小型ヘリウム冷凍機を用いた 500MHz原子力機構超伝導加速器の歴史 日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究センター ガンマ線核種分析研究グループ 沢村 勝 1 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 Outline 原子力機構超伝導加速器 歴史 構成 性能 小型ヘリウム冷凍機 写真 まとめ 2 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 歴史 1987年 自由電子レーザー計画スタート ・超伝導加速器によるFELの実現 1989年 1990年 1991年 1992年 1994年 1998年 1999年 2000年 2001年 製作開始 電子銃 入射系 超伝導空洞 全加速器定格性能達成 FEL発振(100W) FEL出力増強(300W) FEL出力増強(1.09kW、1.70kW、2.34kW) ERL(エネルギー回収型リニアック)に改造のため解体 ・ビーム電流増加によるFELパワーアップ 2009年 2010年 3 運転終了 KEKに譲渡 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 原子力機構超伝導加速器の特徴 単セル2台と5セル2台 単セル空洞でビーム圧縮と加速 小型ヘリウム冷凍機 昼夜無人運転が可能 全半導体高周波増幅器 メンテナンスフリー 少人数で超伝導加速器の運転維持が可能 4 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 自由電子レーザー用超伝導加速器 Electron Gun Voltage 230 kV Micro-pulse Width 3ns Micro-pulse Repetition 10.4125 MHz SHB Al sheet Frequency 83.3 MHz Period Length 33 mm Period Number 50 Undulator Compression Single-cell Superconducting Accelerator Frequency 499.8 MHz Optical Cavity Beam Energy ~2 MeV 5-cell Superconducting Accelerator Frequency 499.8 MHz Acceleration Beam Energy 15-23 MeV 5 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 エネルギー回収型リニアック 6 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 加速器構成 電子銃 1台 SHB 1台 超伝導単セル 2台 超伝導5セル 2台 7 電圧 230kV カソード 熱陰極、クリッドパルサー マイクロパルス幅 3ns マイクロパルス繰り返し 10.4125MHz (1/48) マクロパルス幅 1ms マクロパルス繰り返し 10Hz 周波数 83.3MHz (1/6) 空洞形状 λ/4型 周波数 499.8MHz 電界 5MV/m 周波数 499.8MHz 電界 5MV/m 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 高周波電源 FEL 種類 台数 周波数 出力 半導体 1台 83.3MHz 5kW 超伝導単セル用 半導体 2台 499.8MHz 6kW 超伝導5セル用 2台 499.8MHz 50kW SHB用 半導体 ERL改造後(入射部強化によるビーム電流増加) 種類 台数 周波数 出力 3極管 1台 83.3MHz 10kW 超伝導単セル用 IOT 2台 499.8MHz 50kW 超伝導5セル用 2台 499.8MHz 50kW SHB用 8 半導体 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 加速器性能 9 エネルギー 16.4MeV マクロ平均電流 5.3mA ミクロバンチ電荷 0.51nC ミクロバンチ繰り返し 10.4125MHz バンチ幅 5ps ピーク電流 100A 運転モード 準定常 1ms×10Hz 横方向エミッタンス x 40mm・mrad y 22mm・mrad 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 Q-Eacc Q0 1010 109 Pre-1 Pre-2 Main-1 Main-2 108 0 1 2 1999年測定 10 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 3 Eacc 4 (MV/m) 5 6 7 Loaded Q 1010 109 Qload 108 Pre-1 Pre-2 Main-1 Main-2 107 106 105 -50 0 50 100 Input Coupler Position (mm) 150 3桁程度カップリングを変えられる可変入力カップラーを 使用 11 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 パルス幅 アンジュレーター中央でストリークカメラで測定 12 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 ERL運転 10.4125MHz 加速 減速 13 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 小型ヘリウム冷凍機 シールド冷凍機(GM冷凍機) 住友重機製SRD-220 77K・・・120W 20K・・・20W 4K小型冷凍機(JTサイクル冷凍機) 住友重機製SRJ-2008 クライオスタット内で蒸発した液体ヘリウムを再凝縮 4.5K・・・11.5W 14 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 小型ヘリウム冷凍機 無蒸発型冷却方式 長所 運転員が常住する必要がない 欠点 故障時に液体ヘリウムが蒸発 短時間での復旧が必要 故障回避のため年1回の定期保守点検(~2000年) 電子メールによる自動通報システムによる故障時緊急 保守(2000年~) 保守コスト削減のため 15 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 5連空洞超伝導モジュール Static loss ・・・3.5W Dynamic loss・・・1.5W 16 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 単空洞超伝導モジュール 17 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 冷凍機の運転 ヒータによりクライオスタット内の圧力を制御 圧力変動 ±0.002atm以下 定常運転モード ヒータ電力により余剰冷却能力を知る JT弁の調整 加速器運転モード 発熱量からQ値を求めることができる 18 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 消費電力の比較 超伝導 高周波と冷凍機(4Kとシールド) Pacc Pin Eacc L I RF D ( No. of 4 K Refrigrators ) P4 K PGM (1 ) 2 Pcavity Eacc L I 4 Pcavity RF D Int ( Pcavity D Pstatic Pcool 1) P4 K Eacc L 2 ( R / Q)Q 常伝導 高周波 Pacc Pin E acc L I RF D (1 ) 2 Pcavity E acc L I 4 E acc L 2 Pcavity 19 R 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 RF D Eacc L I ηRF D R β 加速電界 加速長 ビーム電流 高周波電源効率 duty shunt impedance 入力カップラー結合度 Pin Pcavity Pcool Pstatic P4K PGM 高周波入力パワー 空洞損失 冷凍能力 static loss 4K冷凍機消費電力 シールド冷凍機消費電力 パラメーター 共通 Eacc=5MV/m 長さL=1.5m ビーム電流I=5.3mA 高周波効率ηRF=60% 超伝導 空洞 500MHz 5セル R/Q=575Ω Q=1×109 β=1000 1クライオスタットに1空洞 4K冷凍機 冷凍能力Pcool=8W Pstatic=4W 消費電力P4K=18kW シールド冷凍機 消費電力PGM=9.6kW 常伝導 空洞 進行波管 2856MHz R=53MΩ/m β=1 20 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 1空洞当たり 120 超伝導 常伝導 5 80 4 60 3 40 2 20 0 Beam Power 0 2 4 6 Duty (%) 8 1 Beam Power (KW) 消費電力 (kW) 100 6 0 10 Duty>2.5% ⇒ 超伝導が有利 Duty<4% ⇒ 冷凍機は1台で運転可能 エネルギー 7.5MeV ×6空洞 45MeV ビームパワー 1.6kW 9.6kW 21 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 4Kヘリウム冷凍機 現在、住友重機はSRJ-2008を製造していない 22 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 新旧冷凍機 60 消費電力 (kW) 50 40 30 20 旧 冷凍機 新 冷凍機 常伝導 10 0 0 2 4 6 Duty (%) 8 1台の冷凍能力が低いので最低2台必要 効率が上がっているので、消費電力は低下 Duty>1.8% ⇒ 超伝導が有利 台数が増えると故障頻度が増える 23 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 10 高周波入力電力 80 80 70 70 超伝導 Pin (kW) 50 40 30 β=1000 β=500 β=100 20 10 0 5 10 700 常伝導 60 600 50 超伝導 40 500 400 30 300 20 200 10 100 0 0 200 400 15 600 800 0 1000 β Duty (%) カップリングを変えてもあまり大きな差はなし 高周波電源の最大出力がカップリングで変わる 常伝導と比べると1桁程度小さい 高周波源の種類(クライストロン、IOT、半導体)の選択肢が増える 24 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 常伝導 Pin (kW) 消費電力 (kW) 60 0 800 冷凍機の故障履歴 故障時緊急保守(2000年~) 冷凍機7台(含む予備) コンプレッサー6台(含む予備) 経年劣化し、故障が増える 25 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 26 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 27 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 28 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 29 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 30 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 31 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 32 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 まとめ 4Kヘリウム冷凍機を使えば、小規模な施設でも超伝導 加速器を使える可能性がある 温度が同じなら、周波数が低い方が高周波損失は小さい 200 Spoke 4K 180 Elleptical TESLA 2K (4K相当) Power Loss (W) 160 Elleptical 4K Elleptical 2K(4K相当) 140 120 100 80 5MV/m 60 40 0.2 33 15MV/m 0.4 0.6 0.8 1 Frequency (GHz) 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会 1.2 1.4 まとめ 周波数が低いと空洞径が大きくなる スポーク空洞を使うメリットが出てくる 長所:空洞直径はスポーク空洞は楕円空洞の半分~2/3 調整が容易・・・セル間の結合が強い 高い実効加速勾配 短所:最大電界、最大磁界は大きい 構造が複雑 34 「大強度電子ビームとその応用利用」研究会
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