[論文レビュー] A TEMPERATURE-MAPPING SYSTEM FOR MULTI-CELL SRF ACCELERATING CAVITIES

Guo-Qin Ge, Georg Hoffstaetter|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2,000個近い熱電対を備えた高分解能温度マッピング（T-map）システムを提案し、新規の多重化方式を用いて1 mKの分解能を達成した。15 MV/mを超えると、最初のセルが表面損失の主因となり、全電力の約40％を占め、ホットスポットの影響によりQ₀が1.65倍劣化することが判明した。これにより、残留抵抗率および表面損失分布の高精度マッピングが可能になった。

ABSTRACT

A Temperature mapping (T-map) system for Superconducting Radio Frequency (SRF) cavities consists of a thermometer array positioned precisely on an exterior cavity wall, capable of detecting small increases in temperature; therefore it is a powerful tool for research on the quality factor (Q0) of SRF cavities. A new multi-cell T-mapping system is has been developed at Cornell University. The system has nearly two thousand thermometers to cover 7-cell SRF cavities for Cornell ERL project. A new multiplexing scheme was adopted to reduce number of wires. A 1mK resolution of the temperature increase Delta T is achieved. A 9-cell cavity of TESLA geometry was tested with the T-map system. By converting Delta T to power loss and quality factor, it has been found that for this cavity, most surface losses were generated by the first cell when the accelerating gradient is increased above 15MV/m. The comparison of Q-value between with and without hotspots shows the heating on cavity wall degraded cavity Q0 about 1.65 times. The power loss on the hotspots is about 40% of the total power. Effective and intuitive ways of displaying surface properties of the cavity interior, e.g. the residual resistivity, will be shown.

研究の動機と目的

• マルチセルSRFキャビティにおける表面損失メカニズムを研究するため、高分解能温度マッピングシステムの開発。
• 新規の多重化方式を用いて、大規模な温度計アレイの配線複雑性を低減。
• 局所的ホットスポットがSRFキャビティの総品質因子（Q₀）に与える影響を定量化。
• キャビティ壁における残留抵抗率などの表面特性を効果的に可視化。
• 特にTESLA形状の9セルキャビティにおいて、高勾配下での主要な損失寄与要因の同定。

提案手法

• 7セルSRFキャビティの外壁に、ほぼ2,000個の温度計を配置し、正確な温度モニタリングを実施。
• 必要な信号線の数を最小限に抑えるため、独自開発の多重化方式を実装。
• RF励振下で温度上昇（ΔT）を1 mK分解能で測定。
• 熱伝導率および幾何学的モデルを用いて、測定されたΔT値を局所的損失電力に変換。
• 全電力損失からQ₀を算出し、ホットスポット有り・無しの状態を比較。
• 温度および損失データから、残留抵抗率分布を含む表面特性の直感的な可視化を生成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高加速勾配下におけるマルチセルSRFキャビティの表面損失の主な発生源はどこか？
• RQ2 局所的ホットスポットの存在が、9セルSRFキャビティの総Q₀に与える影響は？
• RQ3 ホットスポット領域が、SRFキャビティ全体の電力損失にどの程度寄与しているか？
• RQ4 多重化温度計を備えた高分解能T-mapシステムは、キャビティ壁における残留抵抗率の変動を効果的にマッピングできるか？
• RQ5 ホットスポットが存在する場合と均一な損失分布の場合とを比較して、Q₀はどの程度劣化するか？

主な発見

• 9セルTESLA形状キャビティの最初のセルは、加速勾配が15 MV/mを超えると表面損失の主因となる。
• ホットスポットの存在により、キャビティのQ₀は均一な損失分布と比較して1.65倍劣化する。
• ホットスポット領域は、キャビティ全体の電力損失のおよそ40％を占める。
• T-mapシステムは1 mKの温度分解能を達成し、微小な熱的不均一性の正確な検出が可能となった。
• 本システムにより、残留抵抗率分布を含む表面損失特性の効果的かつ直感的な可視化が実現した。
• 多重化方式により、配線の複雑性を顕著に低減した一方で、高分解能熱マッピング能力を維持した。