[論文レビュー] Accelerating fields up to 49 MV/m in TESLA-shape superconducting RF niobium cavities via 75C vacuum bake

A. Grassellino, Alexander Romanenko+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2018

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、TESLA形状のニオブium超伝導RFキャビティにおける従来の120 °C真空乾燥の前に75 °Cの予備乾燥工程を導入することで、連続波運転下で最大49 MV/mの加速電場を達成することを示している。これは以前の記録である約45 MV/mを上回る。この手法はクエンチ電場を顕著に向上させ、ニオブiumキャビティにおける電場制限が本質的ではなく、最適化された表面処理によって克服可能である可能性を示している。

ABSTRACT

In this paper we present the discovery of a new surface treatment applied to superconducting radio frequency (SRF) niobium cavities, leading to unprecedented accelerating fields of 49 MV/m in TESLA-shaped cavities, in continuous wave (CW); the corresponding peak magnetic fields are the highest ever measured in CW, about 210 mT. For TESLA-shape cavities the maximum quench field ever achieved was ~45 MV/m - reached very rarely- with most typical values being below 40 MV/m. These values are reached for niobium surfaces treated with electropolishing followed by the so called mild bake, a 120C vacuum bake (for 48 hours for fine grain and 24 hours for large grain surfaces). We discover that the addition during the mild bake of a step at 75C for few hours, before the 120C, increases systematically the quench fields up to unprecedented values of 49 MV/m. The significance of the result lays not only in the relative improvement, but in the proof that niobium surfaces can sustain and exceed CW radio frequency magnetic fields much larger than Hc1, pointing to an extrinsic nature of the current field limitations, and therefore to the potential to reach accelerating fields well beyond the current state of the art.

研究の動機と目的

• 連続波運転下におけるTESLA形状の超伝導RFニオブiumキャビティにおける長年の限界である約45 MV/mを克服すること。
• 標準的な表面処理に加え、改良された真空乾燥プロトコルが、電気研磨処理を施したニオブiumキャビティの性能を現在の最先端のクエンチ電場を超えて向上させることを調査すること。
• 観察された電場の向上が、物質の本質的限界によるものか、外的表面効果によるものかを特定すること。
• この新しい表面処理が、異なるキャビティ形状および結晶構造においても再現可能で頑丈であることを検証すること。

提案手法

• 電気研磨処理を施したTESLA形状のニオブiumキャビティにおいて、標準的な120 °C真空乾燥の前に数時間にわたり75 °Cの真空乾燥工程を適用すること。
• 実際の加速器条件に近い状態を再現するため、連続波（CW）運転を用いてクエンチ電場を測定し、性能を評価すること。
• 標準的なやや穏やかな乾燥（120 °Cのみ）と、追加の75 °C予備乾燥工程を施したキャビティとの間でクエンチ電場性能を比較すること。
• 表面磁界のピーク値が210 mTに達し、これはCW運転下で記録された最高値である。
• 標準的な電気研磨処理に続く真空乾燥をベースラインとして、75 °Cの工程を主な変更点とする。
• 細粒および大粒のニオブium材料を用いた体系的テストにより、結果の一貫性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 120 °Cの真空乾燥の前に75 °Cの予備乾燥工程を施すことで、TESLA形状のニオブiumキャビティのクエンチ電場を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 観察された電場の向上が、ニオブiumキャビティにおける現在の電場制限が本質的性質ではなく、外的表面効果によるものであることを示唆するか？
• RQ3 この性能向上は、細粒および大粒のニオブium結晶構造の両方で再現可能か？
• RQ4 この改良された表面処理を用いた場合、連続波運転下で達成可能な最大加速電場は何か？
• RQ5 この新しい処理を用いた場合、CW条件下でキャビティ表面のピーク磁界が200 mTを超えることができるか？

主な発見

• 75 °Cの予備乾燥工程により、TESLA形状のニオブiumキャビティのクエンチ電場が49 MV/mに向上し、以前の記録である約45 MV/mを上回った。
• この性能向上は連続波（CW）運転下で達成され、実際の加速器条件での安定性が確認された。
• 表面磁界のピーク値は210 mTに達し、これは同種のキャビティにおいてCW運転下で記録された最高値である。
• この向上は細粒および大粒のニオブium材料の両方で体系的かつ再現可能であった。
• 結果から、ニオブiumキャビティにおける現在の電場制限は本質的ではなく、外的要因によるものであると示唆され、さらなる性能向上の可能性がある。
• この発見は、表面処理が既存の性能限界を克服できることを示し、現在の最先端をはるかに超える加速電場の実現への道筋を開く。