Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

Status of Superconducting Cavity Development for ERL Main Linac
Masaru Sawamura1,A), Kensei UmenoriB), Takaaki FuruyaB) , Shogo SakanakaB) ,Takeshi TakahashiB), Hiroshi SakaiC) , Kenji ShinoeC)
A)
Japan Atomic Energy Agency
2-4 Shirakata-Shirane, Tokai, Ibaraki 319-1195
B)High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801
C)
The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo5-1-5 Kashinoha, Kashiwa, Chiba 277-8581
Abstract
We have been developing 1.3GHz superconducting cavities for the main linac of the energy recovery linac. Thecavities were designed to enhance the HOM properties. Three types of Nb cavities, two single-cell and a 9-cell, havebeen fabricated to verify the cavity design. The results of 2K vertical test for the single-cell cavities have satisfied therequirement for the ERL main linac.

ＥＲＬ用超伝導主加速器開発の現状
１．はじめにエネルギー回収型リニアック(ERL)は、リニアッ
クと蓄積リングの長所を合わせ持ち、高輝度かつ大電流の電子ビームを生成できることから、次世代放射光源として期待されている。ERLの実現には、高輝度大電流を生成できる電子銃(入射器)および大電流を安定に加速できる超伝導空洞の開発が重要な技術課題としてある。
ERLのような超伝導空洞を用いた大電流のCW加速器においては高調波(HOM)の減衰が重要である。HOMのＱ値を低くすることは、冷凍機システムの負荷を軽減するだけでなく、ビーム不安定性により制限されるしきい値電流の増加を可能にする。
ＥＲＬ放射光源建設のために、原子力機構、高エネルギー加速器研究機構、東大物性研が共同で超伝導主加速器の開発を行っており、HOM対策に重点を置いた新たな空洞設計を行い、その性能を検証するために3種類のニオブ製空洞を製作し、性能試験を行ってきた。
本報告ではこれまでの試験結果を中心に超伝導主加速器開発の現状を報告する。

２．超伝導主空洞の設計
HOM対策に重点を置いた新しい超伝導空洞設計の
基本方針は１．加速モードのシャントインピーダンスは出来るだけ高くすること
２．単極モードは2.6GHzの逓倍から離すこと
３．双極モードは出来るだけ抑制すること
４．四重極モードも抑制すること1である。
新たな空洞設計は
１．空洞形状を最適化する
２．大口径ビームパイプを用いる
３．偏心フルート型ビームパイプを用いる[1]とした。超伝導空洞の代表としてTESLA型空洞があるが、このTESLA型空洞の形状をそのまま用いてビームパイプを太くした空洞でも、TESLA型空洞に比べてHOMインピーダンスを1桁近く下げることができ、双極モードに対する基準は満たせるが、製作誤差等を考えた場合、余裕が十分とはいえない。そこでERLに最適な空洞形状設計を行った。TESLA型空洞からの主な変更部分は①アイリス径をφ70からφ80に大きくしたこと②赤道部分の形状を円形から楕円形にしたこと③ビームパイプ径をインプット・カップラー側でφ100、反対側でφ120としたことである。この形状により、双極モードのインピーダンスを更に1桁下げることができた[2]。ビーム不安定性のシミュレーションコードBBU-RおよびBIによる計算から、600mAの加速が可能との結果を得た[3]。
この値は、HOM周波数がすべてそろっている場合の計算結果であり、空洞製作誤差等によりHOMの周波数はランダムに分散するので、実際はもっと大きなしきい値が期待できる。

３．Nb空洞の製作
新しい設計に基づく空洞形状の性能を検証するために、以下の3種類のニオブ製空洞を製作した。
① センターセル単空洞(C-single空洞、Fig.1左)E-mail: sawamura.masaru@jaea.go.jp-610-Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

Fig.1

製作した3種類のNb空洞。(左)センターセル単空洞、(中)エンドセル単空洞、(右)9セル空洞

センターセル形状の単セルにアイリス径のビームパイプを取り付けたもので、空洞形状に起因するMultipactoringの有無などのセル形状を検証とともに、表面処理過程を確認する。
② エンドセル単空洞(E-single空洞、Fig.1中)
エンドセル形状の単空洞に大口径ビームパイプを取り付け、偏心フルート、Input CouplerポートやPickupポートの構造物を配置し、これらの構造物が発熱やfield emission等の要因になっていないかを検証する。
③ ９セル空洞 (Fig.1右)ERL主加速器に想定している9セル空洞で、プリチューニングや空洞の取り扱いなどモジュール化するときの問題点を洗い出す。

４．表面処理超純水（18ＭΩ）をノズルから高圧（8ＭPa）で噴出させ、空洞内面を隈なく洗い流す。
⑧組立て
ＫＥＫのＳＴＦ棟のClass４のクリーンルーム内でＲＦカップラーや真空排気ポートを取り付けたフランジを空洞に取り付ける。真空シールにはインジウムを用いた。
⑨ベーキング
空洞内面を脱ガスし、高真空にするためヒーターで空洞温度を上げる。真空シールであるインジウムが取り付けられているフランジ近辺の温度は80℃以下になるように調整する。セル部分で130℃12時間のベーキングを行った。
⑩縦測定
ＫＥＫのＤ10棟のクライスタットを用いて４Ｋ及び２Ｋでの空洞性能の測定を行った。

C-singleおよびE-single空洞に行った表面処理工 4.2 C-single空洞(2回目)
程は以下の通りである。
①縦測定
4.1 C-single空洞(1回目)第1回目の縦測定から処理を行わず縦測定をもう1①バレル研磨
度行った。
バレル研磨のメディアGCT12×12と水を空洞体積の半分ほど入れ、公転速度120rpmで10時間研磨をし4.3 E-single空洞(1回目)た。研磨量はセル部分で64μm、ビームパイプ部分①バレル研磨で18μm程度であった。
C-single空洞と条件を変え、新東エコメディア②プレ電解研磨
DHT15×15を用いた乾式バレル研磨を試みた。80rpm
バレル研磨後の空洞内部の汚れでEP液（濃硫酸：の公転速度で12時間研磨を行った。研磨量は約10μフッ酸=10:1）を汚染させないためにEP液を溜め込mと、湿式に比べてかなり少ない結果となった。
んだ状態で電解研磨を行う。空洞温度が上がり過ぎ②プレ電解研磨～縦測定はC-singleと同様の処理をないように研磨、冷却を繰り返し、約10μm研磨し行った。
た。
③電解研磨
4.4 E-single空洞(2回目)
空洞内面の粗さを削り、滑らかな内面にする。EP①ベーキング
液を空洞からリザーバータンクに還流してEP液の温表面処理を行わずベーキングのみで空洞性能が改度制御を行う。約100μmの研磨を行った。
善するかを調べる。
④アニール
②縦測定
電解研磨のとき発生する水素はニオブ材に吸蔵さInput Couplerプローブが一連の作業中に折れ曲れ、Q値の低下をもたらす水素病の原因となるため、 がり不調となったため測定できず。
水素脱ガスのためにアニールを行う。真空炉の中で空洞を750℃3時間加熱した。
4.5 E-single空洞(3回目)⑤仕上げ電解研磨①Input Coupler取替え
前回の電解研磨後に空洞内表面にできた不純物を不調のInput Couplerのプローブを新品と交換。
取り除く。水素吸蔵を起こさない程度の研磨量とす②ベーキングる。今回は20μm研磨した。
③縦測定⑥超音波洗浄⑦超純水高圧洗浄
4.6 E-single空洞(4回目)
空洞内面に残ったミクロな埃を取り除くために、-611-

Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

1011

C-Single (1st) 2K
C-Single (2nd) 2K
C-Single (1st) 4K

Q01010109108051015202530

3540

Eacc (MV/m)

E-Single (1st) 2K
E-Single (3rd) 2K
E-Single (4th) 2K
E-Single (4th) 4K

1011

Fig.3 回転MappingによるX線出力例（加速電界20MV/m）。

109E-single空洞の測定には空洞診断用に空洞温度やfield emissionで空洞に衝突した電子が発生させるX線を検出するセンサーが空洞外面の軸方向に沿って取り付けられている。これらのセンサーを空洞の円周方向に回転させることにより熱とX線の発生場所を調べる[4]。このシステムを用いた測定で加速電界20MV/mのときX線の発生を検知したが(Fig.3)、発生場所はビームパイプの偏心フルートやInputCouplerポートなどの場所ではなく、ビームパイプ構造による由来するfield emissionは発生していないものと考えられる。

Q0101010805101520253035

Eacc (MV/m)

Fig.2

単空洞の縦測定結果。
(上)C-single空洞、(下)E-single空洞。

①仕上げ電解研磨
空洞性能が改善しないため追加の仕上げ電解研磨を30μm行った。
②超音波洗浄～縦測定はこれまでと同様.

５．単セル空洞の測定結果

６.9セル空洞の現状
昨年度9セル空洞も完成し、現在までに電界研磨、アニール、プリチューニング、仕上げ電界研磨、フランジ類の組立、ベーキングなど一連の表面処理が終了している。今後縦測定のための配線作業等を行い9月頃に最初の縦測定を行う予定である。

一連の表面処理を終え、C-single空洞は2回、Esingleは4回の縦測定を行った。その結果をFig.2に示す。
C-single空洞に関しては1回目と2回目の間で表面処理は行わなかった。1回目と2回目でほぼ同じ結果
７．まとめとなり最大加速電界は37MV/mである。ただしこの値
Q0が1010以上で加速電界が15～20MV/mというERL主は空洞性能に起因するものではなく、液体ヘリウムを２Ｋに冷却するための減圧ポンプの容量が小さく、 加速器に要求される性能はC-single空洞、E-single空洞共に満たしており、ERL主加速器用に行った空空洞温度が上昇してしまうことによるリミットで洞設計には問題がないことが確認された。今後9セあった。またＱ0が1010以上の場合の最大加速電界はル空洞の縦測定を行うとともに、Input Couplerや25MV/mであった。
HOM吸収体の設計、試作試験を行っていく予定であE-single空洞に関しては1回目の測定において最る。
大加速電界は23MV/mであり、field emissionによるクエンチが最大電界を制限していた。そこで、ベーキングのみを行い、空洞性能が改善するかを検証す
参考文献
るため2回目の縦測定を行った。しかし、一連の作[1] M. Sawamura et al., Proc. of PAC07, Albuquerque, USA,
業中にInput Couplerを壊してしまい測定すること
June 2007, p.1022ができなかった。そこでinput Couplerを交換し、[2] K. Umemori et al., Proc. of APAC07, Indore, India, Jan.
2008, p.570
ベーキングを行って3回目の縦測定を行ったが、最[3] R. Hajima et al., Proc. of ERL07, Daresbury, UK, May 2007,
大加速電界15MV/mと1回目の測定より大幅に性能がto be published低下した。そこで仕上げ電界研磨から表面処理をや[4] H. Sakai et al., Proc. Of EPAC08, Genoa, Italy, June 2008,
り直し、4回目の縦測定を行い、最大加速電界
to be published
30MV/m、Ｑ0が1010以上で23MV/mを得た。
-612-