Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ）

メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３ 1

ILC および ERL のための　

超伝導加速空洞の開発

高エネルギー加速器研究機構加速器研究施設・加速器第６研究系

　　

加古　永治

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本日の報告内容　はじめに

ILC および ERL の概要説明

ILC のための超伝導空洞の開発状況

ERL のための超伝導空洞の開発状況

　まとめ　ＳＴＦ超伝導空洞グループ：加古　永治、　宍戸　寿郎、　佐藤　昌史、山本　康史、　渡辺　謙、　　野口　修一。

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はじめに ILC ; International Linear Collider　　　　 ( 国際リニアコライダー ) 素粒子実験用電子陽電子衝突型　　　　超伝導線形加速器

ERL ; Energy Recovery Linac　　　　 ( エネルギー回収型リニアック )　　　　 放射光利用実験用周回型　　　　 超伝導線形加速器（入射部、主加速部）

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ILC ; 国際リニアコライダーRDR (2007)

Reference Design Report

電子主加速器(31.5 MV/m)

　陽電子主加速器　(31.5 MV/m)衝突点

(E ～ 500GeV)

ILC 加速器の全長　～３１ｋｍ

９セル超伝導加速空洞　～ 16,000 台

8 or 9 台の超伝導加速空洞

を内蔵するクライオモジュール

　～ 1,800 台

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ERL ; エネルギー回収型リニアック

入射部超伝導空洞 (10 MeV)

主加速部超伝導空洞 (5 GeV)

ビーム電流 (100 mA, CW)

主加速部超伝導空洞運転加速電界 　 15 MV/m9 セル超伝導空洞　　～ 3 ４ 0 台４空洞を内蔵するクライオモジュール　～ 85 台

例えば、一般的な ERLを考えると、

主加速器部の全長～ 600m

by H. Kawa ｔ a

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ILC と ERL の比較 ILC ERL

Beam energy ~ 500 Gev ~ 5 GeV

Beam current 9 mA 100 mA

Operation mode Pulse / 5 Hz, (0.5+1.0) ms CW

Frequency 1.3 GHz 1.3 GHz

Number of cells 9-cell 9-cell / (2-cell, injector)

Accelerating gradient 31.5 MV/m 15 MV/m

Input rf power 400 kW / pulse(ave. 3 kW)

20 kW cw(170 kW cw, injector)

Number of cavities ~ 16,000 ~ 340(3, injector)

Number of cryomodule ~ 1,800(8 or 9 cavities / cryomodule)

~ 85(4 cavities / cryomodule)

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ILC へ向けた STF での研究開発STF ( 超伝導高周波試験施設 )

STF-12008, May - Dec.4 KEK cavities

S1-Global2010, June – 2011, Feb.4 KEK cavities2 DESY + 2 FNAL cavities

STF-2with beam operation2 KEK cavitiesfor capture cryomodule (2012, Feb. ~)8 KEK cavities (2013, Mar. ~)

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ERL へ向けた ECH での研究開発cERL at ECH ( 東カウンターホール ) (2012, May ~)

by S. Sakanaka

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超伝導空洞システムの開発

1.　超伝導空洞の製作　（高圧ガス保安法）

2.　超伝導空洞単体での高電界性能試験

3.　クライオモジュールの組立て　　

（入力結合器、周波数チューナー）

4.　クライオモジュールでの大電力性能試験

5.　ビームを用いた総合的な加速試験

6.　ビーム運転

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ILC のための超伝導空洞の開発（１）MHI-12, MHI-13 空洞用製作部品

エンドプレートビームチューブ

エンドセル

センターセルダンベル

完成した Tesla-like (STF) 空洞

チタン製ヘリウム槽ジャケットを装着した空洞

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ILC のための超伝導空洞の開発（ 2 ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

高圧ガス保安法対応の耐圧試験

完成した MHI-12, MHI-13 空洞のKHK 立会いでの耐圧試験

ジャケット付空洞を用いた耐圧試験による空洞形状の変化を調べる実験

耐圧試験（窒素ガス） 設計圧力 x 1.25耐圧試験（試験水） 設計圧力 x 1.5

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ILC のための超伝導空洞の開発（３）これまでに製作した空洞の性能試験（たて測定）の結果

ILC (35 MV/ ｍ）

高圧ガス対応空洞

ave. 23MV/m

ave. 31MV/m

ave. 36MV/m

2006,Feb.

2011,May

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ILC のための超伝導空洞の開発（４）

Cryomodule Tests in S1-Global

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ILC のための超伝導空洞の開発（ 5 ）Main Components of S1-Global Cryomodule

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ILC のための超伝導空洞の開発（ 6 ）Comparison of Cavity Performance between VT and CT

31.5 MV/m VT : ave. 30 MV/m

CT (one by one): ave. 28 MV/m

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ILC のための超伝導空洞の開発（ 7 ）Characteristics of Lorenz-force Detuning in S1-Global

Rise time : Offset detuningFlat-top : Compensation by a piezo tuner

Detuning frequency (Hz) f = - K x Eacc

2 KEK 空洞では、ヘリウム槽ジャケットとチューナー系から構成される空洞支持構造の剛性を強化したことにより、 Flat-top での f を抑制して、ピエゾチューナーのストロークを軽減し、かつ、補正後の fエラーを縮小することが可能である。

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ILC のための超伝導空洞の開発（ 8）Operation of 8 (7) Cavities with Piezo Compensation

f< ～ 50 Hz

Ave. Eacc= 26 MV/m

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ILC のための超伝導空洞の開発（ 9 ）Summary of Cavity Performance in S1-Global Cryomodule

31.5 MV/mVT : 30 MV/m

1-cavity : 28 MV/m

7-cavity : 26 MV/m7-cavity : 25 MV/m

Cpl.

Stable operation in cryomodule -15 ～２０ % from VT

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ERL のための超伝導空洞の開発（１）

Final Target :Ibeam = 100 mAEbeam = 10 MeV

Main R&D components;

1. Three 2-cell cavity with 5 HOM couplers

2. Double feed cw input couplers

3. Frequency tuning system

with slide-jack tuner and piezo tuner

cERL 用入射部クライオモジュール

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ERL のための超伝導空洞の開発（２）ERL 用２セル超伝導空洞の製作

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ERL のための超伝導空洞の開発（３）

ERL ２セルプロトタイプ＃１空洞(2 loop & 2 antenna-type HOM)

ERL2 セルプロトタイプ #2 空洞(5 loop-type HOM couplers)

1. no HOM pick-up probe2. with 5 HOM pick-up probes

空洞単体での性能測定　（たて測定）

運転加速電界15 MV/m

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ERL のための超伝導空洞の開発（４）by K. Watanabe

ＨＯＭ ( 高調波モード結合器）の改良

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ERL のための超伝導空洞の開発（５）

2K

5K

80K

300K Vacc QL Prf

[MV] [x105] [kW]

Cavity-1 1.5 10.

10

Cavity-2 2.5 4.

25

Cavity-3 2.5 4.

25

(QL /coupler, Prf /coupler, Ibeam = 10 mA)

プロトタイプ入力結合器の製作

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ERL のための超伝導空洞の開発（６）

Conditioning Results• 1s, 0.1Hz, 100kW for 2h• cw 30kW for 1.5h• cw 50kW for 0.5h• cw 100kW for 1 min

プロトタイプ入力結合器の大電力試験

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ERL のための超伝導空洞の開発（７）

ｃＥＲＬ用２セル超伝導空洞３台の完成

周波数調整（＃３空洞） ＃４空洞と＃５空洞の納

入（２０１１年、５月２４

日）

高圧ガス耐圧試験（＃５空洞）

電解研磨（＃３空洞）

高圧ガス耐圧試験（＃４空洞）

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ERL のための超伝導空洞の開発（８）ｃＥＲＬ用入力結合器

完成した入力結合器６台の納入（２０１１年、５月２０日）

ｃＥＲＬ用クライオモジュール

２０１ 2年 2月からの組立てを目指して製作中

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ま　と　め　高圧ガス対応の９セル超伝導空洞２台において、　　　ＩＬＣ仕様を超える高電界性能を達成したが、その後　　　のＳＴＦ -2 用超伝導空洞では、その高電界性能を　　　　　安定に達成できる状況には至ってはいない。　国際協力による S1-Global クライオモジュールに　　　おいて、７空洞でピエゾチューナーによる補正を行い、　　　平均加速電界 25MV/m で安定な運転を達成したが、　　　たて測定の結果から 15 ～ 20％の低下がみられた。　ｃＥＲＬ入射器用クライオモジュールに用いる２セル　　　超伝導空洞３台と入力結合器６台が完成し、今後　　　単体での性能試験を行い、２０１２年２月頃より　　　クライオモジュールの組立てを開始する予定である。