KEKにおけるILC用超伝導加速空洞の量産化に向けた研究
R&D toward the mass-production of ILC SRF cavity at KEK
講演番号： FROL04
T. Saeki #A), V. Chouhan F), F. Furuta D), H. Hayano A), Y. Ida F), K. Ishimi F), Y. Iwashita B),
S. Kato A), N. Kawabata E), K. Miyajima E), H. Monjushiro A), K. Nii F), K. Nohara E),
M. Sawabe A), M. Shinohara E), J. Taguchi G), T. Yamaguchi F), M. Yamanaka A),
and F. Yasuda C)A) KEK, Tsukuba, Ibaraki, JapanB)Kyoto ICR, The university of Kyoto, Uji, Kyoto, JapanC) Department of Physics, Faculty of Science & Graduate School of Science,
The University of Tokyo, Bunkyo, Tokyo, JapanD) Cornell University, Ithaca, New York, USA
E) Shinohara Press Service Co. Ltd., Funabashi, Chiba, JapanF) Marui Galvanizing Co. Ltd., Himeji, Hyogo / Kashiwa, Chiba, JapanG) Nomura Plating Co. Ltd. Nishi-Yodogawa, Osaka, Japan
第１２回 日本加速器学会
5 - 7 August 2015 , Tsuruga, JAPAN1

Contents••••••

ILCにおける空洞の量産について.
電子ビーム溶接機におけるダンベルローダー、9セル空洞ローダーの開発.
9-セル空洞ニオブ部品の製造: 先進深絞り、鍛造、ファインブランキング複合等.
9セル空洞の内面処理：縦型電解研磨の研究（単セル空洞、9セル空洞、クーポン用の単セル空洞）、コーネル大学との共同研究、佛酸を使わない電解研磨処理の研究.
ILCのための空洞量産工場のシミュレーション研究.
まとめ2

ILCに要求される超伝導空洞の量産
Parameters

Value

C.M. Energy

500 GeVPeak luminosity

1.5 x1034 cm-2s-1

Beam Rep. rate

5 Hz

Pulse duration

0.73 ms

Average current

5.8 mA (in pulse)

Av. field gradient 31.5 MV/m +/-20%
Q0 = 1E10# 9-cell cavity

16,024 (x 1.1)

# cryomodule

1,855

ILC

Linac (11km) x 2
Beam pipe

Two-phase Hepipe

LHe tank

HOM coupler

HOM coupler
Frequency tuner

9-cell cavi es
Input coupler# Klystron~400High quality

16024 x 1.1(歩留まり = 90%を仮定)~ 17600 本の空洞生産が必要
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KEKにおける空洞製造施設(Cavity Fabrication Facility / CFF)
FY2011にILCの超伝導空洞の量産製造の研究のためにCFFを建設

全ての機器が class-100,000 クリーンルーム内に集約されていることがQAに重要.

電子ビーム溶接(EBW)機

クリーンルーム 19m x 14m x 5m（Height)
Class-100,000 / ISO 8 (仕様)

プレス機

EBW 機

化学研磨

表面検査

縦型旋盤
プレス機

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Clean room floor layout of CFF

ILC超伝導空洞の製造
HOM coupler (Nb)End-cells (Nb)End-Plate (Ti) + Nb ring

Flanges (Nb-Ti alloy)

Dumb-bells (Nb)End-Plate (Ti) + Nb ringBeam-pipe (Nb)Center cells (Nb) / EBW with horizontal beam in CFF

Beam-pipe (Nb)

Input-port
pipe (Nb)5

ダンベル・アイリス部の溶接 (ILC超伝導空洞)

EBW test by a dummy Nb-pipe

Setup of dumbbell EBW for side-gun

120 kV, 5 mm/s

Beam current (mA)

Overlape-beamParameter
for iris(Downwardwelding)Rotation angle (degree)

Picture during EBW

複数のダンベルを自動溶接するダンベルローダー
Pumping time (~30 min.) and cooling time(~30 min.) are duplicated in EBW processes.
e- gunon sideProto-type of four-dumbbell loader
Multiple dumbbells are loaded inside the EBW chamber at once and theEBW of dumbbells will be done continuously after pumping down.

7複数のダンベルを自動溶接するダンベルローダー

8セル溶接における空洞と電子銃の配置の考察
電子ビームの方向 ＝ 縦

重力の方向.

電子ビームの方向 = 横

Setting cavity in horizontal way
is rather compllicated (KEK-00).

Setting cavity in verticalway is simple (KEK-01).

重力の方向を考えると、ダンベルを縦に積んでいく方が作業効率が良い。

製造工程を量産化するには、空洞は縦に設置する方が良いと考察。

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複数の9セル空洞を自動溶接する空洞ローダー

Six-cavity
revolver fixture

Pumping time (~30 min.) and cooling time (~30 min.)are duplicated in EBW process. The time is reduced if
multiple-seams are welded in one pumping cycle.

Proto-type of
revolver fixture
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ILC超伝導空洞 エンド部の製作方法

HOMカップの先進深絞り製造法
エンドグループの部品は形状が複雑であるため、製造法の工夫によるコスト削減の効果が大きい。
従来法： 複数回の深絞り加工とアニーリング
先進法： 1回の深絞り加工（アニール無し）
Nb sheet thickness: 2.8 mm
HOM cup （φ48×64）

Achieved 70 mm
by single forming

しのはらプレスサービス社との共同研究

Trial to fabricate the freq.
tuning tab by press-forming.
(Under study)
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HOMアンテナの鍛造による製造
従来法: Machining

Collaboration with

先進法： Water-jet cutting+ Press-forming

Water-jet cutting in a job shopPress-forming
Resultoflowpower test is OK.
(Master thesis by F.
Yasuda, Jan. 2013,
the university ofTokyo, JAPAN)

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先進深絞りと鍛造で製作したHOMカプラーを溶接した9セル空洞の性能

Initial rise: 37.0 MV/m, Q0 = 6.0 x 109
Final rise: 35.9 MV/m, Q0 = 6.1 x 109

X-ray : ~1 mSv/h

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日本の高圧ガス法に準拠した空洞の製造
He in-between the Ti-jacket
and Nb cavity

Ti

Ti

Ti
Nb
日本で超伝導加速器を建設する場合、全ての超伝導空洞は日本の高圧ガス法に準拠して製造する必要がある。
For cavities by venders,
Manufacturer: KEK
Applicant: venders

For cavity KEK-03 in CFF,
Manufacturer: KEKApplicant: KEK/CFF

ILCを日本に建設する場合、相当数の空洞が外国から輸入される。 KEK/CFFは、これらの外国の空洞製造メーカーに対して、日本の高圧ガス法に準拠した空洞製造方法をガイドする役割を担う。
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その他のNb空洞製造に関する発表• 「異なる材質と工法で製造された超伝導加速空洞の性能評価」 清水 洋孝（KEK）他、WEOM04、8月４日（火）のセッション。

KEKでは、Nb材料や製造方法を様々に工夫して、Nb空洞の製造コストを削減するための研究を行っている。これらの研究のために、5個の単セル空洞をCFFにおいて内作製造し、性能測定を続けている。
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電解研磨(Electro-polishing / EP) 処理について• 電解研磨（EP）処理は、9セル空洞の最終内面処理として、ILCに要求される高い加速電界を実現するために最良の方法と考えられている。
• 電解研磨（EP）処理 は、ILCにおける9セル空洞の量産内面処理工程の中で最も複雑で高価な工程となっている。
• 現在の標準的な電解研磨処理法は “横型電解研磨（HEP）法”,と呼ばれており、 9セル空洞を水平に設置して、処理中に空洞を１ｒｐｍで回転させ、最後に電解液を排出するために空洞を倒立させる必要がある（複雑かつ高価な装置）。
• ILCにおける9セル空洞の量産化には、さらに単純で安価な電解研磨法が必要。このため、処理中に空洞を倒立して固定し、一切回転などが必要ない”縦型電解研磨（VEP）法” が世界中で研究されている。

最終内面処理：電解研磨（Electro-Polishing/EP）

Electro-Chemical Polish
Use Sulfuric acid + HF mixture
Apply voltage
between center Al electrode and Nb
cavityOptimize parameter for smooth surface
without sulfur residual particle
voltage and temperature are keyparameter
Successive rinsing is another key
technology
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STF/KEKの電解研磨（EP）施設
自動制御パネル
にて操作

EPベッド

9セル空洞

1階に設置

電解研磨液のタンク
2階に設置
KEKの電解研磨（EP）施設
EP acid: HF + H2SO4, アルミニウム陰極,
研磨スピード: 20µm/hour, V ~18V, I ~270A, T ~30degC (for 9-cell空洞),
空洞回転速度: 1 rpm.

横型 EP (HEP)

縦型 EP (VEP)

横型電解研磨（HEP）では空洞が回転(HEP setup at KEK-STF)
EP electrolyte
is fully filled.

EP electrolyte
is half filled.
液排水のために空洞を倒立

縦型電解研磨（VEP）では空洞は固定、つまり回転無し.(VEP setup at Saclay)横型電解研磨（HEP） / 縦型電解研磨（VEP）•

横型電解研磨（Horizontal EP / HEP)
Asia: KEK, Nomura Plating Co. Ltd.
Europe: DESY, Saclay, RI, Zanon
US: FNAL, ANL, Jlab, AES•

縦型電解研磨（Vertical EP / VEP)
Asia: KEK, Marui Galvanizing Co. Ltd.
Europe: Saclay
US: Cornell, JLab
Vertical electro-polishing (VEP)
・No need of large space
・No need of cavity rotation
・No need of horizontal-verticalconversion system

More suitable for mass productionマルイ鍍金社が開発した折り畳み式翼をもつカソード（陰極）EP electrolyte is circulated to removehydrogen gas and for low temperature.

The retractable-wing cathode to realize
uniform flow of electrolyte and uniform
distribution of electric current.

Flow direction•Side View

Rotationof cathodeAcidbathPump

処理中に発生する水素の泡の除去が難しい•Top View•Opened•Retracted

マルイ鍍金社は、この特殊な形状の陰極を「ニンジャ陰極 / Ninja cathode」と命名

マルイ鍍金社による単セル空洞と9セル空洞のためのVEPセットアップ
VEP Setup for 9 Cell

VEP Setup for 1 Cell(-)
Spot Cooler

Motor

Nb Single
Cell Cavity(+)
Pump 1Acid Container
Heat Exchanger

Schematic viewof VEP setup
Pump 223

Nbクーポン・サンプル用の単セル空洞による試験••••クーポン用の単セル空洞

The coupon cavity contains 6 Nb disk type coupon atbeam pipes, irises and equator.
The coupons were set to be electrically isolated fromthe cavity.
The isolation allowed us to measure coupon current
from individual coupon.
The cavity is having 4 view ports also on the top iris,
bottom iris and equator for light introduction and inView
situ observation of wings and H2 bubbles.
Ports
EP solution: H2SO4(98%):HF(55%)=9:1
Voltage: 9V
Flow rate: 5L/min
Cathode rotation speed: 5rpm
EP duration: 90min
Flow direction: Bottom to top

Coupon position by red arrow

空洞の各位置での研磨状況を確認することができる。

Nbクーポンサンプル

VEP condition (an example)8 mm24

実験後のNbクーポン・サンプルの顕微鏡写真
Just after awing passed Rod cathodeBefore VEP

500 µmTop Beam
PipeTop Iris

EquatorBottom Iris

Bottom Beam
PipeNIN
JAROD• The top iris surface always found rougher than other positions of the cavity.
• The rod cathode enhanced surface roughness at the top iris and equator. 25• The bubbles attack the surface microscopically and make rough surface.

VEP研究の詳細に関するポスター発表• 「ニオブ製1 セル加速空洞縦型電解研磨の研磨内面均一化」 仁井啓介（マルイ鍍金）他、WEP048、8月5日（水）ポスターセッション。
• 「ILC用ニオブ製9セル加速空洞の縦型電解研磨設
備の作製と研磨実施」 仁井啓介（マルイ鍍金）他、
WEP049、8月5日（水）ポスターセッション。
• “Vertical Electropolishing of Nb Coupon Cavityand Surface Study of the Coupon Samples”, V.
Chouhan (Marui Galvanizing Co. Ltd.) et al.,
THPP098, Linear Accelerator Conference 2014
(LINAC14) at Geneva, Switzerland.
26マルイ鍍金社＋コーネル大学＋KEKでVertical EP (VEP) の共同研究を推進
2014年末に, 1本のTESLA型9セル空洞がKEKからコーネル大学(F. Furuta and G.
Hoffstaetter) へVEP実験のために送られた。
VEP実験の下準備を行っている。
Bulk BCP (total 100 um, flipped cavity after
50 um etch) was done at Cornell university
for the surface preparation before VEP
experiments.
• BCP acid solution;
HNO3:HF:H3PO4=1:1:2.
• Removal rate ~1um/min.
• DIW cooling shower for outside surface.
• Kept temp. 15degC during process.
Degassing/annealing at 800 0C for 2 hours
followed.
BCP (100 um) at Cornell university

現在、 9セル空洞はVEP実験の待機状態にある。

弗酸を使わない電解研磨法の開発 / 野村鍍金社＋KEK
パルス電圧のパラメーター
AC 200V rectangular wave
Normal : ~+40 A
10 ms - 99.9 ms

実験セットアップPt mesh
陰極Reverse : ~-100 A
0.1 ms - 2.0 ms
電解研磨液の候補：
H2SO4、HCl、HNO3、H3PO4、NaOH

Electric current
supplier
弗酸を使わない電解研磨法では、配管として普通のプラスチック部品が使えるため大幅なコストダウンが期待できる。

Nb coupon
陽極stirrer

希硫酸によるニオブのパルス法電解研磨 / 野村鍍金社＋KEK
電解研磨液 : 10% H2SO4I

Tanodic
Ianodic
Icathodic
Tcathodic×1250

パルス電圧のパラメーター
Tanodic
10 ms Ianodic +0.6 A
2 ms Icathodic -2.4 A
Tcathodic
Reference
E.J.Taylor et al., Proceedings of SRF2011, Chicago, ILUSA, p377-381.
E.J.Taylor et al., Journal of The Electrochemical Society,
160 (9) E94-E98 (2013).

希硫酸によるパルス法電解研磨を行ったニオブサンプル

電解研磨実験の結果 / 野村鍍金社＋KEKNaOH

H2SO4Surfaceroughness

Surfaceroughness

Ry=2.1 μm

Ry=1.5 μm

T= 20℃
Conc.
10%

T= 50℃
Conc.
10%

×500
Tanodic
Tcathodic

10 ms Ianodic +0.6 A
2 ms Icathodic -2.4 A

×500
Tanodic
Tcathodic

特許を取得

10 ms Ianodic +0.6 A
2 ms Icathodic -2.4 A

M. Umehara (Nomura Plating Co. Ltd.) et al., THPP107,
Proc. of LINAC14, September 2014, Geneva, Switzerland.

Estimation of cavity production plant

KEK-MHI

Simulation study assuming CFF housing area（53m x 30m）
EBW

EBWCP

Eddy-current
scan

reception
Press formingstockInspection

Trimmingparts delivery

shipping of
jacketed cavity

Stock area

Bulk EPannealTuning machine

AC power area
Inspection

Assuming Nb plates for cell,fabricated end-group parts are input,
200 working days/year, 2 shifts/daywith 30 people times 2 shifts

JacketMax. production rate will be ~530 cavities/year,~2650 cavities for 5years.
Assuming that final treatment and vertical test will be done in other place.

31まとめ• ILCの建設では、~17,600 台の空洞の量産製造が必要である。KEK
では、その研究のために空洞製造施設Cavity Fabrication Facility(CFF) を建設した。
• KEK/CFFでは、電子ビーム溶接におけるダンベルローダー、9セル空洞ローダー、 空洞のニオブ部品の先進製造法（ 先進深絞り、鍛造、ファインブランキング等）といった様々な量産化技術の研究を行っている。
• KEKは、高圧ガス法に準拠した空洞の製造手順に習熟し、国外の空洞製造メーカーをガイドする役割を担う。
• ILCでは、空洞の最終内面処理として電解研磨を行うが、これは最も複雑でコストがかかる工程である。このため、縦型電解研磨（VEP）法や弗酸を使わない電解研磨法の研究を進め、工程の単純化とコスト削減の努力を続けている。
• 空洞の量産における工場のシミュレーションでは、こういった量産化技術を取り入れた場合も含めて研究を行っている。

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