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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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
加古　永治 Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

2 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
　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。 Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

3 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
　　　　(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） Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

4 Reference Design Report
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 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 ９セル超伝導加速空洞　～16,000 台 Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

5 ERL ; エネルギー回収型リニアック 例えば、 一般的なERL を考えると、 by H. Kawaｔa 入射部超伝導空洞 (10 MeV)
ビーム電流 (100 mA, CW) 入射部超伝導空洞 (10 MeV) 主加速部超伝導空洞 (5 GeV) 主加速器部の全長～600m 主加速部超伝導空洞 運転加速電界 　15 MV/m 9セル超伝導空洞　　～3４0 台 ４空洞を内蔵する クライオモジュール　～85 台 Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

6 ILC と ERL の比較 ILC ERL Beam energy ~ 500 Gev ~ 5 GeV Beam current 9 mA
Operation mode Pulse / 5 Hz, ( ) ms CW Frequency 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) Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

7 ILC へ向けた STF での研究開発 STF (超伝導高周波試験施設) STF-2 with beam operation
2 KEK cavities for capture cryomodule (2012, Feb. ~) 8 KEK cavities (2013, Mar. ~) STF-1 2008, May - Dec. 4 KEK cavities S1-Global 2010, June – 2011, Feb. 4 KEK cavities 2 DESY + 2 FNAL cavities Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

8 ERL へ向けた ECH での研究開発 cERL at ECH (東カウンターホール) by S. Sakanaka
(2012, May ~) by S. Sakanaka Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

9 超伝導空洞システムの開発 超伝導空洞の製作 （高圧ガス保安法） 超伝導空洞単体での高電界性能試験
　超伝導空洞の製作　（高圧ガス保安法） 　超伝導空洞単体での高電界性能試験 　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） 　クライオモジュールでの大電力性能試験 　ビームを用いた総合的な加速試験 　ビーム運転 Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

10 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 センターセルダンベル エンドセル ビームチューブ
完成した Tesla-like (STF) 空洞 エンドセル ビームチューブ エンドプレート チタン製ヘリウム槽ジャケットを装着した空洞 Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

11 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 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 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 完成したMHI-12, MHI-13空洞の KHK立会いでの耐圧試験 Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

12 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. 36MV/m ILC (35 MV/ｍ） ave. 31MV/m ave. 23MV/m 高圧ガス対応空洞 2011, May 2006, Feb. Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

13 ILC のための超伝導空洞の開発（４） Cryomodule Tests in S1-Global Ｅ． Ｋａｋｏ （ＫＥＫ）
Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

14 ILC のための超伝導空洞の開発（5） Main Components of S1-Global Cryomodule
Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

15 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 Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

16 Detuning frequency (Hz)
ILC のための超伝導空洞の開発（7） Characteristics of Lorenz-force Detuning in S1-Global Detuning frequency (Hz) D f = - K x Eacc2 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 Df 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Dfエラーを縮小することが可能である。 Rise time : Offset detuning Flat-top : Compensation by a piezo tuner Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

17 ILC のための超伝導空洞の開発（8） Operation of 8 (7) Cavities with Piezo Compensation D f < ～50 Hz Ave. Eacc = 26 MV/m Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

18 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/m VT : 30 MV/m Cpl. 1-cavity : 28 MV/m 7-cavity : 26 MV/m 7-cavity : 25 MV/m Stable operation in cryomodule -15～２０% from VT Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

19 ERL のための超伝導空洞の開発（１） cERL用入射部クライオモジュール Final Target : Ibeam = 100 mA
Main R&D components; 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 Final Target : Ibeam = 100 mA Ebeam = 10 MeV Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

20 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 Ｅ． Ｋａｋｏ （ＫＥＫ）
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21 ERL のための超伝導空洞の開発（３） 空洞単体での性能測定 （たて測定） ERL２セルプロトタイプ＃１空洞
空洞単体での性能測定　（たて測定） ERL２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) 運転加速電界 15 MV/m no HOM pick-up probe with 5 HOM pick-up probes Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

22 ERL のための超伝導空洞の開発（４） ＨＯＭ(高調波モード結合器）の改良 by K. Watanabe Ｅ． Ｋａｋｏ （ＫＥＫ）
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23 ERL のための超伝導空洞の開発（５） プロトタイプ入力結合器の製作 Vacc QL Prf [MV] [x105] [kW]
Cavity Cavity Cavity 80K 5K 2K (QL /coupler, Prf /coupler, Ibeam = 10 mA) Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

24 ERL のための超伝導空洞の開発（６） プロトタイプ入力結合器の大電力試験 Conditioning Results
1s, 0.1Hz, 100kW for 2h cw 30kW for 1.5h cw 50kW for 0.5h cw 100kW for 1 min Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

25 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） 電解研磨 （＃３空洞）
高圧ガス耐圧試験 （＃４空洞） 高圧ガス耐圧試験 （＃５空洞） 周波数調整 （＃３空洞） 電解研磨 （＃３空洞） ＃４空洞と＃５空洞の納入 （２０１１年、５月２４日） Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

26 ERL のための超伝導空洞の開発（８） ｃＥＲＬ用入力結合器 ｃＥＲＬ用クライオモジュール 完成した入力結合器６台の納入
（２０１１年、５月２０日） ２０１2年2月からの組立てを 目指して製作中 Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３

27 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
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。 Ｅ．　Ｋａｋｏ　（ＫＥＫ） メカＷＳ・合同研究会　２０１１．０６．０３