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STF Cryomodule 開発状況

STF Cryomodule 開発状況. STF グループ 大内. 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

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STF Cryomodule 開発状況

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Presentation Transcript

  1. STF Cryomodule開発状況 STF グループ 大内 先端加速器連合推進室報告会

  2. 内容 • STFでのILC-Cryomodule開発 • STF1 • S1-Global • STF2 • Summary 先端加速器連合推進室報告会

  3. 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。 先端加速器連合推進室報告会

  4. STF1: Cryomodule 関連 冷却システム Cryomodule組立エリア クリーンルーム内 組立作業 （4連化空洞） 先端加速器連合推進室報告会

  5. STF1: STFトンネル内Cryomodule 2K Cold Box 6m Cryomodule(4 cavities) + 6m Cryomodule(4 cavities) STF-1 Cryomodules 先端加速器連合推進室報告会

  6. STF1 : Cryomodule 設計 4 LL-Cavities (Module-B) 4 BL-Cavities (Module-A) 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=5950mm 3. 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 BL cavity-module断面 先端加速器連合推進室報告会

  7. 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～４K）＝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。 先端加速器連合推進室報告会

  8. 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 shield 先端加速器連合推進室報告会

  9. STF1 : 計算による評価－1 Cryomodule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。 先端加速器連合推進室報告会

  10. STF1:計算による評価－2 IHEPとの共同研究 Input coupler (cold part) 7.61K 5K thermal interceptor 293K 80K thermal interceptor 2K 110K Support post + 5K shield 280K 300K 80K thermal interceptor 88K 4.6K 5K thermal interceptor 2K 先端加速器連合推進室報告会

  11. STF1 : Module Bクライオスタットによる開発研究 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。 Cross section with 5K shield Cross section without 5K shield 先端加速器連合推進室報告会

  12. STF1 : Cryomodule内コンポーネントの改善 RF cables熱設計の最適化 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 80K thermal interceptor 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 2K 80K 先端加速器連合推進室報告会

  13. S1- Global • 2008年4月21日~25日：FNALSCRF 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（Saclaytuner）　2台 • KEK：BL-Tesla-type空洞（SlideJack 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ModuleC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 先端加速器連合推進室報告会

  14. 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） INFN FNAL FNAL DESY DESY KEK-BL Cryogenic system Module C Module A 先端加速器連合推進室報告会

  15. 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: Saclaytype, 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。 先端加速器連合推進室報告会

  16. S1- Global : Schedule (detail) 先端加速器連合推進室報告会

  17. STF2 ~36m • 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。 ~65m 先端加速器連合推進室報告会

  18. STF2 : Cryomodule設計 • 基本設計 • STF2Cryomodule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 先端加速器連合推進室報告会

  19. STF2 : Schedule (cryomodule development) Module-Aによる4空洞試験 Module-Bによるクライオスタット試験 （Details and operation are still under discussion.） Test of One Long Module + Capture Module 先端加速器連合推進室報告会

  20. 今後の作業 (1) • S1-Global • 今回製作したCADData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。 先端加速器連合推進室報告会

  21. 今後の作業 (2) • STF2 • ILC-CryomoduleProto 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 先端加速器連合推進室報告会

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