stf cryomodule 開発状況

STF Cryomodule開発状況

STF グループ大内

2008/10/07 1先端加速器連合推進室報告会

内容

• STF での ILC-Cryomodule 開発• STF1• S1-Global• STF2• Summary


ILC Cryomodule 開発計画• STF-1

– 2005 年より ILC 用 Cryomodule の開発を目標とし、 STF-Cryomodule の設計を始める。

– 2007 年 10 月より BL 空洞 1 台、 LL 空洞 1 台を組み込んだ Cryomodule の 2K での低温試験を行い、現在４連化 BL 空洞の低温試験を行っている。

• S1-Global– ILC の運転加速勾配である 31.5 MV/m を達成できる Cryomodule の建設。– DESY, FNAL, INFN and KEK による国際研究協力であり、 Cryomodule の設計作業が

進んでいる。• STF-2

– ILC における 1-RF-unit-module システムの建設。– 1-RF-unit module および Capture module によるビーム運転。


冷却システム

Cryomodule 組立エリア

STF1: Cryomodule 関連

クリーンルーム内組立作業（ 4 連化空洞）


2K Cold Box

STF-1 Cryomodules

STF1: STF トンネル内 Cryomodule


6m Cryomodule(4 cavities)+6m Cryomodule(4 cavities)

STF cryomodules ： TTF-III cryomodule が基本デザイン1. 超伝導空洞は内径 300mm のガス回収配管の下に

支持されている。支持機構は、スライド機能を持つ。

2. 2 台の Cryomodule 全長 =13195 mm　　　 BL-module=5515mm 、 LL-module=5950mm3. 5K and 80K 熱輻射シールドを持つ。4. 冷却配管の構成　　　蒸発ガス回収配管（内径 300mm ）　　　 2K 液体ヘリウム供給配管　　　予冷配管　　　 5K シールド冷却配管　　　 80K シールド冷却配管

STF1 : Cryomodule 設計

4 LL-Cavities (Module-B) 4 BL-Cavities (Module-A)

BL cavity-module 断面2008/10/07 6先端加速器連合推進室報告会

STF1 : 2K 低温試験（冷却及び加温）

Cryomodules の冷却及び加温1. 4 空洞の冷却－ 1 　（室温～ 200K ） 90K GHe を循環し冷却した。　　　　ヘリウムガス流量＝ 1.0 g/s　　　　　　空洞冷却速度＝ 7.3 K/h

2. 4 空洞の冷却－ 2 　（ 200K ～ 4K ） 4.2K LHe を空洞へ直接流し込み冷却した。　　　　液体ヘリウムの使用量＝ 1630 L 　　空洞の冷却速度＝ 12.5 K/h.

冷却時間（室温～４ K ）＝ 49 時間3. 加温 2K ～ 60K ：自然昇温 60K ～ 180K ：室温の GHe1.0 g/s を循環。 180 K ～室温：室温の GN29.2 g/s による加

温。


STF1 : 2K 低温試験（熱負荷測定）定常熱負荷測定1. 2K 部への定常熱負荷（ 2K 液体ヘリウムの蒸発により測定） • 液体ヘリウム (P=2.71 kPa, T=1.92K) の蒸発は、室温で体積流量計にて測定。 • ４空洞が組みこまれた Cryomodule 全体の熱負荷 = 5.4 W 。蒸発ガス量 = 0.440 g/s 熱負荷 = 9.8 W 　（ 2K cold box = 1.0 W 、低温配管＝ 3.4 W ）

• BL 空洞、 LL 空洞各１台を組み込んだ Cryomodule の熱負荷 = 1.2 W 、 1.7 W 。

2. 5K 部 (5K シールド ) 及び 80K 部 (80K シールド ) への定常熱負荷 • 冷却停止後の各シールドの温度上昇により測定。 • ４空洞が組みこまれた Cryomodule の 5K 部への熱負荷 = 8.2 W • ４空洞が組みこまれた Cryomodule の 80K 部への熱負荷 = 66.1 W

Heat load measurement at 2K by LHe evaporation rate Heat load measurement at temperature rise of 5K shield2008/10/07 8先端加速器連合推進室報告会

STF1 : 計算による評価－ 1Cryomodule 内各コンポーネントの 2K 部への熱負荷 • 測定された温度分布を基に熱負荷を再計算。 Module-A 　（ BL 空洞） • Module-A （ BL 空洞）の各コンポーネントの熱負荷の合計 = 蒸発測定から得られ

た熱負荷 • 最大の熱負荷： 5K thermal-anchor を持たない RF-cables = 3.6 W for four cavities 。 Module-B 　（ LL 空洞） • 5K thermal-anchor を持つ RF-cable= 0.03 W 。


Module A (1 Cavity) Module B (1 Cavity) Module A (4 Cavities)

Measured Heat Load 5.6W 6.1 W 9.8 W

2K Cold Box 1.0 W 1.0 W 1.0 W

Transfer Tube 3.4 W 3.4 W 3.4 W

Cryomodule 1.2 W 1.7 W 5.4 W

Input Coupler 0.13 W 0.23 W 1.4 W

Beam Pipe 0.002 W 0.001 W 0.003 W

RF Cables 0.9 W 0.03 W 3.6 W

Signal Cables 0.05 W 0.14 W 0.05 W

Tuner 0.12 W NA 0.48 W

STF1: 計算による評価－ 2


80K thermal interceptor

5K thermal interceptor 293K

2K

Input coupler (cold part)

110K

300K

2K


80K thermal interceptor 4.6K88K

280K

7.61K

Support post + 5K shield

IHEP との共同研究

STF1 : Module B クライオスタットによる開発研究


Cross section with 5K shield

Cross section without 5K shield

Cryomodule 内 5K シールドに対する検討　（ 2009 年に予定）ILC-cryomodule のコスト及び熱的な検討；　　 • 5K シールドがある場合とない場合の熱負荷へ与える検討 ILC Cryomodule 内の冷却モード 5K ライン : input couplers, support posts, current leads 40K ライン : thermal radiation shield, support posts, current leads (44K) HOM couplers, HOM absorber, input couplers (66K) 熱計算 : 冷却を行うのに必要な室温部での仕事量の差 : 0.11 kW/Module （運転コス

ト）　　 • 5K シールドのコスト及び組立ての簡素化による作業コストの軽減　 STF-ModuleB クライオスタットを用い、 5K シールドの下部を取り外し熱的な影響を調べ

る。

STF1 : Cryomodule 内コンポーネントの改善

2008/10/07 先端加速器連合推進室報告会 12

RF cables 熱設計の最適化

80K2K


RF cable の仕様 1. inner cable Silver coated Cu wire 1.4 mm 2. elec. insulation PTFE 3. 1st shield Silver coated Cu tape t=80 m 4. 2nd shield Silver coated Cu blade 0.1 mm×450 5. jacket FEP 5.5 mm 6. length 1 m or 2 m

1m cable の熱負荷（計算）室温 -> 80K 　　　　 0.32 W 80K -> 2K 0.25 W

7 RF cables が１空洞に対して使用されている。RF cable が最大の熱負荷となっている。

ケーブルの熱負荷の最適化を図る必要がある。長さ 5K thermal anchor の設計

S1- Global


• 2008 年 4 月 21 日 ~25 日： FNAL SCRF Meeting にて議論される。

– FNAL, DESY, KEK から 31.5MV/m を超える加速勾配を持つ空洞 8 台を KEK に集め、STF で運転する。• FNAL ： Tesla-type 空洞（ Blade tuner ）　 2 台• DESY ： XFEL-Tesla-type 空洞（ Saclay tuner ）　 2 台• KEK ： BL-Tesla-type 空洞（ Slide Jack tuner ）　 4 台

– 目標平均加速勾配＝ 31.5MV/m– クライオスタット（ Module C) 及び FNAL ・ DESY 用低温部品は INFN が製作する。– KEK は、 Module C とのインターフェイス及び Module A を準備する。

• 2008 年 7 月： INFN-KEK 間の MOU 締結（ 2008 年 8 月 1日 ~2011 年 3 月 31 日）

– 2008 年：真空容器及び低温機器の設計を完成させる。• 2008 年 8 月 KEK による全体設計• 2008 年 9 月 INFN による各部品の詳細設計開始

– 2009 年： Module C 部品製作及びクライオモジュール組立• INFN による Module C 部品の製作及び KEK への輸送• KEK におけるモジュール C の組立

– 2010 年： KEK による Module C の組込、及び S1-Global 試験

S1- Global : Cryomodule 設計1. Cryomodule の設計は INFN との共同研究で、既に進行中である。 • 3D CAD (I-Deas) による概念設計は概ね完了している。　　 • INFN が製作する Cryomodule (Module-C) とのインターフェイスの設計作業を進めている。 • KEK と DESY & FNAL input couplers の位置は空洞パッケージに対して現状反対側に取り付けられて

いる。 • DESY 及び FNAL の Input coupler 間の距離＝ 1384.15 mm （ XFEL と同じ） • KEK の Input coupler 間の距離＝ 1337.0 mm （ STF-Module A でのパラメータ）

2008/10/07 14先端加速器連合推進室報告会Module C Module A

FNAL FNAL DESY DESY KEK-BL

INFN

Cryogenic system

S1- Global : 研究目標及び課題1. ILC の運転仕様である 31.5MV/m を達成する。2. DESY, FNAL, INFN and KEK 間での Cryomodule 組立てに関する情報交換。 • Plug-compatible の設計方針を持つ ILC-Cryomodule の設計を進める上で、タイプの異な

る cavity-package を実際に組立てることにより重要なデータを得ることが出来る。 • 組立て方法及びツールに関する情報交換空洞アライメントの方法及び冶具、自動溶接機、自動パイプ切断機、

等。3. DESY, FNAL, KEK で開発されたコンポーネントの基本機能及び熱性能の比較。 • 31.5 MV/m で運転された場合の Tuner 及び Input Coupler の基本機能 Tuner: Saclay type, Blade type, Slide Jack type Input coupler: TESLA input coupler, KEK coaxial window input coupler • 熱特性完全に同じ冷却機器を用いた条件化での熱負荷の測定及び比較定常熱負荷 31.5 MV/m でのダイナミック損失 • 熱負荷のデータは ILC の冷却システムの仕様を決定する上で非常に重要なデータと

なる。


S1- Global : Schedule (detail)



STF2~36m

~65m

• ILC 1 RF unit cryomodule system の開発及び建設– Cryomodule: 2 modules (9 cavities) + 1 module (8 cavity + 1 quadrupole)

• Cryomodule 設計 (CM-Type 5 或いは ILC-prototype)

– 10MW Multi-beam Klystron (RF system)– Cryogenic system の改造・増強– クリーンルームの拡張

• 9 空洞のクリーンルーム内での組立を可能にする。• 既存のクリーンルームは 4 空洞の組立用。


STF2 : Cryomodule 設計• 基本設計

– STF2 Cryomodule の設計 ILC Cryomodule Proto-type 設計– Plug compatibility

– 異なるタイプの空洞を組み込むことが可能– DESY, FNAL and KEK cavity-packages

– コスト低下を含めた熱設計の改善• Thermal shield system の再設計

– 5K ライン + 40 K shield• Thermal anchor の最適設計

– 5 K and 60 K thermal anchors• RF cables 最適設計

– 超伝導４極電磁石の開発


STF2 : Schedule (cryomodule development)

（ Details and operation are still under discussion. ） Test of One Long Module + Capture Module

Module-B によるクライオスタット試験Module-A による 4 空洞試験


今後の作業 (1)• S1-Global

– 今回製作した CAD Data を INFN 、 DESY 、 FNAL グループにチェックを依頼

– 部品図の製作（ INFN との共同作業）• CAD Data の共有する方法の確認

– EDMS （ ? ）： KEK 側に EDMS 下で CAD 作業を行う環境が整っていない。– EDMS 以外の方法： I-Deas 3D Modeling data のみの共有化。

– KEK 側で必要となる部品図の製作• 現在の作業をもとに、 KEK 側の部品図（ 3D Modeling Data ）の製作• トンネル内の配置図の製作

– RF Wave-guide システムの設計には必要となる。• 2D 図面の製作：各グループ間の確認作業

– 例えば、 KEK BL 空洞に於いても空洞ジャケット（チューナー）の設計変更がある。

– これらのデータは、当然のことながら Cryomodule の CAD データに含まれるべきものであり、お互いに確認しなければならない。


今後の作業 (2)• STF2

– ILC-Cryomodule Proto Type を目指した設計（ 3D, 2D CAD ）– 冷凍機システムを含めた Cryomodule の熱・機械設計

• Cryomodule の熱計算、コンポーネント試験（サーマルアンカーの最適化）

• アセンブリー及びアライメント方法の検討– 超伝導４極電磁石の設計・建設・性能評価

• Cryomodule への組込・アライメントに関しても検討が必要

stf cryomodule 開発状況

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