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

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
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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
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エネルギー回収型リニアック
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「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
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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
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「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
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「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
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「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
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「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
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「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
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「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
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「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 
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R
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 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
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「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
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「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
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「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
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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
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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
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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
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