待されているが、詳細な mechanism が分かっていない。
本 研 究 の 目 的 は 、 我 々 独 自 で 開 発 し た X-ray
mapping system[1]を用いることで縦測定スタンドにて x-ray profile の pattern を測定し、そこから今まで理解の進んでいない He process 中の課程を理解することであり、最終的に空洞性能劣化回復が可能なのかを理解することである。

2.

Setup

図２は縦測定中の setup である。cERL 中での fieldemission を模擬するため、我々は cERL で採用したERL-model-2 空洞の形状と同じ２号機を用いて測定を行った。

Figure 2: (Left) Layout of Si PIN diodes. (Right) X-ray
Mapping system mounted on the cavity.
表１が本空洞のパラメータである。[]内は TESLA 空洞の値である。100mA の ERL 実現のため、ERL 空洞は HOM 削減を重視しており、EURO-XFEL などに使用される TESLA 空洞に比べ、Epeak/Eacc が、1.5 倍高くなっており、これにより field emission が出やすくなる可能性がある。このように field emission がでやすいことを考え、我々は field emission 測定に特化した空洞診断装置を開発した[1]。

Figure 3: Setup of He line for He processing.
次に He process を行うための He 導入ラインを作成した。図３は縦測定に設置した He 導入ラインの様子である。He はボンベから 0.01um の filter を通して、クリーンなガスを維持するように気を付けている。
特に He 以外のガスが混入し、空洞性能劣化が system
上、起こらないように配管は電解研磨したものを用いた上で、縦測定前に配管は 200℃程度 24 時間
baking を行ってから測定を行った。He の圧力は 10-1
Pa まで読めるようにペニングゲージを用意すると同時に、空洞直前の常時設置している CCG でモニターしている。その上流にバリアブルリークバルブを用意し、He の圧力を remote でコントロールする systemを設けた。

3. Results of vertical tests

本２号機を用いて縦測定を行った。表２はその縦測定の履歴である。高圧ガス対策も行った cERL
cyromodule 用の prototype として製作された２号機空洞には、表２にあるように合計１１回の縦測定を行っている。cERL cryomodule 作成前に適切な表面処理と、空洞アセンブリにより、まず１回目～３回
Table 1 : Parameters for KEK-ERL Model-2 Cavity
Frequency 1.3GHz Coupling
3.8 %目の縦測定によって、Q0 > 1x1010 で 15MV/m で要求Rsh/Q
897 Ω Geom.Fac.
289 Ωを満たすと同時に最終的に 25MV/m 以上の高い加速
Epeak/Eacc
3.0[2.0] Hpeak/Eacc
42.5Oe/(MV/m)
勾配が確認されたので、cERL main linac crymodule の制作を開始した[10]。その後この空洞は縦測定スタ
図２(左)がその詳細である。空洞の１列に 86 個の ンドに保持されていたが、cERL cryomodule での性
carbon 温度計と 93 個の PIN diode を並べ、それを 2K 能劣化を受けて、６回目の縦測定以降は、本空洞でHe 中で回転させ、空洞全体の温度と X-ray の profile 再度空洞アセンブリや process 方法の回復を行うことを測定可能としている。これにより、特に我々は今 を主に行った。本文では主に He process を行った７，まで測定できなかった X-ray mapping profile を用いて、 ８、１０回目の結果を述べる。
field emission の分布を測定し、それと simulation と合わせることで、field emission site の同定を行うことが現在可能となった[12,13]。この X-ray mapping からprocess の様子を詳細に調べる。これと同時に top
flange には Aloka の radiation monitor をつけて fieldemission 量も測定した。

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Table 2: History of Vertical Tests and Surface
Treatments
Surface treatment etc.
Aim of VT
Performance
1st test
EP(100 μm),
check
Annealing,EP2(20 μm),
HPR,
Baking
2nd test EP(20 μm),
HPR, PerformancecheckBaking
3rd test Warm-up
CheckQ-value
after warm-up
4th test HPR (assembly input HPR studyand bottom flanges)
5th test Keep with vacuum Checkcondition
reproducibility(same with 4th)th
6 test Ar purge (No flange Check Ar purge
assembly)
procedure
7th test (Warm up)
System check of
He processing (0)8th test (Warm up)
Study on He
processing (1)9th test Flange disassembly and Checkdust
assembly
contaminationfrom re-assembly
procedure10th(Warm up)
Study on He
test
processing (2)11thHPR (assembly all HPR studytestflanges)

Figure 5: X-ray mapping profile before and after He
processing. One emitter disappeared on 8cell 310o.の圧力が He process 後は 10-8 Pa 程度までは戻らなかったため、一度 warm up したのちに 8 回目の縦測定にて同じ空洞真空にて、測定しなおしたものを図
４ で は 載 せ て い る 。 Process の 効 果 に よ り 、 fieldemission の onset が回復していた。He process 前後のx-ray mapping を plot したものが、図５である。図５は 25MV/m あたりでの X-ray mapping での profile であり、He processing の後では 8cell 310o に関係していた radiation trace(180o 対面の 1-4cell の broad な分布も8cell 310o と関係していることは simulation と今までの実験結果から分かっている。[13,14])が無くなっていたのがわかる。

7th and 8th vertical test results
７回目の測定にて He を空洞に始めて導入し、2Kでの縦測定を行った。まず、He 導入により、空洞性能 が 劣 化 し な い こ と を 確 認 し た の ち に 、 Heprocessing を開始した。
図４が He process 前後での Q vs Eacc(加速勾配)のグラフである。He は 10-4 Pa 程度まで入れ、field を上げていったところ、radiation の変化が見られた。He

Figure 6: Top (bottom) figures show the Q-E curve with xray mapping profile before (during) He processing.

Figure 4: Q0 vs Eacc plot before and after He-processing.
Green(Red) plots shows the Q-E results before(after) Heprocessing on left vertical axis. Right vertical axis shows
the radiation by Aloka.

７回目の縦測定中の He process 最中の測定の履歴を も う 少 し 詳 し く 説 明 す る 。 図 ６ （ 上 ） が He
process 前 の 縦 測 定 の 結 果 と そ の 時 の X-raymapping(25MV/m) で あ る 。 ま た 図 ６ （ 下 ） が He
process 最 中 で の 縦 測 定 の 結 果 と そ の 時 の x-raymapping(20MV/m)の様子である。上述したように Heprocess 中は圧力を 10-4 Pa 程度に keep して field を上げていった処、まず、x-ray の onset が He process 前に比べ、下がる傾向がみられた。そのまま x-rayprofile を測定したところ、図６（下）に見られるよ- 550 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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うに 8cell 310o に見られた radiation trace（対面も含めて）が enhance しているのがわかった。この後、そのまま field を上げていくと radiation の減少が見られ、結果的に図５に示すように x-ray profile での 8cell 310oに関係する field emission source が局所的に電圧増大因子を大きくし、process が進んだものと思われる。

Figure 8: x-ray mapping profile before and after He
processing on 10th vertical test.
０ 回 目 の 縦 測 定 で He process に よ り 、 再 度 こ のemission 源の除去が可能かどうかを試みた
Figure 7: X-ray mapping profile of 2x10-2 Pa pressure at
10MV/m.
もう一つの He process 中の測定結果を示す。８回目の縦測定時に図７は He 圧力を 10-2 Pa 以上に上げた時の x-ray mapping の様子である。急に真空を悪くしたところ、radiation が図７に見られるように突然全面から放射されるようになった。Top flange のradiation monitor は 振 り 切 れ 、 Q 値 も 減 少 し 、10MV/m しか keep できない状態になった。He 導入により真空がより悪い状態にした場合には空洞全体がプラズマ状態になり、radiation が全面的に放射されたものと思われる。この状態での process も試みたが、残念ながら、エリアモニターにより、radiationの ITL がかかり、total でこの状態を keep した時間は50 分程度であった。この後、x-ray mapping を測定したが、radiation trace の変化はなく、１時間程度での全面 He processing では process が進まなかった。
このように He process としては(1)10-4 Pa 程度に圧力 を 維 持 し 、 加 速 電 圧 を 上 げ て 局 所 的 に fieldemission 源を enhance させる場合(Enhance mode)。
(2)10-2 Pa 程 度 に ま で 圧 力 を 上 昇 さ せ 、 field が10MV/m と低いながらも全面に radiation を放射させる 場合 (All surface mode)。 の２通 りあ ること がわ
かったが、今回の測定では(1)の He 導入により局所的な emission 源のβFN を enhance させることで空洞内面の emitter が process していることがわかった。

10th vertical test results
この空洞にて、モジュールアセンブリ作業を模擬し、その reassembly の効果を９回目の縦測定で見たと こ ろ 、 field emission の onset が 18MV/m か ら
10MV/m まで減少していることがわかった。我々の空洞 reassembly 作業の問題点が判明したと同時に１

図８が１０回目の He process 前後の縦測定の結果の比較である。８個見られていた field emission 源のうち、”enhance mode”により、４つの emitter を減らすことが可能であった。残念ながら、空洞の５セル目あたりに１つ emitter を増やすことにもなり、Heprocess の結果として onset は変化しなかったが、多数の emitter が He process により除去されていることが x-ray mapping により、わかった。

4. Summary
ERL 用 9cell 空洞の２号機を用いて空洞性能劣化の回復試験を行った。特に独自の X-ray mapping systemを用い、縦測定スタンドにて、X-ray profile の patternを測定し、そこから今まで理解の進んでいない Heprocess 中の process による回復を詳細に調べた。縦測定スタンドに新たに He 導入ラインを構築し、Heprocess による空洞性能劣化回復試験は２回行った。
He process の結果としては劣化した性能の回復が見られ、X-ray mapping により emitter が He process により除去されていることが明確になった。
今後はモジュールでの He process を進めるためにまずは入力カプラー単体での He process 試験を行い、これが問題なければ cERL main linac cryomodule でのHe process 試験を行っていく予定である。

References[1] H. Sakai et al. “Cavity diagnostics using rotating mapping
system for 1.3 GHz ERL 9-cell superconducting cavity”,
IPAC2010, Kyoto, Japan, p.2950 (2010).
[2] K. Umemori et al., “Design of L-band superconducting
cavity for the energy recovery linacs”, APAC’07, Indore,India, p.570 (2007).
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Orleans, USA, p.2227 (2012).

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Academic Press.
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[12] E. Cenni et al., “Field Emission Simulation of KEK-ERL 9cell Superconducting Cavity”, IPAC2012, New Orleans,
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[13] E. Cenni, Doctor thesis, The graduate University for
Advanced Studies (2013).
[14] E. Cenni et al., “Vertical test results on KEK-ERL 9-cell Lband Superconducting Cavity”, SRF’11, Chicago, USA,
p.789 (2011).

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