Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUOLA5

局所表面仕上げシステムを用いた L-band 超伝導加速空胴補修技術の開発
DEVELOPMENT OF THE REPAIR TECHNIQUE USING BY THE LOCAL POLISHINGSYSTEM WITH HIGH QUALITY OPTICAL INSPECTION CAMERA FOR THE L-BAND
SUPERCONDUCTING RF CAVITY
渡邉謙#, A), 早野仁司 A), 岩下芳久 B)
Ken Watanabe #, A), Hitoshi Hayano A), Yoshihisa Iwashita B)
A)
KEKB)
Kyoto-university, ICR

Abstract
To develop cavity repair techniques is important for quality control of the superconducting rf cavity to get more better
yield for high accelerating gradient. A high-quality optical inspection system with a high-resolution camera wasdeveloped as a tool of inspection of the cavities in 2008. It enables 2-D surface analysis on a defect of cavity innersurface by using striped illumination and image processing. For more detailed surface analysis, a replica technique wasapplied to cavity surface. By connecting defect information with quench location information, the cause of theperformance limitation can be categorized by a geometrical defect or by issue of surface treatment and assembly work.
By applying optical inspection at each step of the treatment, we can also obtain an information of defect appearance andits development. The cavities that quenched at low field by one or few geometrical defects can be improved byremoving the defects at quench location. A local polishing system with a small grinding machine was developed for thispurpose. This repair method was applied on the 9-cell cavities, and we succeeded to improve the cavity performance by
the combination of local polishing and light electro-polish (EP). The method and results of the cavity inspection
including the replica techniques and local polishing are presented in this paper.
は補修技術の実用化に至るまでの過程と現状につい1. はじめにて報告する。
L-band 超伝導加速空胴の到達加速電界はここ 10
年で徐々に上がってきているが、その歩留まりはいっこうに改善される気配がなかった。プロジェク
ト規模の大小にかかわらず、この歩留まりの悪さは実用化にとって致命的である。
本研究では加速空胴内表面の観察と局所的補修の重要性に早くから着目し、観測装置の必要性能、見極めるべき欠陥に焦点をあてた研究を行った。歩留まり改善の技術開発では、空胴内面の鏡面を高分解能で観察するための特殊照明を用いたカメラシステ
ム、次いで、発見した欠陥に対する機械的補修を行うための研磨システムの開発を行い、その有用性の検証をここ 10 年間継続的に実施してきた[1], [2], [3]。
本システムを用いた方法が有効であることを実証するため、DESY、FNAL、JLAB、KEK などで製造された超伝導加速空胴のうち、特に性能の悪いものについて内表面の欠陥の有無を検査し、見つかった欠陥に応じた補修を実行し、性能試験を行ってきた。
結果、ほぼ確実に空胴性能を改善できる事が実証された。また、本研究開発から得られた知見・ノウハ
ウは、今日の空胴製造および各種表面処理工程へ反映され、ILC-TDR にも採用されている[4]。
Figure 1: Example of a geometrical defect in L-band SC
現在、改良を重ねた高分解能内面検査カメラと研
cavity and the layout of STF accelerator in KEK.
磨装置を DESY、FNAL、JLAB、CERN でも利用可能にするべくその供給にも貢献している。本発表で___________________________________________#kenw@post.kek.jp- 171 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUOLA52.

局所表面仕上げシステム

ILC や cERL などで使用される L-band 超伝導加速
空胴の高電界性能は、数 m におよぶ溶接シーム（電子ビーム溶接）およびその近傍に対し、サブ mm サイズの溶接欠陥又は傷がひとつでもあると要求される性能に達しないことが多い。図 1 に超伝導加速器の構成例および超伝導加速空胴セル赤道部に検出された欠陥の例を示す。
局所表面仕上げシステムは各工程後に行われる光学検査にて発見された空胴性能に悪影響を与える幾何学的欠陥をピンポイントで機械的に除去し、かつその表面を滑らかに仕上げることで、その後行われる電解研磨の量を最小にしつつ空胴性能を改善させるものである[3]。これにより、幾何学的欠陥が原因の低電界強度におけるクエンチリミットの改善、また、フィールドエミッションの抑制が定量的に行えるようになった。

図 3 は光学検査に用いられる特殊照明を装備した高分解能カメラシステムである。特殊照明を利用し撮影した画像に対し画像解析を行うことで 2 次元の形状解析が行える[1]。図 4 は空胴内に発見された幾何学的欠陥のレプリカである。特殊ツールとシリコンゴムを用いて空胴内で作製・採取される。シリコンゴムのレプリカを樹脂系のモールド材に転写することで、欠陥およびその周辺の実形状が非破壊で得られる。これは空胴製作時における品質検査の指針を可視化、定量化することにも繋がっている。また、このサンプルをモックアップとして利用することで、表面仕上げシステムのベンチテストが行える。なお、空胴実機に対し、レプリカ採取による性能低下は今のところ見られていない[3], [5]。

Figure 4: Taking replica of inner cavity surface using
special tool.

Figure 2: Repair process implementation for the cavity
treatment flow.
図 2 に空胴製作からクライオモジュールインス
トールまでの工程および空胴補修の実施の流れについて示す。光学検査は製造後、バルク EP 後、アニール後、性能が出なかった場合の縦測定後に行われ、どの段階で欠陥・傷が発生したのかを把握できる工程を取っている。システムの立ち上げ当初、空胴補修の実施は縦測定後のみであったが、補修後の測定のデータの蓄積により、最近ではプリチューニング前にも行われるようにもなった。

Figure 3: High quality inspection system with highresolution camera.

図 5 は局所研磨機である。左図が赤道部、アイリス周辺に用いる#1 号機、右図がテーパー部に用いる#3 号機である。光学検査およびレプリカから欠陥位置の詳細情報が得られるようになり、セル形状を模したプラスチック製モックアップと組み合わせることで研磨機および研磨ツールのフィッティングチェックが行える。研磨機ヘッドは DC モーターを採用しており、回転数は無負荷で 3000 rpm （12 V）である。研磨速度は純水を媒質とした湿式環境下において#400 研磨紙で 5 μm/10 min、#1000 研磨紙で 3μm/10 min 程度である。仕上げ加工は#800-1000 研磨
紙で行い、その結果、加工面はほぼ鏡面に仕上がる。

Figure 5: Grinder machines and grinding area. Grinder#1 is applied to red area, and #3 is applied to green area.

機械加工により空胴内面を鏡面化した場合、縦測定前に実施する電解研磨量は 20 μm（light EP）程度
本システムに用いられるツールを図 3～5 に示す。
で問題ないことが本試験および FNAL らの実験によ- 172 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUOLA5

り確かめられている[3], [6]。また、採用したパンタ ンポイントで欠陥除去が可能であり、欠陥のタイプ
グラフ式可動部による研磨ヘッドの押しつけ圧は および数に依存するが最短 1 日で補修を実施、最終~800 kPa であり、研磨加工に対し、十分な強さを 電 解 研 磨 工 程 へ 進 め る こ と が 可 能 で あ る 。 今 回
MHI-08 で検出された欠陥のタイプは深さ 115 μm の持っている。
超伝導加速空胴に対して行われる電解研磨は、空 ピットであったため、除去にはピット周辺部も満遍
胴内面全体を電気化学的に研磨するため、結果、形 に研磨する必要があった（図 7、8）。このため、研状変化に伴う共振周波数の変化が生じる。特に多セ 磨の加工には 300 min、140 min の計 440 min を要し
ル空胴の場合、電解研磨量が多いと研磨量の不均一 た。荒研磨には#400、研磨には#1000 のダイヤモン性から各セルの共振周波数にばらつきが生じ、結果、 ドシート（研磨紙）を用い、今回の補修でシートを電界平坦度が劣化してしまう。このため、多くの工 交換した回数は 20 回である。交換時に合わせて、程を要するプリチューニングを再度行う必要が出て 研磨箇所のワイピングおよび光学検査を行い、加工くる。開発した局所表面仕上げ法では、電界平坦度 の進捗状況を逐次確認しながら作業を進めた。これをほとんど損なうことなく性能改善が達成できるた ら一連の作業時間は 1 回あたり 30 分程度かかり、め、各セルの周波数調整ができないジャケット付き 結果、補修に要した日数は 2 日であった。の加速空胴に対しても適用できることが特徴の一つである。

3.

空胴補修の実例

空胴補修の実例について、本システムを用いて初めて補修を実施した MHI-08 空胴を例にとり説明する[7]。
3.1 MHI-08
MHI-08 は STF-Phase1.5 project のために 2009 年に製造された空胴の内の一台である。この製造ロットの空胴は光学検査のフィードバックを受け、溶接条件を改善した結果、滑らかな溶接シームが得られたものである。受け入れ検査およびバルク電解研磨後に実施した光学検査では、溶接シーム周辺に異常は見られなかった。このため、最終電解研磨、1 回目の縦測定と通常の手順で進めた。1 回目の測定結果は 16 MV/m であり、2 セル赤道部のクエンチにより制限された。測定後の光学検査では、クエンチ箇所にピット状の欠陥が出現しており、元々溶接シーム端部内に存在していた溶接欠陥が、電解研磨により表層に現れたのが検出された（図 6）。このときの研磨量は合計で 125 μm であった。これ以降のロットでも 100-150 μm の研磨で赤道部の溶接シーム内から同様の欠陥が現れるケースが見られている[8]。

Figure 7: Mock-up made of molding material (left) andthe result of 3D-analysis of pit-type defect in MHI-08(right).
補修後、研磨かすを除去するために高圧水洗浄器を用いて、空胴内面に高圧水洗浄を実施した。その後、レプリカ採取を行い、研磨部周辺の形状（エッジが立っていないかなど）を確認したのち、電解研磨工程へ進んだ。また、その他にも 2 セルの赤道部から 40 mm 離れたテーパー部にバンプ状の欠陥が 1つ検出されたが、電解研磨における欠陥除去（バンプに対する形状変化）の能力および空胴性能への影響を確認するため、特に補修は行わなかった。

Figure 8: Image was taken by USB camera on thegrinder head after grinding (left) and the mock-up was
made after polish to check a shape around edge (right).
補修後、3 回の電解研磨を経て、縦測定を行った。
1 回目の電解研磨は 20 μm とし、電解研磨後に光学
このような欠陥の場合、これまではバレル研磨を検査およびレプリカによる表面および補修部周辺の採用し空胴全体を研磨していた。その後はバルク電形状の確認を行った。周辺部に対しエッジが立って解研磨から処理をやり直すことになり、多くの工程いたため、研磨機を用いて面取り加工を行った後、（4～5 週間）をこなす必要があった。しかしながら、
30 μm の電解研磨、同様に形状チェック後、20 μmバレル研磨を行った MHI-01~04 の空胴内面には溶接の電解研磨を行い、当時行われていた通常のシーケ欠陥が残っており、溶接の条件次第ではバレル研磨ンスに則った洗浄・組立工程を経て、2 回目の縦測も有効ではないことが、後日実施した光学検査の結定を実施した。
果から分かっている[9]。局所表面仕上げ法では、ピ
2 回目の縦測定では、空胴性能が 27 MV/m まで改
Figure 6: Pit-type defect appeared after EP in MHI-08.

- 173 -

Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUOLA5

善した。性能制限の原因は 2 セルで検出されていたバンプ状の欠陥によるクエンチであった。3 回目の縦測定では 2 セル赤道部の欠陥が存在しない箇所でクエンチが起こり結果、18MV/m で制限された。4回目の縦測定では、空胴性能が 38MV/m を達成し、国内製造の空胴にて初めて 35MV/m を超えた。性能制限の原因はフィールドエミッションによる Q 値の低下、それに起因する測定系のパワーリミットであった。パスバンド測定から各セルの到達電界強度を測定した結果、いずれのセルも 40MV/m を超えたことが確認された。縦測定の結果を図 9 に示す。また、2 セルで検出されたバンプ状の欠陥は電解研磨の効果により形状が変化し、滑らかなものとなったことが光学検査より確かめられた（図 10）。

フィールドエミッションによる Q 値の低下が問題であった。これらの問題は電解研磨中の温度制御、電解研磨後の洗浄シーケンスの改善、作業・組立環境の改善およびアイリス部の欠陥の除去などにより、加速空胴の単体試験（縦測定）までという制限はあるが 2011~2012 年の段階で問題はほぼ解決している。
3.2

その他の空胴の補修実績

2011 年度までに行った空胴補修の結果を表 1 にまとめる[3]。
Table 1: Result of Vertical Tests after Repair
CavityBefore

After

AC71

26 MV/m

30 MV/m at DESY
[10]

MHI-0816 MV/m

38 MV/m at KEK [7]

AES-0320 MV/m

34.6 MV/m at FNAL
[11]

cERL
9-cell #1

18 MV/m with F.E.

25 MV/m without
F.E.[12]cERL
2-cell #4

20 MV/m with heavy
F.E.

25 MV/m without
F.E.[13]

JLAB
LG#1

30 MV/mCell #5 performance
improved to 43
MV/m at JLAB [14]TB9RI-026

After quench at 30
MV/m, then F.E.
stated from low field.
20 MV/m

36.6 MV/m without
F.E. [11]AES-0122 MV/mWaiting VT at FNAL
[11]

Figure 9: Result of the Vertical tests (MHI-08).

4.

Figure 10: A Bump deform by EP (MHI-08).

Figure 11: Pictures with the Toshiba Teli camera(left)
and ARTRAY camera(right).
2009~2010 年 当 時 、 セ ル ご と の 電 界 性 能 は 35
MV/m を超えていたが、低い電界強度から発生する最近の状況

各システムの最近の開発状況について述べる。光
学検査用カメラは開発当初から Toshiba Teli 製
CMOS カ メ ラ （ CSF5M7C3L18NR 、 1/1.8” 1400 ×1000、 7.35μm/pixel、3 layer CMOS）を常時使用しているが、画質の高分解能化を目的として ARTRAY製 CMOS カメラ（ARTCAM-900MI、1/2.3” 3488×2616、1.75μm/pixel、CMOS Bayer）を搭載したカメラシステムも製作した[15]。図 11 に MHI-08 の 2 セルに検出された欠陥を撮影した画像を示す。
ARTRAY 製 CMOS カメラの方が、画像が鮮明であることが分かる。しかしながら、両者の応答速度を比較すると、Toshiba Teli 製 CMOS カメラの方が優れており、光学検査に掛かる時間が短くて済むことから、Toshiba Teli 製が現在も主として使用されている。最大画質における応答速度が遅い ARTRAY 製
CMOS カメラは検出された欠陥部分の撮影や短セル空胴といった用途に特化して使用している。
光学検査を行ううえでは照明の輝度が重要となる。

- 174 -

Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, JapanPASJ2014-SUOLA5

開発当初は無機 EL シートを採用し、カメラシステムを内包したシリンダーにフィットさせ使用していたが、輝度が小さいこと、寿命が短いことおよび電極部の故障が多いことなど取扱いに難があった（図12 a）。この問題を解決するために、白色 LED と V溝を設けたプラスチック板を組み合わせた光源を開発した（図 12 b）。これにより輝度および寿命の問題は解決した。最新では LED をマトリクス状に配置し、より鮮明な画像を得るための光源が開発されている（図 12c）[1], [2], [16]。

磨ヘッドの駆動方式およびモーター位置の違いを示す。間接駆動型は現在試験中であり、補修時における研磨時間の大幅な短縮が期待される[17]。

5.

まとめ•

本研究では、L-band 超伝導加速空胴の高性能化および歩留り向上を目的として、光学検査シス
テム、レプリカ採取から非破壊の 2 次元ないし3 次元の形状解析を行い、局所表面仕上げ法によりピンポイントで欠陥の除去を行った結果、高電界性能を達成し、空胴補修方法を確立した。
また、海外製加速空胴に応用し、高電界性能の達成を実証した。
特に国内のプロジェクト（STF、cERL）では、予備機がほとんどもしくは全くない状態でクライオモジュール化まで行う必要があり、これら空胴の性能達成は、超伝導加速器への応用に大きく貢献している。

••

6.

Figure 12: (a) Electro-luminescence (EL) sheet forlighting, (b) LED light with strip-line plastic plane and(c) Enhanced illumination by LED matrix.

Figure 13: Motivity for grinding was changed from thedirect acting type to the indirect type with high-power
motor for a powerful grinding.
一方、局所研磨機では開発当初から小型 DC モー
ター自体に研磨ヘッドを装着し直動式で研磨を行っていた。このため研磨時のモーターかかる負荷は大きく、かつ冷却効率の問題からモーターの発熱が起こり、結果、連続研磨時間に制限があった。この問題を解決するために動力伝達方式を直動式から間接式に変更、また、設置スペースが確保されたことによりモーターの大型化が可能となった。図 13 に研謝辞本システムの研究開発にあたり、各種検査・補修装置の設計に尽力した ND ラボの鉾之原氏、STF、cERL、空胴製造および表面処理の関係者の皆様のご協力にあらためて感謝の意を表します。

参考文献[1] Y. Iwashita, Y. Tajima, H. Hayano, Development of highresolution camera for observations of superconducting
cavities, Phys. Rev. ST Accel. Beams 11,093501 (2008).
[2] K. Watanabe: Review of Optical Inspection Methods andResults, Proc. SRF2009, Berlin, pp.123-8.
[3] K. Watanabe, H. Hayano, Y. Iwashita: Cavity Inspectionand Repair Techniques, SRF2011, Chicago, pp. 592-602.
[4] TDR-ILC.
[5] M. Ge, at al., Routine characterization of 3D profiles of
SRF cavity defects using replica techniques, IOP science,Supercond. Sci. Technol. 24 (2011) 035002, (2010).
[6] C. Cooper, et al., Centrifugal barrel polishing of cavities
worldwide, Proc. SRF2011, Chicago, pp. 571-575.
[7] K. Watanabe, at al., Repair techniques of superconducting
cavity for improvement cavity performance at KEK-STF,
Proc. IPAC10, Japan, pp.2965-2967.
[8] K. Watanabe, HOT topics at SRF2011.
[9] K. Watanabe, at al., Surface inspection on MHI-01~09
cavities, Proc. IPAC10, Japan, WEPEC032.
[10] Cavity database at DESY.
[11] Cavity database at FNAL.
[12] K. Umemori, et al., Results of vertical tests for KEK-ERL
9-cell superconducting cavity, Proc. IPAC10, Japan.
[13] K. Watanabe, et al., Development of the superconducting rf
2-cell cavity for cERL injector at KEK, NIMA 714 (2013)
pp. 67-82.
[14] R.L. Geng, et al., Gradient improvement by removal ofidentified local defects, Proc. SRF2011, Chicago.
[15] Y. Iwashita, et al., R&D of non-destructive inspection
systems for SRF cavities, Proc. SRF2009, Berlin, pp297299.
[16] Y. Iwashita, et al., Non-destructive inspection systems for
SC cavities, Proc. LINAC12, Tel-Aviv, pp294-296.
[17] Y. Iwashita, et al., Efforts on non-destructive inspectionsfor SC cavities, Proc. IPAC13, Shanghai, pp2352-2354.

- 175 -