2019 Fiscal Year Annual Research Report
Cryogenic photonic assisted cavity for the accelerating strucuture with high quality factor and high electric field
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16H02134
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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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)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 加速器 / 誘電体 / フォトニック |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。加速管内部が誘電体のみで構成されているため、加速管の放電限界は、誘電体の耐電圧で決まる。
一般的に、誘電体の耐電圧は、金属の約数十倍高いため、原理的には加速電界が100MV/mを超える超高電界加速が可能であると考えられる。既に様々な高純度セラミックスの材料測定を行い、100万以上のQ値が得られている。また単層のフォトニックアシスト型空洞の低電力試験で既に常伝導では到達不可能な室温で10万程度のQ値が得られている。
従って、本研究期間内に明らかにする課題は、これらの空洞の高電界試験を行い、超高電界の加速空洞を実現する。
昨年度は、高電界試験を効率的を行うため、誘電体アシスト型空洞の最小単位である２セル空洞とそのための外導体などの製作を行い、これを用いて様々な材質やコーティングに対して高電界試験を行った。その結果としてセラミックの２次電子放出を抑制するためのコーティングを行った空洞の高電界試験を行い、10MV/m近い加速電界が得られた。
また冷凍機を用いて誘電体空洞を冷却するための構造が完成し、これを用いて低電力試験によって従来の常温より遥かに高いQ値を得る事ができ、また高電界試験も行う事ができた。現在はこれらを用いた材料評価を行っている。さらに電子顕微鏡を用いて、２次電子放出係数の測定等を行い、熱処理やコーティングによる２次電子放出係数の違いを評価した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
誘電体アシスト型空洞の最小単位である２セル空洞を使用して様々な条件での高電界試験を行っており、
最良の材質やコーティングの選定が進んでおり、従来より高い電界が得られる事が確認できた。
さらに冷却により性能が大幅に向上する事も確認できたた。
また構造に関しても冷却や真空排気、量産性等を考慮した新しいデザインも確率している。
これらから計画通りに研究は進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は２セル空洞を用いて最適なコーティングや熱処理方法等の試験を行い。目標の電界を得るための実証実験を進める。
さらに冷却と高誘電率セラミックを使用して、さらに高いシャントインピーダンスの加速空洞の実証試験を行う。
並行して周波数を上げた誘電体アシスト型空洞の実証試験も行う。このためのテストスタンドは既存の設備があるため、これを用いて大電力試験を行う事が可能である。周波数を上げる事で放電限界を上げる事ができ、また材料の大きさも小さくなるため単結晶を用いた誘電体アシスト型空洞の製作も可能となる。
以上に加えて、引き続きセラミック自体の高純度化・高品質化の研究も行う。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・高品質化によりさらに高Q値の加速空洞が実現できると期待される。
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