Transcript 国際リニアコライダー計画のための超伝導加速空洞のSTF

国際リニアコライダー計画のための超
伝導加速空洞のSTFにおける
性能試験の最新結果
Contents
導入
縦測定へ至る工程
縦測定の結果
新規参入メーカーによる空洞製作
国際協力の成果
まとめ
山本康史、加古永治、佐藤昌史、宍戸寿郎、野口修一、早野仁司、渡邊謙
（高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設）
2010/8/4
第７回日本加速器学会年会＠姫路
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superconducting rf test facility
2010/8/4
導入
第７回日本加速器学会年会＠姫路
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STFの超伝導空洞の特長
superconducting rf test facility
TTF Cavity
STF Baseline Cavity
Stiffness of Cavity
Fixing Support
Lorentz Detuning
STF Baseline Cavity
72 kN/mm
-150 Hz
TTF Cavity
22 kN/mm
-500 Hz
(31.5 MV/m)
(パルス中のflat-topにおける)
エンドセル部周辺の機械的剛性を強化して、高電界運転時のローレンツ離調の影響を
極力少なくしている。
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空洞受け入れ後から縦測定までの流れ
superconducting rf test facility
as received from a vendor
Optical inspection
f0 & Field flatness
measurement
surface treatment
(bulk EP∼100μm)
annealing
>96%
surface treatment
(light EP ∼20μm)
Optical inspection
pre-tuning
2週間かかって一周
☠
Cryomodule test
V.T.
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cavity string assembly
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これまで測定された空洞
superconducting rf test facility
 MHI#1-#4 (Phase-1)
 STF Phase-1計画のために最初に製作された空洞
 溶接時の品質が最適化されていないためバレル研磨を行っている
 MHI#5, #6 (S1-Global)
 溶接前後の処置を含む溶接条件を大幅に変更したためバレル研磨はス
キップ
 MHI#7-#9 (S1-Global)
 さらに溶接条件の見直しを行った
 MHI#10, #11 (S0)
 現在測定中。今秋３回目の縦測定を予定。
 赤道部の溶接で、突き合わせからインロー構造に変更
 HIT #1, TOS#1 (New vendors)
 IHEP #1 (International Collaboration)
 MHI#12～ (Phase-2)
測定予定
2010/8/4
MHI-A (コストダウンのための試作機)
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MHI#8号機のケース(Q0-Eacc curve)
superconducting rf test facility
 この空洞は計４回の縦測定を行っている(通常は３回が最大)。
 最初の縦測定後、発熱箇所に大きなdefectが見つかったため、局所研磨機により
これを除去した。
 ２回目の縦測定では性能が大きく向上したが、３回目を行ったところ性能が大きく
劣化してしまった(原因不明)。
 表面処理として、低電流密度(30mA/cm2)による電解研磨を初めて実施した。
 ４回目を試したところ、過去最高の結果を得た。
16.0MV/m@Cell#2
thermal quench by
defect or contamination
17.5MV/m@Cell#2
thermal quench by
defect or contamination
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26.8MV/m@Cell#2
thermal quench by
defect or contamination
K. Watanabe
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MHI#8号機のケース(パスバンド測定)
superconducting rf test facility
low current density EP (30mA/cm2)
~40MV/m @every cell!
クエンチしていないため発熱箇所不明
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MHI#8号機のケース(温度マッピング)
superconducting rf test facility
発熱箇所は毎回異なっており、#5, #6号機に比べて溶接の質が向上したことがわかる。
1st V.T. @9/Jul/2009
7π/9 @28MV/m
3, 4, 8π/9, π @16~17MV/m
2nd V.T. @29/Oct/2009
3, 4, 8π/9, π @27~30MV/m
3rd V.T. @26/Nov/2009
4th V.T. @18/Feb/2010
3, 4, 5, 7, 8π/9, π @17~20MV/m
5, 6π/9 @25~27MV/m
5, 7π/9 @32, 38MV/m
6π/9 @39MV/m
3, 8π/9 @34, 40MV/m
6π/9 @40MV/m
6π/9 @41MV/m
pre-EP
EP1
EP2
: 5μm
: 100μm
: 20μm
EP2
: 30+20μm
Degreasing(FM-20)
+HWR+HPR
EP2
: 20μm
Degreasing(FM-20)
+HWR+HPR
Ethanol+HWR+HPR
EP2 : 20μm
(low current density)
Degreasing(FM-20)
+HWR+HPR
３回目の縦測定後に、低電流密度による電解研磨を実施した。
通常は50mA/cm2であるが、この場合は30mA/cm2である。
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MHI#8号機のケース(局所研磨と内面検査)
superconducting rf test facility
cell #2, 172°@16.0MV/m (triangle pit)
完全に消失！
空洞の受け入れ時には何も無かった所に、
20μmの電解研磨を施したところ突然３角型のdefectが現われた。
通常と異なる形のため、局所研磨の実施を決断した。
K. Watanabe
cell #2, 86°@26.8MV/m (ellipse bump)
２回目の縦測定時に発熱していた箇所を調べたところ、
バンプ形状のdefectが見つかった。
赤道からかなり離れたところのため、事前調査は行っていない。
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MHI#8号機のケース(表面処理方法)
superconducting rf test facility
low current density!
average current density [mA/cm2]
operational voltage [V]
cavity temperature [℃]
reservoir temperature [℃]
MHI#6 @2009/5/27
MHI#7 @2009/10/7
MHI#8 @2009/11/18
MHI#8 @2010/2/9
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superconducting rf test facility
Defectに関する知見
 世界の様々な研究所から縦測定中に発熱していた箇所で見つかったdefectに関
するデータが多く集められている。
 それによると、100μm程度の深さを持つものは問題のようである。
 サイズの小さなdefectは数多く見つかっているが、ほとんど問題を起こすレベルで
はない。
Simple picture (wall gradient)
R. Geng
C. Ginsburg
S. Aderhold
K. Watanabe
mild
☠
steep
size
depth or height
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表面処理に関する様々な試み
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電解研磨
 電流密度を下げて行う(50  30mA/cm2)
 低電圧による処理(海外の研究所では効果があると指摘されているが)
一次洗浄
 茶色の染みが付き難い方法を模索中(溜め込み方式か、攪拌方式か)
 システムを大きく変更する必要がある箇所のため容易に改良できない
Degreasing
 FM-20 or Liquinox(field emissionに対する効果)
温水超音波洗浄
茶色の染み
 現在はスキップしている(不要の工程)
高圧水洗浄
 洗浄時間は十分か
 部屋の環境は清浄か
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Liquinox使用後の空洞内は泡だらけである
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MHI#10号機のケース
superconducting rf test facility
 空洞の受け入れ時に多くのdefectが見つかっていたが、いずれも小さなもので問
題があるようには見えなかった。
 １回目の縦測定でCell #1の発熱で性能が制限された。
 その場所は、事前にdefectが見つかっていた所であるが、サイズが小さいため偶然
あったものとして通常の表面処理を施し、２回目の縦測定に臨んだ。
 しかし、２回目の縦測定でも同じ場所が発熱を起こしていた。
 局所研磨を施すことにし、３回目の表面処理を行う予定である。
MHIの空洞でビード上にdefectが
見つかったのは今回が初めて
熱影響部
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ビード上
熱影響部
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MHI#10号機のケース(温度マッピング)
superconducting rf test facility
どちらの測定でも同じ場所が発熱していた。
Cell #1の赤道上には４つのdefectが事前に見つかっていた。
1st V.T. @20/May/2010
2nd V.T. @17/Jul/2010
4~9π/9 @24~25MV/m
4~9π/9 @26~27MV/m
#5, #6号機では各縦測定で
同じ場所に発熱が見られたが、
#7～#9号機ではそのような場所は
一つも無かった。
しかし、#10号機では再発した。
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MHI#10号機のケース(レプリカ作成と局所研磨)
superconducting rf test facility
 このまま３回目の縦測定を行っても同様の結果しか得られないと判断し、局所研
磨を施すことにした。
 局所研磨を実施する前に、このdefectの形状を把握するため、レプリカを作成し、
３次元解析を行った。
 その結果、このdefectが単純なピットではなく、複雑なカルデラのような形状をして
いたことが判明した。
高低差100μm
defectのレプリカを作る。
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複雑な形状
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Cell #1のため、手で研磨可能！
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新規参入メーカーの空洞性能
superconducting rf test facility

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従来の空洞製造メーカー以外からも新規参入が相次いでいる(2社)。
昨年度から、KEKとの共同研究という形を取りながら、空洞製作を開始した。
約一年をかけた後、両社とも試作機を完成させた(HOMカプラ無し)。
完成後、STFにて一連の作業を行い、縦測定を行った。
加速勾配がILC spec.に到達！！
全体的にQ0が低いのは両ビームパイプ端の
ブラインドフランジにおける高周波損失
のためである。
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4K測定の段階でクエンチ時にCell #2で発熱が
観測されていたため、ほぼ望み無しの状況
であった。
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国際共同研究の成果
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 中国の高能研(IHEP)と９セル空洞についての共同研究を始めている。
 試作品としてLow Lossタイプの空洞を製作した(HOMカプラ無し)。
 表面処理や周波数調整などをIHEPにて行い、その後真空封じの状態で
KEKに持ち込み、STFにて高圧水洗後、縦測定を行った。
 縦測定後に、内面検査を行った。
3π/9 @32MV/m
4,5, 8π/9, π @16~20MV/m
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最新結果① (Q0-Eacc curve)
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最新結果② (Maximum Eacc)
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今後の予定
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まとめ
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