低温フォトニックアシスト常伝導空洞による高電界・高Qを兼ね備えた新領域電子加速管

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H02134
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 吉田 光宏 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (60391710)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 加速器 / フォトニック

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、現在の加速器技術で到達困難なエネルギーフロンティアの高エネルギー線形加速器の小型化を目指して、①超伝導加速空洞と代替可能な非常に高いQ値（>10^6）と②常伝導加速空洞を超える超高電界(>100 MV/m)加速の双方を可能にする今までに無い常温または液体窒素温度で動作可能な誘電体フォトニック構造を用いた加速空洞の原理実証を目的としている。本研究の加速管構造としては、誘電体と真空部が周期的に並ぶ2次元フォトニック構造数層で高周波電力の大部分を内部に閉じ込め、最外殻部に位置する常伝導壁での電界強度を下げ、高周波損失を低減化させるフォトニックアシスト型とする。
研究実績として、平成２８年度に開発した超高真空対応の真空チェンバーに昨年度イオンポンプ及びNEGポンプを増設し、さらに真空ベーキングを行い 10^-7 Pa 程度の真空度を達成する事ができた。これを用いて、５セルの誘電体フォトニックアシスト空洞の高電界試験を行った。これにより現状でセルの構造により放電箇所等の特定ができたため、構造の修正を行いさらに高電界試験を継続する。
これらの各試験結果から、その問題点や改善点を検討し、新たに空洞の設計も行ってきた。
さらに加速空洞のR&Dとあわせてセラミック自体の高純度化・高品質化の研究も行ってきている。一般的に、セラミックでの誘電損失は、セラミック焼結時に添加する焼結補助剤などの不純物やセラミック内部の気孔、微小な欠陥などの場所で起こるものが支配的である。そのため、セラミック自体の高純度化・高品質化の結果によっては室温でさらに高いシャントインピーダンスの加速空洞が実現できる可能性もある。セラミックの高純度化・高品質化に向けた、焼結試験を継続している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

従来の常伝導空洞の１０倍程度高い、室温で100万程度のQ値が得られているフォトニックアシスト型常伝導空洞が完成しており、５セルの高電界試験を行ってきている。
本研究で製作した超高真空対応の真空チェンバーにイオンポンプ及びNEGポンプを増設し、さらに真空ベーキングを行い、目標である 10^-7 Pa 程度の真空度を達成する事ができた。
これを用いて、５セルの誘電体フォトニックアシスト空洞の高電界試験を行ってきたため、研究計画通りに研究は進展している。

Strategy for Future Research Activity

これまでの高電界試験の結果から、現状のセルの構造の放電箇所等の特定ができたため、構造の修正を行いさらに高電界試験を継続する。
それと同時に、セラミックセルの材質を変えた空洞モデルや、構造を変更したマルチレイヤーのフォトニック構造を用いた空洞モデルなど、いくつか並行して空洞の設計・製作・性能試験を行い、目標とする空洞性能の実現に向けて最適な条件を探索する。
以上のような加速空洞のR&Dとあわせてセラミック自体の高純度化・高品質化の研究も行っていく。一般的に、セラミックでの誘電損失は、セラミック焼結時に添加する焼結補助剤などの不純物やセラミック内部の気孔、微小な欠陥などの場所で起こるものが支配的である。そのため、セラミック自体の高純度化・高品質化の結果によっては室温でさらに高いシャントインピーダンスの加速空洞が実現できる可能性もある。セラミックの高純度化・高品質化に向けて、具体的には、熱間等方加圧（HIP）を用いた(1)焼結補助剤フリーの高純度セラミック焼結や(2)高密度化試験を行っていく。