2019 年度実施状況報告書

セラミックス一体型多極キッカー入射技術の次世代極低エミッタンスリング適用開発

研究課題

研究課題/領域番号	19K12649
研究機関	大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
研究代表者	満田史織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 (60425600)
研究分担者	高井良太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 (20533780) 小林幸則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, 教授 (40225553) 原田健太郎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 (70353365) 高木宏之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 (80251487)
研究期間 (年度)	2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード	超小口径八極型セラミックス一体型キッカー / セラミックスと銅コイル埋め込みロウ付け技術 / 円筒内面微細形状コーティング技術 / 渦電流抑制コーティング / ビームインピーダンス低減コーティング
研究実績の概要	初年度に計画をした、基礎技術開発が完了しているセラミックス一体型キッカーの超小口径化・多極化技術の確立に対して、超小口径セラミックス一体型キッカーの多極型として八極型の製作が無事に完了した。この実機はKEK-PF蓄積リングに実際にインストールされ入射技術の試験が行われるため、磁極口径はビーム損失をもたらさないように現リングのビームオプティクスで決まる最小物理的口径とビーム入射時の入射ビーム配置位置の検討からφ40mmと決定された。超小口径化にあたり、コイル埋め込み技術には銅コイルとセラミックスを銀ロウ付けで一体化する際の熱膨張による破損リスクを緩和するための「コイル分割埋込み」という新たな技術が開発され、製作には高度な技術が要請されているにも拘わらず歩留まりは100%となっている。コイル埋め込みの精度は磁極間距離にて誤差が6×10-4となっており十分な磁場精度を保証する結果となった。ビームインピーダンスの整合に直結し渦電流を低減する内面パターンコーティングについては、小口径化に伴い、埋込コイルとの絶縁距離を確保した内面コーティングの面覆率の低下を補う措置として1mm櫛歯間距離を実現した微細なパターンコーティング技術の開発にも成功した。渦電流をゼロに抑制し、ビームインピーダンスを低減する形状は積分型磁場シミュレーションELFMAGIC、インピーダンスシミュレーションGdfidLの2側面から評価され最適化がされた。ビームインピーダンスの損失は面覆率の悪さから200Wを越える発熱となっており、実際に加速器に実装された場合、強制空冷が必要となる。簡潔なセラミックス一体型キッカーは強制空冷を阻害するものがなく導入に大きな問題はないが、ビーム不安定性を誘起する恐れがあるためコーティング形状の新たな開発が必要であるとの課題も見つかっている。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 1: 当初の計画以上に進展している理由初年度に計画した製作物は計画通り完成している。当初、セラミックス一体型キッカーの技術的要となるコイル埋め込み技術は小口径化するに従い成立性が難しく成ることが分かっており、高度な技術開発が求められていた。超小口径化において埋め込み技術が成立しない場合、製作された実機をビーム試験することで組み上げられている課題計画は大きく遅延することが予想された。初年度の実機製作が滞りなく完成するかどうかが鍵となっていたため、加速器ビーム試験用実機が完成していることから計画の全体の6割は達成されたとみても問題はない。この点から順調に推進出来ていると判断できる。ビーム不安定性につながるビームインピーダンスの改善に関わる内面コーティングの改善課題が新たに生じているが、要求された磁場精度と渦電流抑制構造の達成はなされており、基本性能に問題はなく残された課題は唯一のみである。以上をもって当初計画以上に進展している進捗状況と判断する。
今後の研究の推進方策	2020年度の計画では、埋込コイル数の増加を図り磁極数を増やし更なる多極化または磁場形状の複雑化を目指す技術開発が計画されている。KEK-PF蓄積リング設置することを念頭に、口径は八極型の大きさを維持し、コイル埋め込み本数を4本から6本に増加させ12極型の磁場を形成する。埋め込みコイル本数を増加させることは、コイル埋め込みロウ付け時にセラミックスを破壊するような応力を増加させることにつながるため製作の困難さが予想される。これまでに確立された埋め込み技術を柔軟に発展させる技術開発を重点目標とし、2020年度~2021年度にかけて製作の実現を推進する。同時に、2019年度に完成した実機については加速器実装を進める準備期間となっており、実装前のテストベンチでのパルス磁場性能測定、耐久性能試験、真空性能試験など加速器実装上の問題がないことを検証する性能評価を重点的に進める。ビーム入射技術試験のために、KEK-PF蓄積リングにおける最適な設置点のビーム動力学的なシミュレーションによる検討、設置場所決定後の実装改造のための真空ダクト整合部材や架台の製作を進めていく計画である。2020年度内には蓄積リングへの設置を完了させ、2021年度には研究課題の最終的な目標であるセラミックス一体型キッカーの多極入射技術の可能性を検証する模擬的な入射試験に取り組む予定である。コーティングの面覆率低下によるインピーダンス増大の新たな課題が見つかっており、技術的な克服の可能性を探る検討を開始している。1つ目はコーティングの面覆率・コーティングの導電率を上げる開発、2つ目はインピーダンス低減を図る新たなコーティング形状の開発である。これらの中から費用対効果が最良のものを選択し八極型に実装することも計画している。計画で想定がされていた加速器実装上の課題の1つであり迅速に対応を進めて行く。
次年度使用額が生じた理由	2019年度に完成したセラミックス一体型キッカーの実機製作において、製作コストが当初予定額より低く抑えることが出来、支出を節約することが出来た。節約がなされた差額は、他の計画する製作物に対しては少額であり無理に消化することは現実的ではないと判断した。2020年度に繰り越し、新たな技術開発に必要とされる経費の補填へと回すことが妥当であると考え、2020年度に配分される予算と合わせて規模のまとまりをもった予算として執行を計画している。