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)

RINSING TESTS OF SINGLE-CELL SRF CAVITIES WITH END-GROUP
Fumio Furuta1A), Kenji SaitoA), Hitoshi InoueA), Yuichi MorozumiA), Juho HongB)
A)
KEK, High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba 305-0801, JapanB)
POSTECH, Pohang University of Science and Technology
San 31, Hyoja-Dong, Nam-Gu, Pohang, Gyongbuk 790-784, Korea
Abstract
我々はKEK-LL(ICHIRO)形状のニオブ超伝導空洞による高電界達成を目指した研究を続けてきた。単空洞では50MV/m高電界が原理実証されたが、9セル空洞では30MV/m付近に制限された。9セル空洞の両端は、大電力入力結合器用ポートや高次モード(HOM) 取り出しポートなどが付いた複雑な構造（エンドグループ）になっており、試験結果からそこに問題があることが示唆された。我々はエンドグループ形状を持つ空洞（ISE空洞）を5種類製作し、エンドグループ問題の理解と解決に努めた。エンドグループに対しては単セルのシリーズテストで最も信頼性の高かった表面処理レシピを施してもフィールドエミッションなどで35MV/m以下に性能が制限されてしまった。この問題に対し、我々は洗浄強化による解決を図った。本論文ではそれぞれのISE空洞及び性能試験結果について報告する。

エンドグループ型単セル超伝導空洞の洗浄試験
１．はじめにKEKではニオブ超伝導空洞による50MV/m級高電界の実証を目指した研究を進めてきた。KEK-LL形状 (ICHIRO) に よ る 単 セ ル 空 洞 (IS 空 洞 ) で は50MV/mの原理実証ができた [1]。しかし同形状の9セル空洞(I9空洞)では、エンドグループを持たないシンプルBP型の0号機(I9#0)では30MV/mに、実機型のエンドグループを持つ1号機(I9#1)では19MV/mに性能が制限された(図1)。エンドグループとはエンドセルを含む空洞両端のビームパイプ(BP)、及び高次モード取り出し用ポート(HOM)や大電力入力結合器用ポート(Input port)、RFモニタピックアップ用ポートの部分のことを言う。9セル空洞の試験から問題の一部は両端のエンドグループにあることが分かった。我々はエンド部の改善を施したNew-ICHIRO型9セル空洞(New-I9空洞)の設計を行うと共に[2]、エンドグループ形状をもつ単空洞(ISE空洞)を5種類製作して試験し、問題の洗い出しと解決を図った。本報
告では製作したISE空洞とその試験結果について述べる。

２．製作したエンドグループ型単セル空洞
我 々 は ISE 空 洞 #1~#5 ま でを製作した(図2)[3]。
ISE#1はφ108のストレートBP型、ISE#2はφ108のテーパー付きBPでI9#0と同様である。これらは初期のI9空洞設計に基づいており、φ108の大径BPの影響とテーパーの影響を調べる目的を持つ。ISE#3~#5
はNew-I9空洞に基づく。ISE#3はφ80ストレートBP型でエンドセル形状とφ80BPの影響を調べる目的を持つ。ISE#4はφ80BPにInput port及びHOM用シリンダー付き(HOMアンテナはなし)、ISE#5はInputportとアンテナを含めた実機同様のHOM付きで、HOMポート等の影響を段階的に調べる目的をもつ。
表1にRFパラメータをまとめる。

ISE#1

ISE#2

ISE#3

ISE#4

ISE#5

図2：製作したエンドグループ型単空洞
10 1110

I9#0 w/o HOM
Eacc=29.3
Qo=1.02e10

Г[Ώ]

Z

Hp/Eacc

Ep/Eacc

Emax t theoretical

ISE#1

297.54

85.3

43.4

2.49

40

ISE#2

297.5385.443.4

2.4940quench

ISE#3,4,5286.9

94.6

38.8

2.254510QoFE10

表１：エンドグループ型単空洞のRFパラメータ

9I9#1 w/ HOM
Eacc=19.08MV/m
Qo=3.64e910 8010

３．φ108ビームパイプに関連する問題
2030
Eacc [MV/m]40

図1：I9#0、I9#1の測定結果

50

3.1 Low-Q問題
初期のI9空洞は片側にテーパー付きφ108BPを持つ。

1E-mail: fumio.furuta@kek.jp-830-

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これは将来のスーパーストラクチャーを狙ったためである。しかしφ108BPを持つISE#1,#2では通常、IS空洞、φ 60BP を 持 つ セ ン タ ー セ ル 型 単 セ ル 空 洞 、 で は5MV/m付近でQ値が2~3e10であるのに比べ、1e10以下程度しかないというLow-Q問題が起こった(図3)。これはフランジシール構造とRFシミュレーションの解析から、BPがφ108と大きいためにセルからBPへのRFのしみだしが大きくなり、空洞フランジとトップフランジのシール部にできた隙間（~0.1mm）にRF電流が流れ、フランジSUS部分で大きく発熱するためと分かった[4]。これを解決するた
めにトップフランジを組み立て後にギャップレスとなるように構造を変更した(図4)。その結果、3e10程度のQ値を得られ、Low-Q問題を克服した(図5)。
1 0 111 0 10Qo
1 09

図6：SLACによるMP解析は厳しいものの、克服できてほぼ理論限界である39MV/mまで到達した。Low-Q問題も同時に発生したが電界性能には影響しなかった。Low-Q問題を解決 し た 後 の 再 処 理 、 脱 脂 洗浄と高圧超純水洗浄(HPR)、によって理論予想限界の42MV/mを達成した(図5)。このときもMPは6~32MV/m付近で発生し、テーパー部及びφ108BP部のMPは脱脂洗浄のみでは克服しがたいと示唆された。9セルの30MV/mの限界も時間をかけたプロセスで克服できる可能性もあるが、時間がかかると液体ヘリウムの消費が多くなるなど負担も増えるため、IS空洞で示唆されたMPフリーのレシピが必要と言える。

IS E # 1
IS E # 2

1 080102030
E a c c [M V / m ]40

４．New-ICHIRO形状ISE空洞50

図3：ISE#1,#2のLow-Q問題
4.1 ISE#3による高電界実証試験
Top flange

In sealing
0.1mm

SUS316L

New-ICHIRO形状でφ80シンプルBPを持つISE#3
では、当初IS空洞用のベストレシピ[6] では高電界を達成できなかった。これはISE#2からのフィードバックをかけたISE#3用の新しいトップフランジの不具合によるものであった。電解研磨(EP)+脱脂洗浄処理に戻し、IS空洞同様のフランジとシール方法で組み立てた結果、理論限界以上の50MV/mを達成し、かつMPフリーであった (図7)。ISE#3 の試験より、エンドセル形状+φ80シンプルBPでは、高電界達成に問題無いこと、Low-Q問題が発生しないこと、脱脂洗浄がMPフリーに有効であることが示された。

In sealing
0.2mm

SUS316L
Nb

Nb

Ti

Ti

Nb

CavityflangeCavityinsideNb

BP

図4：Low-Q問題の解決、フランジ構造の改善
10 11

10 1 1

10 10
Qo

10 1 0109

Qo
ISE#1
ISE#2

1010 980102030
Eacc [MV/m]

405010 8

図5：ISE#1,#2のベストデータ
3.2 φ108ビームパイプテーパー部のMP010203040
Eacc [M V /m ]5060

図7：ISE#3の高電界試験結果

I9#0号機ではMPによって30MV/mに性能が制限された。SLACからこの30MV/mでのMPはφ108BPのテーパー部で起こるという解析を受け (図6) [5] 、我々はI9#0の制限はこのテーパー部MPであると考え た 。 こ の 問 題 を ISE#2 で 調 べ た 。 ISE#2 で は6~30MV/m付近まで連続的にMPが発生したものの、30分程度かけてプロセスできた。センターセル形状のIS空洞では、通常18~26MV/m付近で発生し5分程度でプロセスできることに比べるとテーパーのMP

4.2 ISE#4、ISE#5による高電界実証試験
ISE#4、#5に対しIS空洞用べストレシピを施し試験した
ところFEによって18MV/m、33MV/m付近に性能が制限された (図8)。これに脱脂洗浄やHPRを繰り返しても改善は見られなかった。我々はエンドグループにポートが付いた場合、IS空洞で懸念したEP中に発生する硫黄による汚染が特にエンドのポート部に集中し、脱脂のみで-831-

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10 1110 11

IS E # 4
IS E # 5

N=2510 10

10 10

4QoQo

31091092
1st2nd10ISE#4
ACD target

110 880102030
40
E ac c [M V / m ]500601011

図8：ISE#4、#5の初回試験結果
10 11102030

Eacc[MV/m]

4050

5N=5ISE#5 tightloop
ACD target

10 1032

1st2nd3rd4th5th109

Qo
911080

ISE#4
ISE#510 841010

Qo1060010203040
Eacc [M V/m]

50102030

Eacc[MV/m]

405060

図10：ISE#4(上)、ISE#5(下)のtight loop試験

60

図9：ISE#4、#5のベストデータ
は洗浄が不十分であると考えた。そこでより硫黄を溶解するエタノールによる洗浄強化を試すことにした。まずISE#5にエタノール洗浄+再HPRを施したがやはりFEで制限されてしまった。我々は、空洞が一旦、乾燥・組み立てからRFテストまで進んだ場合には、硫黄汚染が進行し洗浄のみでは除去出来ないと考えた。ISE#4、#5共にEP(20 m)とエタノール洗浄を組み合わせた処理(次節参照)を施したところISE#4では50MV/m、ISE#5では40MV/mを達成した。その後、同様のレシピを繰り返した
結果、ISE#5では最高45MV/mを達成している。図9にISE#4、#5のベストデータを示す。
4.3 ISE#4、ISE#5によるtight loop test
ISE#4、ISE#5によって高電界性能の歩留まり試験を開始した。両空洞で高電界性能を達成したレシピ+EP(20 m)+flash EP(3 m) + Ethanol rinse +Degreasing +HPR+Bakingを繰り返し、性能の再現性をみる。ISE#4では2回目、ISE#5では5回目までの繰り返し試験(tight loop test) を行った。結果を図10に示す。

５．最後に9セル空洞の問題の理解と解決のためにエンドグループ形状を持つ5種類の単空洞(ISE#1~#5) を製作・試験した。φ108の大径BPのもつLow-Q問題をシール方法及びフランジ構造の変更で解決した。9セルでハードバリヤーとなったテーパー部MPはISE#2 で は 時 間 を か け る こ と で プ ロ セ ス で き 、42MV/mを達成した。テーパー部MPは9セルではより厳しいことが予想されMPフリーレシピの開発が必要である。New-ICHIRO形状を基にするISE#3~#5
では45~50MV/mを達成した。New-ICHIRO形状に対し 、 エ ン ド グ ル ー プ（エンドセル、Input port 、HOMポート等）自体は高電界達成に支障がないことを実証した。但しHOMやInput portを持つISE#4、#5では、シンプルBP型のIS空洞やISE#3と異なりエタノール洗浄による洗浄強化が高電界達成に必要である。これはEP中に発生する硫黄の汚染がエンドグループのような複雑な構造に付着した場合、単純な洗浄 (HPRや脱脂)のみでは除去困難で、エタノールのように溶解して除去する方法が有効なことを示唆している。ISE#4と#5を比べた時に、HOMアンテナが有る場合(ISE#5) は電界性能が45MV/mに制限されており、歩留まりも低い。これは、HOMアンテ
ナにはHPRから見て陰になる部分ができ、その部分の汚染が除去しにくいことが関係すると考えている。
複雑な構造のエンドグループへの効果的な洗浄方法の開発が、9セル空洞で性能歩留まりを補償する鍵と言える。現在ISE#4、#5を使った歩留まり試験を続けており、6回の試験結果統計を得る予定である。
今回製作したISE空洞のうち#2~#5までは理論予想限界値の性能を得た。ISE#1については40MV/mの理論予想限界に対し、34.5MV/mまでしか到達しておらず、高電界の達成に向けた改善が求められる。また
ISE空洞の結果をフィードバックし、9セル空洞での高電界達成が最重要課題である。

参考文献[1] F. Furuta et al., Proc. 10th Eur. Part. Acc. Conf.
(EPAC2006), Edinburgh, June 2006 p.750[2] Y. Morozumi et al., Proc. 22nd Part. Acc. Conf. (PAC07),Albuquerque, New Mexico, June 2007, p2439, p2575[3] J. Hong, WG5-Asia Meeting on 28th September 2007,
http://lcdev.kek.jp/ILC-AsiaWG/WG5notes/[4] Y. Morozumi, WG5-Asia Meeting on 22nd January 2007,
http://lcdev.kek.jp/ILC-AsiaWG/WG5notes/[5] Ko et al., WG5-Asia Meeting on 8th May 2006,-832-

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)

http://lcdev.kek.jp/ILC-AsiaWG/WG5notes/[6] F. Furuta et al., in this proceeding, TP072-833-