STUDY ON THE FABRICATION OF SUPERCONDUCTING 9-CELL
CAVITY FOR ILC AT CFF/KEK
T. Saeki #A), Y. Ajima A), K. Enami A), H. Hayano A), H. Inoue A), E. Kako A), S. Kato A), S. Koike A), T. Kubo A), S.
Noguchi A), M. Satoh A), M. Sawabe A), T. Shishido A), A. Terashima A), N. Toge A), K. Umemori A), K. Ueno A), K.
Watanabe A), Y. Watanabe A), S. Yamaguchi A), A. Yamamoto A), Y. Yamamoto A), M. Yamanaka A), F. Yasuda B), K.
Yokoya A)
A)
KEK
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305-0801, JapanB)
Department of Physics, Faculty of Science & Graduate Scool of Science, The University of Tokyo
7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo, 113-0033, JapanAbstract
We have been constructing a new facility for the fabrication of superconducting RF cavity at KEK from 2009. In thefacility, we have installed a deep-drawing machine, a half-cup trimming machine, an electron-beam welding machine,
and a chemical etching room in one place. We started the study on the fabrication of 9-cell cavity for International
Linear Collier (ILC) from 2009 using this facility. The study is focusing on the cost reduction in the mass production of
9-cell cavities in ILC. This article reports the current status of this study.

KEK における空洞製造施設による ILC 用超伝導９セル空洞の製作の研究
はじめに
イ ン タ ー ナショナルリニアコライダー（ILC）では、約 17,000 台の超電導９セル加速空1.

洞の設置が必要である。ILC Reference Design Report[1] では、空洞生産後の空洞受け入れ性能検査において、加速電界として 35MV/m を合格性能とし、さらに、その生産における歩留まりとして 90%を仮定している。ILC 研究における空洞性能は、世界平均で約 80%を達成しているが、また十分とは言えない。
また、実際の ILC 建設の際には、更なるコスト削減が必要である。このような状況において、KEK では、2009 年 か ら 新 ら た に 空 洞 製 造 施 設 (CavityFabrication Facility / CFF)の建設を行ってきた。
この施設では、超伝導加速空洞の製作のために必要な機器、すなわち、プレス機、旋盤、化学研磨室、電子ビーム溶接機、等が一か所に集約設置されている。我々は、この施設を使用して、2009 年から ILCのための超伝導９セル空洞の製作の研究を行っている。 この研究は、特に ILC での超伝導９セル空洞量産における高い歩留まりとコスト削減に焦点を絞って行われている。

2.

空洞製造施設の機器

図１に、新しく建設した空洞製造施設に設置した主な装置の写真を示した。最も大切な装置は、電子ビーム溶接機である。超電導９セル空洞は純ニオブ製であるが、全ての部品の溶接組立をこの装置によって行う。プレス機は、９セル空洞のセル部に使われるカップと呼ばれるお椀状の部品をニオブ円盤から深絞りにより製造する。縦型旋盤は、プレスされたカップの両端を機械加工して、組み立て溶接時の接合部を加工する。機械加工された部品は、機械油などで汚れているため、化学研磨室においてフッ酸とリン酸の混合液にて化学研磨された後に、電子ビーム溶接機で溶接される。また、製造した部品の寸法測定をする装置や、部品表面を観察する顕微鏡
な ど も 設 置 さ れ て い る。 これらの装置は、Class10,000 のクリーンルーム内に集約されている。

図１：空洞製造施設における、主な製造装置

この空洞製造施設においては、空洞製造のための材料、すなわち、純ニオブの板材やパイプ材等を施設内に搬入した後、それらの材料の加工から空洞の最終組み立て作業までの全てを、この施設内で完了することができる。超電導空洞の製作においては、部品溶接の際に、純ニオブ以外の物質が混入することで超電導性能が劣化することが起こるため、クリーンルーム内の清浄な環境において、全ての製造工程が行われることが非常に大切である。

- 1157 -3.

超電導９セル空洞 KEK-00 号機（高調波 HOM 減衰器無）の製作

3.1

ジョブショップでのセンターセル部の製作

図３に、ジョブショップにおける KEK-00 号空洞のセンターセル部の溶接作業の写真を示した。セン
ターセル部分では、まず、深絞り加工によって製作3.1 KEK-00 号機の主要な組立部品したカップと呼ばれる部品を、径の小さい開口部を空洞製造施設の装置設置作業は、2011 年 7 月に溶接により接合して、ダンベルと呼ばれる部品を製おおよそ完了したが、それに先立って、2010 年の作する。ダンベル部品については、図２の左下の写
中ごろから、ジョブショップで溶接作業を行うこと
真を参照されたい。ダンベルという名前は、見た通で、超電導９セル空洞 KEK-00 号の製作を開始した。
り筋力トレーニングで使用するダンベルにその形状KEK-00 号の製作では、製作工程を簡素化するためが似ているためである。このダンベル部品の開口部に、複雑な形状の高調波(HOM)減衰器を省略した設を溶接により接合することでセンターセル部が完成計とした。KEK では、2004 年頃から空洞製造施設する。完成したセンターセル部は、KEK においてその建設前までに、ジョブショップで溶接を行う方式の内部を特殊な内視鏡によって観察し、溶接部の内で、超電導９セル空洞の製作に関して 10 本以上の面に欠陥などが無いこと確認した。
経験があった。しかし、新しい空洞製造施設の人員は、ほとんど９セル空洞の製作の経験が無かったた 3.2 KEK/CFF でのエンドグループの製作
め、KEK-00 号空洞の製作は、新しい人員の訓練と
図４に、CFF/KEK における KEK-00 号機のエンいう目的もあった。図２に、KEK-00 号空洞の完成 ドグループの組立溶接作業の写真を示した。エンド後の写真と、その主な部品の写真を示した。
グループは部品を治具で拘束し、部品を回転させながら溶接を行う。図 4 の下の 2 つの写真が、組立溶接後の電力インプットポート側のエンドグループの写真（右）、電界モニターポート側のエンドグループの写真（左）である。

図２：完成した KEK-00 号と主な組立部品

図２の中央下に示されたセンターセルと呼ばれる空洞中央の部分は、ジョブショップにて溶接作業を行った。その両端にあるエンドグループと呼ばれる部分は、空洞製造施設(CFF)の電子ビーム溶接(EBW)機の設置が設置された後、KEK/CFF において溶接作業を行った。

図３：ジョブショップにおける KEK-00 号のセンターセル部の溶接作業

図４：KEK/CFF におけるエンドグループの組立作業

3.3

ジョブショップでの最終溶接の失敗

センターセル部とエンドグループの組立は、センターセル部の両端にある開口部とエンドグループの大きな開口部を溶接して接合する。この溶接は、センター部の溶接と同じ条件で行われるため、再度ジョブショップにおいて溶接作業を行った。図５に、ジョブショップにおけるセンターセル部とエンドグループの溶接作業の写真を示した。最初に電界モニターポート側のエンドグループをセンターセル部に溶接し、この溶接作業は成功した。しかし、電力インプットポート側のエンドグループをセンターセル部に溶接する作業中に、溶接部に穴が開いた。図５の右上と左下の写真がその穴を示している。図５の右下の写真に示すように、溶接中は電子ビームの電圧や電流をモニターしていたが、穴が開いた溶接の際に、それらのパラメーターに異常は無かった。

- 1158 -ジョブショップの工場内は、クリーンルームの環境ではなく、LED ライトなどで観察すると、空洞に少なからずチリが付着することが確認されていた。正確に穴の原因を特定することは困難だが、溶接機の電子ビームに異常が無かったとすれば、接合面に工場内でゴミが付着したために、溶接作業中にそのゴミが高温でガス化して、溶接部に穴が開いた可能性が考えられる。この失敗から学んだことは、溶接作業中の清浄度は非常に大切ということである。

図 6 の右下の写真に示すように、穴に埋め込んだ純ニオブ片を完全に融解させるため、溶接は数回に分けて行われた。溶接により修復した個所の内面は、部分的に研磨を行い、滑らかな状態として修復を完了した。

4.

KEK-00 号機空洞の内面処理と縦測定の結果

図７に、KEK の超伝導空洞テスト施設(STF)における、KEK-00 号機の表面処理作業の写真を示した。
KEK-00 号機に行われた表面処理は、現在の KEK/STFにおける標準的な内面処理である。電界研磨処理によ り 、 内 面 を 100 um 研 磨 し た 後 、 脱 脂 洗 浄(Degreasing)と純水による高圧洗浄(HPR)を行った。
さらに焼鈍(Annealing)を 7500C で 4 時間行い、再度、最終電界研磨を 20um 行った。その後、ビームパイプ周辺をブラシにより洗浄し、脱脂洗浄(Degreasing)を行った後に、純水による高圧洗浄(HPR)を 7 時間行った。次に、Class 10 のクリーンルーム内で、縦測定に必要なアンテナ類の取り付け作業を行い、空洞内を真空引きしながら、1200C で48 時間のベーキングを行った。

図５：ジョブショップにおけるセンターセル部と Kエンドグループの組立作業と、セル#1 の溶接中に空いた穴。

3.4

空洞製造施設(CFF)における、穴の修復作業

図 6 に、空洞製造施設(CFF)で行った穴の修復作業の写真を示した。図 6 の左下の写真に示したように、純ニオブ片を穴の形に純ニオブ板材から切り出して、これを穴に埋め込み、再溶接することで穴を修復した。溶接中に異物が混入することを防ぐため、溶接の前に、空洞の穴周辺と純ニオブ片を化学研磨し、溶接によって融解する部分は清浄な状態とした。

図７：KEK の超伝道空洞テスト施設(STF)におけるKEK-00 号機の内面処理作業の写真。

図６: 空洞製造施設(CFF)における、穴の修復作業の写真。穴に小さな純ニオブ片を埋め込み、再溶接することで穴を修復した。

図８に、KEK の超伝導空洞テスト施設(STF)における、KEK-00 号機の縦測定の結果を示した。左下の赤い四角のプロットは、温度 4 K での測定データである。青い丸のプロットは、温度 1.7-1.8 K での最初のパイモードでの測定データで、最大電界は29.0MV/m(Q0 = 9.2E9)に達した。性能を制限した原因はセル#8 でのクエンチだった。白抜きの青丸のデータはその時の X 線の発生量を表しており、約70 uSv/h に達した。これは、他の空洞と比較して、それほど多くない値である。次に、モード解析を行ったところ、穴の修復を行ったセル#1 の加速電界は 42.7 MV/m に到達していることが確認された。
これにより、穴の修理は成功し、空洞性能に影響を与えなかったことが確認できた。最後に、もう一度、
温度 1.5 – 1.8 K において、パイモードで測定を- 1159 -行った。そのデータが、赤丸のプロットである。最終的に、最大到達電界は、29.2MV/m(Q0 = 9.5E9)に到達した。その時の X 線の発生量が白抜きの赤丸のプロットで、約 50 uSv/h に減った。

メーターの探索をやり直す必要がある。

図９：空洞を溶接する時の空洞の姿勢と電子ビームの方向についての考察。
図８：KEK/STF で行われた KEK-00 号機の縦測定の結果。加速電界 29MV/m を達成した。

KEK-00 号機は、縦測定後にクエンチが発生したセル#8 の内面を検査したところ、内表面に突起が観察されたため、これを局所研磨して次の縦測定の準備を行っている。

5.

図１０に、空洞を垂直に設置し、電子ビームを水平 に し た 場 合 に 対 応 し て 、 KEK の 空 洞 製 造 施 設(CFF)で行っている電子ビーム溶接の条件出し工程を示した。

超電導９セル空洞 KEK-01 号機（高調波 HOM 減衰器有）の製作

KEK-00 号 機 の 縦 測 定 の 結 果 が 、 最 大 加 速 電 界=29MV/m だったこと、修復したセル#1 は最大加速電界=43 MV/m に到達していたことから、その製作方法に大きな間違いがないことが確認できた。このため、我々は、次に高調波 HOM 減衰器を持つ ILC 用の設計形状の KEK-01 号機の製作を開始した。既に、セル用のカップのブレス加工を終了し、電子ビーム溶接の条件出しを行っている。さて、空洞製造施設(CFF)では、空洞の量産に焦点を絞った研究をして図１０：空洞を垂直に設置して、電子ビームを水平いるため、その観点から、空洞の溶接姿勢と電子にした場合に対応した、電子ビーム溶接の条件出しビーム溶接の際の電子ビームの方向について考察し工程。
た。図９は、この考察における２つのパターンを示している。左の写真は、空洞を水平に設置し、電子図１０において、工程１、すなわち、電子ビームビームを上から下に向けて溶接している。右の写真 が垂直で、テスト用のニオブ板を水平に設置した条は、空洞を垂直に設置し、電子ビームを水平にした 件出しは既に KEK-00 号機の製造前にも行っている。
場合を表している。溶接前にダンベルを重ねて設置 CFF における新しい電子ビーム溶接機においても、する場合、ダンベル同士の整合部は、設置を容易に 既に同様の条件出し作業を行っている。図 11 にそするためにインローの嵌め合い形状になっている。 のテスト用ニオブ板の写真を示した。図１１の左のそれでも、空洞を水平に設置する場合は、空洞を垂 写真は、テスト用ニオブ板の表面、すなわち電子直に設置する場合に比べて、やや複雑な取扱いが必 ビームが入射する面、よって空洞の外側に相当する。
要になる。量産においては、作業の単純さは、直接 図１１の右の写真は、テスト用ニオブの裏面、すな的にコストに反映されるため、我々は KEK-01 号空 わち、空洞の内面に相当する。空洞の電子ビーム溶洞の製作では空洞を垂直に設置する方法を選択した。 接において、通常の溶接と違うのは、外面から溶接
しかし、この場合、電子ビームを水平の方向にする して、内面をスムーズにする条件が求められることため、溶接時の金属溶融部の様相が、電子ビームを である。
垂直にした場合と比べて違っており、ビームパラ- 1160 -図１２：量産を想定したダンベル部品ローダーの概念設計図。

図１１：テスト用のニオブ板を用いた電子ビーム溶接の条件出し。

この工程 1 を、空洞垂直、電子ビーム水平に対応して行ったのが、図 10 の工程２である。さらに、
工程 3 では、実際に 2 枚のテスト用ニオブ板を突き合わせて溶接接合し、工程 4 では、突合せ部分をインローの嵌め合い形状にして溶接接合をする。電子ビーム溶接において、その溶接結果を左右する大きな要因として、溶接部品の熱容量がある。図１０の工程 5 では、実際のダンベル部品を模擬したテスト用ニオブパイプによって電子ビーム溶接の条件出しを行う。このテストでは、溶接シームが円周に沿って 1 周した後、重なり合う部分の条件についても探索が行われる。現在、我々は、この工程 5 の段階を行っている。この工程が終了した後、実際のダンベルの溶接を開始する予定である。て、この概念設計を元に、小型のテスト機を製作して基本的な動作の研究を実機で行う予定である。

6.

今後の予定

空洞製造施設では、KEK-01 号機に続き、予算年度で 2013 年度末までに、KEK-02, KEK-03 と合計 3台の 9 セル空洞を製作する予定である。この内、KEK-03 号機については、高圧ガス規定に準拠した製作を行い、STF でクライオモジュールに組み込んで試験を行う予定である。

6.

まとめ

International Linear Collider (ILC) に おける
17,000 台の超伝導 9 セル空洞の量産化技術を実現
す る た め 、 KEK に お い て 空 洞 製 造 施 設 (Cavity
6. 空洞量産のための電子ビーム溶接のた Fabrication Facility / CFF)を建設し、全ての機器の設置を 2011 年 7 月に完了した。この施設では、めの部品ローダーの設計材料搬入後に行う空洞製作に必要な装置が 1 か所に空洞の製作と並行して、ILC における空洞の量産 集約して設置されている。ジョブショップと CFF にを想定して、空洞部品や空洞の溶接を効率的かつ低 おいて溶接作業を行って製作した超伝道 9 セル空洞
コストで行うための部品ローダーなどの設計研究を (高調波 HOM 減衰器無)KEK-00 号機を KEK/STF にて行っている。電子ビーム溶接においては、実際に部 性能試験した結果、最大加速電界 29MV/m を達成し品を溶接している時間は、長くても数分である。一 た。これに引き続き、全ての製作工程を CFF 内で行方、溶接部品を電子ビーム溶接機のチェンバー内に う超伝導 9 セル空洞(高調波 HOM 減衰器有)KEK-01設置して、真空引きを行う作業に約 30 分を要する。 号機の製作を進めている。予算年度で 2013 年度末
その後、ビームのアライメントと実際の溶接に 30 までに、KEK-01, KEK-02, KEK-03 と合計 3 台の 9分を要する。溶接された部品は高温になっているた セル空洞を製作する予定である。この内、KEK-03
め、そのまま大気中に搬出すると酸化して超伝道特 号機については、高圧ガス規定に準拠した製作を行性が悪化する。このため、部品の温度が低下するま い、STF でクライオモジュールに組み込んで試験をで待つ必要があり、これに約 30 分を要する。この 行う予定である。
ため、1 か所の溶接をするたびに部品の出し入れを行っていると非常に効率が悪く、コストが高くなる。 参考文献
図１２に、ダンベル部品を 1 回の真空引きで大量にReference
DesignReport(RDR),
溶接するダンベル部品ローダーの概念設計図を示し [1] ILC
http://www.linearcollider.org/about/Publications/Referenceた。図の左にある大量のダンベル保持治具から１つ
Design-Reportのダンベルを遠隔動作で掴み取って、真空チェンバー中央の溶接位置に移動し、順次、自動的に溶接を行っていくことを想定している。今年度末にかけ- 1161 -