Transcript ILC-SCRF 加速空洞・工業化開発 基本構想とKEKへの要望 - ILC-Asia

SCRF 加速空洞・工業化開発
基本構想とKEKへの要望
山本 明
ILC-GDE Project Manager (SCRF)
2009-6-8
アウトライン
• ILC Technical Design Phase で目指す研究開発
• 工業化研究開発立ち上げ（提案）の動機と目的
• 工業化開発で目指すこと
– 基礎開発と工業化開発のバランス
• KEK取り組みへの要望
ILC Technical Design Phaseにおける
研究開発計画
• SCRF加速空洞電界性能の向上
– 9連空洞電界性能： 35 MV/m @ 達成率 90 %
• 2010年までの開発実績により、更に最適化
• クライオモジュールとしての性能
– 国際協力による構成(KEK. 4: DESY, 2: FNAL, 2) において31.5
MV/mを達成（S1-Global)
• 加速器システム（ユニット）としての性能
– 高周波電力源(HLRF), 制御(LLRF)、ビーム加速を含む、システ
ム系統試験
• 加速空洞・工業化研究開発
– 加速空洞製造パイロットプラントによる量産化研究開発
• 工程、品質管理、生産性の向上（コストダウン）
• プロジェクト実現にむけた説得力のある量産技術、コスト評価
Progress Towards High-Gradient Yield
Recent DESY/JLab
“production” series.
Total 39 cavities (08/09)
Mostly result of first coldtest (few cases secondtest)
Field Emission greatly
reduced (rinses)
 identified RDR barrier
Baseline gradient reevaluation (TDP1)
expected to be based on
sample of >60 cavities
Current status:
50% yield at ~ 33 MV/m;
(80% >25MV/m)
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ILC-PAC Review: SCRF
4
S1-Global Collaboration
Complementary activity to
regional cryomodule
development
FNAL 
x2
DESY
x4

 INFN Milan
KEK, Japan
x2
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SRF Test Facilities
FNAL 
NML facility
Under construction
first beam 2010
ILC RF unit test
DESY

TTF/FLASH
~1 GeV
ILC-like beam
ILC RF unit
KEK, Japan

STF (phase I & II)
Under construction
first beam 2011
ILC RF unit test
(* lower gradient)
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ILC-PAC Review: SCRF
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Global Plan for SCRF R&D
A Summary
Calender Year
Technical Design Phase
Cavity Gradient R&D
to reach 35 MV/m
Cavity-string test:
with 1 cryomodule
System Test with beam
1 RF-unit (3-modulce)
2007
2008
2009
2010
2011
TDP-1
2012
TDP-2
Process Yield
Production Yield
> 50%
>90%
Global collab.
For <31.5 MV/m>
FLASH (DESY)
STF2 (KEK)
NML (FNAL)
R&D/prepare for
Indusrialization
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ILC-PAC Review: SCRF
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Cavity- and Cryomodule-String
Test Program (S1G, S2) at KEK
C. Year
2008
2009
2010
Cavity String
(S1-Global)
Cavity
>>
Ins
Cryomodule
String Test (S2)
2011
2013
2014
Test
*High Pressure Code Regulation/Stamp to be applied
Quant. Beam*
(Compact L.S.)
Cavity
>>
Inst.
Cryomodule 1*
Cavity
>>
>>
Cavity
>>
Cryomodule 2,3*
2012
Test
Ins & T
>>
Technical Design Phase
Ins
Ins & T
Development to be
continued
R&D/prepare for Indusrialization
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ILC-PAC Review: SCRF
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GDE: ILC Timeline
2005 2006
2007 2008 2009
2010 2011
2012 2013
GDE process
Reference Design Report (RDR)
Tech. Design Phase (TDP) 1
TDP 2
LHC physics
Ready for Project
Submission
We are here
090226
ILC-GDE SCRF
9
工業化研究開発立ち上げ（提案）の
動機と目的
• 国際的に空洞製造企業の訪問および技術者とのディス
カッションに基づく
– ILCスケールでの空洞開発／製造の準備は現在の開発、既
存／近未来計画（XFEL, Project X)の単純な延長では繋がら
ない
• 工業的自動化(Factory Automation)を含む量産化技術
の開発の立ち上げには時間を要し、今の段階で開発の
立ち上げが必要。
– 製造の自動化、品質管理、製造時間、コストの把握／削減
• 加速空洞性能向上の為の開発と併行して進める必要
がある。
Visit to Cavity Manufacturers: 2009
Europe:
RI << ACCEL
ZANON
Americas:
AES
NIOWAVE
PAVAC
090509
Asia
MHI
Notes:
AES: Advanced Energy Systems
RI: Research Instruments (previously, ACCEL)
MHI: Mitsubishi Heavy Industries
ILC-PAC Review: SCRF
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Visit to Cavity Manufacturers: 2009
Company
# employees
Features
Date
AES
~26
Experience with RICH magnet production in
the previous company,
Dedicated for SC/NC RF technology
Feb. 24
NIOWAVE
~40
A New company dedicated for Niobium and
microwave technology
Feb. 25
ACCEL/RI
~100
Most experienced company with SCRF, and
adaptable for production scale of European
XFEL
Mar. 4
ZANON
~200
Much experienced with plumbing work and
SCRF cavities, and with HERA cryostat,
Adaptable for scale of European XFEL
Mar. 6
MHI
>>1,000
A leading company in heavy-industries in Japan, Mar. 10
and experienced with SC/NC RF cavities and
accelerator technologies
PAVAC
~30
A unique features with EBW machine itself
and SCRF cavity manufacturing
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ILC-PAC Review: SCRF
May 7
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Toward Industrialization
• Global status of Industries
– Research Instruments and Zanon in Europe
– AES, Niowave, PAVAC in Americas
– MHI in Asia
Project Scope
Euro XFEL
~800
2 years
~1 cavity / day
Project X
~400
3 years
~2 cavities/ week
ILC
~15,500
4 years
~20 cavities / day
( 3 regions
~7 cavities / day)
• Industrial Capacity: status and scope
– No company currently has required ILC capacity
– Understand what is needed (and cost) by 2012
090509
ILC-PAC Review: SCRF
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A Plan for R&D facilities and Preparation for
Industrialization
（Presented at ILC-AAP (April, 2’09), PAC (May 2009)
•
•
Bench-mark R&D facility (pilot plant) to study cost-effective
manufacturing
ベンチマーク開発施設・全行程を含むパイロットプラントの構築,
–
–
–
–
•
•
Forming and preparation machining,
Pre-surface treatment and preparation,
EBW process with efficient automation,
In-line Inspection during fabrication process for quick-feedback,
R&D facilities to be sited at Laboratories
研究所がホストし、企業と協力し、開発施設を構築
– Effort to seek for the most cost-efficient manufacturing with keeping information to be
open,
– Development to seek for a bench-mark, manufacturing facilities (design and/or itself can
be applicable for the real production.
– It is important for industries to participate to the program since Day-1. for planning.
•
We may discuss a possibility
– An industrial meeting to be held as a satellite meeting at the 1st IPAC, Kyoto,
May, 2010.
•
090528
ADI Meeting at DESY
14
パイロットプラントの構築
• 量産化技術を磨くためのパイロットプラント
– 工業生産として必要な自動化技術の開発
– 製造行程、品質管理、コストのより正確な把握
– コスト削減にむけた説得力のある評価
• 研究所がホストし、企業／工業界と協力する
– 製造設備企業、空洞設備企業の協力（参加）を得た開発
を初期段階から目指す
– 完成段階では、複数の空洞製造企業が使用可能な設備、
製造技術を提供する
– 空洞製造に設備を貸し出すことも視野にいれ、製造設備
としての価値を目指す
製造研究開発施設（パイロットプラント）
の範囲
• 空洞製造施設全般（EBWはそのコア施設）
– Nbシート材／ディスク材の準備
– 成型／プレス
– 空洞電子ビーム溶接機
• 前後処理、ワーク自動セッティング、検査設備を含む
• エンドグループ製造設備については別途最適化要
– Cavity Integration
• 総合検査システム
• 表面処理、クライオモジュール組み立てまでの
一環生産システムの実証施設を目指す
空洞性能開発との連携
空洞性能研究開発（基礎研究）の継続的な進展
製造／量産技術開発の進展
時間
国際的な工業化開発・展望
• 日本（KEK), ヨーロッパ（DESY)
– 電子ビーム溶接方式での工業化技術の確立を研究所を主体として
進める
– 圧力成型方式等は、長期的な基礎開発として位置づける
– Large grain sheet は併行して推進可能
• アメリカ(FNAL)
– 圧力成型方式等、EBWを脱却した工業化技術開発の推進を展望（B.
Kephart)
• PM(SCRF) としての考え
–
–
–
–
多様な工業化研究開発を立ち上げることが大切
地域の特色、制限により、具体的な技術方針に特色があって良い。
相補的な開発として捉え、成果を共有することが大切。
お互いの開発を、奨励、相互サポートしていくことが大切。
KEKの推進体制への要望
• パイロットプラントの開発が将来的に、複数の
空洞製造会社を育てることに繋がる方策
– KEKがホストし、夫々の製造技術に優れた会社の
参加を促す努力、
– 施設完成後、複数の希望企業と共同で、工業化
技術を習得できる開発の推進、
– ILC, ERL, KEKB等の加速空洞とともに、KEK内の
様々な加速器要素開発にも開かれた施設として、
サポートを得た推進、
KEKにおける推進体制への希望
• 機構内共同開発プロジェクトの位置づけ
– 加速器研究施設と共通基盤研究施設の開発協
力計画として位置づけることが適切。
– 加速器施設がプロジェクトの目的に沿い中心的
な役割を果たし、そのうえで、
– 共通研究施設から、機械工学センターが機械加
工、溶接等において主体的に活動できる体制を
期待。超伝導低温工学センタがこれに協力する。
– これらが可能なプロジェクト運営、推進を願う。
バックアップ
• 資料
SCRF Technology Required
Parameter
C.M. Energy
Value
500 GeV
Peak luminosity
2x1034 cm-2s-1
Beam Rep. rate
5 Hz
Pulse time duration
1 ms
Average beam current
9 mA
Av. field gradient
31.5 MV/m
# 9-cell cavity
# cryomodule
# RF units
090226
(in pulse)
14,560
1,680
560
ILC-GDE SCRF
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How May We Reach Our Goal?
Push Quench & field emission Limit
• Classical defect/field emitter
• EP specific…
Push Quench Limit:
• Defects from material
• Defects from fabrication (EBW)
• Renewed studies
Prepared by R. Geng (Jlab)
090509
Past yield curves show best gradient of JLab data set
ILC-PAC Review: SCRF
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Technical Design Phase and Beyond
TDP Baseline Technical Design
RDR Baseline
TDP-1
TDP-2
TDR
New baseline inputs
Change
Request
RDR ACD concepts
R&D Demonstrations
MM studies
2009
17-April-09
TILC09
2010
2011
Global Design Effort
2012
2013
25