In cryomodule

Summer Camp on ILC Accelerator and physics/detectors 7/20/2015
ILC超伝導加速空洞
早野仁司 (KEK)
ILC baseline configuration
◆ ILC Main Linac
◆ Cryomodule
◆ Cavities
◆ Acceleration field
◆ HOM damper
◆XFEL cavity/cryomodule Performance
◆
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ILC baseline configuration
31km
e+, e- 主リニアック
Energy : 250GeV + 250GeV
Length : 11km + 11km
# of MB-Klystron: 378 total
# of Cryomodules : 1701 total
# of Cavities : 14742 total
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ILC Main Linac
Tunnel Layout of ILC Accelerator
中央シールド
（３．５ｍ厚）
Concrete shield
クライオモジュール
加速器室
Accelerator Tunnel
クライストロン用
マルチビーム・
パルス電源
クライストロン
デジタルRF制御システム
クライストロン室
Klystron Tunnel
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Main Linac RF unit 詳細
基本ユニット（RFパワー供給のユニット）
10MW クライストロン 1台
クライストロン電源 1台
クライオモジュール 4.5台
超伝導空洞 39台
超伝導四極マグネット 1.5台
デジタルLLRF制御 1台
39空洞をベクトル合成してクライストロンに戻す
基本ユニットは主リニアック全部で378ユニット
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Cryomodule
1701台（TDR 主リニアック）
cryomodule (12.65m)
ヘリウムガスリターンパイプ
断熱遮蔽シールド
液体ヘリウム供給パイプ
入力カップラー
超伝導加速空洞
断面図 from D. Kostin
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ニオブ製超伝導加速空洞
Picture of Superconducting Cavity ( length 1.2m, diameter 0.2m)
Cooled down at temperature 2K, then become superconducting state.
小さなRFパワーで長く続く高い加速電界を発生できる。 ( 空洞壁でのRF損失が非常に小さい)
-> 効率よく、RFパワーをビーム加速に伝達できる。
Liquid Helium Supply Pipe
Magnetic shield
Frequency tuner
Helium jacket
14560 unit (TDR)
6
Helium jacket, magnetic shield, frequency tuners are installed around the cavity, then put into the cryomodule.
TDR 空洞パッケージ
TESLA-ILC cavity
Blade tuner
TTF-III coupler
TDR Cavity Package
14742台（TDR 主リニアック）
7
コスト改善型 空洞パッケージ
TESLA-ILC cavity
XFEL jacket
LCLS-II tuner
KEK coupler
with
Φ40 interface
LCLS-II tunerは Blade tunerよりコスト安。
ヘリウムジャケットは中央ベローズより
端部ベローズの方がコスト安で組立しやすい。
KEK couplerの方が低温部にベローズがなく組立しやすい。
セラミック窓にTiNコーティングなしの導電性セラミックを使用予定。
8
超伝導加速空洞の製造方法
ショートエンドグループ １組 （部品１２個）
EBW１２ヶ所
ショートエンドセル ４個
ダンベル
HOM1 ４個
８組 （部品３２個）
インプット
カップラー
ポート ２個
ビームパイプ
２個
EBW２４ヶ所
× ８組
ダンベル ４個
ロングエンドグループ １組 （部品１２個）
総部品点数： １０組 ５６個
の部品製作に要するEBW=４８ヶ所
EBW１２ヶ所
ビームパイプ ２個
ピックアップポート
２個
HOM2 ４個
プレス ＋ 機械加工 ＋ 電子ビーム溶接
ロングエンドセル ４個
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超伝導加速空洞の材料
（ニオブ材、ニオブチタン材）
ニオブ材 2.8mm板製品（セル材など）
ニオブ材 パイプ製品（ビームパイプ材）
ニオブ材 9mm厚板製品（HOMアンテナ材）
ニオブ・チタン材 5mm厚板製品
（コニカルディスク材）
ニオブ材 丸棒製品（ピックアップポート材）
10
超伝導加速空洞の加工・製造
旋盤によるトリム加工
プレスによるセル加工
EBWによる電子ビーム溶接加工
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加速空洞内の共振モード
(M)TM
(Q)TM
(D)TE+TM
(M)TE011
(M)TM011
(Q)TE
TE11 beam pipe cut-off
高調波モード( Higher-Order-Mode, HOM )
π-mode
(D)TM110
周
波
数
(D)TE111
TE111-6
TE111-1
π-mode
(M)TM010
Vp=c
位相シフト/セル
加速モード( TM010-mode 1/9π,2/9π,…, 9/9π) f=1274 – 1294MHz
12
加速空洞内部の電場分布
赤道部
アイリス部
ビームパイプ
加速モード( TM010 πモード) f=1294MHz
加速電場は空洞のZ軸上（ビーム進行軸）で強く、アイリス
からとなりのアイリスへと発生する。となりのセルの電場
とは、位相がπだけ異なる。
室温時のこの周波数は、排気し２Kまで冷却した時に
ちょうど1300MHzより300KHzくらい低い周波数となり、
あとの微調はチューナーでHzのオーダーで行う。
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加速空洞内部の磁場分布
空洞のセル形状を
変えることにより
加速電界あたりの
赤道部磁場の強度
を変えられる。
ILC-TDRはこれ
磁場は電場を取り囲むよう
にドーナツ状に発生。
赤道部表面で最大磁場となる。
ニオブではRF臨界
磁場が200mTくら
いと限界があり、
セル形状をLLやRE
に変えて限界加速
電界をあげる事が
考えられている。
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クライオモジュール内の超伝導空洞
液体ヘリウム供給パイプ
入力カップラー
超伝導加速空洞
クライオモジュール内では、加速空洞はベローズ・ビームパイプを介して次々と直線状に繋がれていく。
液体ヘリウム供給パイプは水平を保ちながらつぎつぎと接続されていく。この中にパイプの半分のところに
液面を持つように液体ヘリウムが供給される。
RFパワーは、導波管システムで分配され、超伝導加速空洞それぞれにカップラーを通して供給される。
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超伝導加速空洞内の加速電場
電子ビーム
加速電場
Cooled down to 2K --> Nb cavity become superconducting state.
Put microwave power -->accelerating field is generated inside of cavity.
direction of electric field on axis alternate by RF frequency.
TM010 π – mode
1.300 GHz
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超伝導加速空洞の共振周波数調整
９セルの各セルにごくわずかの矯正永久変形を加えて、共振周波数を揃える。
製造直後の電場強度分布
自動共振周波数調整装置
調整後の電場強度分布
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高調波モード ダンパー
Input CouplerやHOM Couplerが
HOMの縮退を解き、モード分布φ方向を固定する
TM110
HOMカップラー
断面図詳細
HOM Coupler
HOMの取り出し容易
HOM Coupler
HOMの取り出し難しい
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高調波モード ダンパー
HOM can
HOM Antenna
F-part
HOM アンテナにcapacitiveにカップルするように
ピックアップ フィードスルーが取り付けられる
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高調波モード ダンパー 通過域特性
透過パラメータ S(In, HOM) [dB]
0 dBで全透過
実測値
理想の曲線
@室温
空洞内の、1.3GHzの加速モードパワーを引き出すことなく、その他の高調波を引き出すには、
上図の赤点線のような通過特性が要求されるが、実際には各所のいろいろな共振により平坦ではない特性（青線）となる。
高調波モードダンパーから引き出されたRFパワーは、ケーブルにより取り出され、RFロードで熱となる。
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高調波モードダンパー ピックアップアンテナの問題
ピックアップアンテナはフィードスルー
内の誘電体真空封止を介して熱的に浮い
ているので、近傍の磁場により発熱し、
蓄熱する。
Bantenna=Bequator/10
Pdi
In cryomodule (vacuum)
In vertical cryostat (LHe)
ss
Heat
Tant (CM)
Tant (LHe)
[mW]
[K]
[K]
20
7.0
6.8
5
4.6
4.5
4
4.2
4.2
3
4.0
3.9
2
3.6
3.5
1
3.1
3.0
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空洞製造後の
表面処理・
試験の
フロー仕様
空洞製造終了後
表面
局所研磨
800℃
アニール
Cavity
Process Flow
バルクEP
120μm
表面
局所研磨
ファイナルEP
40μm
EP
ジャケット溶接
２回めのファイナルEP
縦測定
120℃ベーク
縦測定
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空洞表面処理・試験の完了
XFEL Cavityの性能
DESY-AMTF, Germany
2014年11月30日の時点で、512台製造納品。500台電界試験済み。RI社がILCレシピ。
As Received
分析は４７０台
の空洞で行った
Max.
Gradient
As Received
Usable
Gradient
Quench grad.
Q<1E10 grad.
Rad.>0.12mGy/min
Grad.
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DESY-AMTF, Germany
XFEL Cavityの性能 (2)
フィールドエミッションが原因のもの、低いgradientでクエンチ ーー＞ Re-treatment
Re-treatment = HPR
As Received, Re-treatment
Re-treatmentにより50%救えるが、十分ではない。
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XFEL Cryomoduleの組立工程
Saclay, France
2015年4月の時点で、103台製造予定のうち、45台のクライオモジュールが完成し、
DESYへ送られた。１週間に１台の割合で組立。
XFEL spec 195MV
257MV
25
end
26