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内面欠陥と加速電界性能との関連

Hitoshi Hayano, 08242009

現在までのデータ蓄積から言える事

Distribution of the magnetic and electrical field from equator to the iris on the surface of the TESLA cavity

TESLA 空洞

空洞内面の表面磁場強度、表面電場強度の分布

赤道部equator

アイリス部iris

表面磁場が強い場所：赤道部のかなり広い範囲

表面電場が強い場所：スティフナー溶接部分

たぶん 23.4MV/m 時の計算値

35MV/m 時はこのグラフ値の 1.5 倍

磁場の強い場所

電場の強い場所

磁場電場

ピットやバンプがあると磁場が強くなる部分が出てくる　　　　　ー＞高電界で臨界磁場を超えて発熱、クエンチする。

ピットやバンプのエッジで電場が強くなる　　　　　ー＞高電界で電子放出をしやすい。

ピットを計算するのに、ピルボックス空胴に穴を空けたモデルでの TE111 を使用。バンプを計算するのに、ピルボックス空胴にバンプをつけたモデルでの TE111 を使用。

表面電流密度分布

磁場分布

Microwave studio による計算（ただし、これでは精度がでない。）

SLANS2 （２次元コード）による 1/4 カット面モデルで計算を行い、磁場エンハンスを推定してみる。

バンプやピットはどれぐらいの大きさで電界性能を阻害するのであろうか？

1/4 カット面

SLANS2 によるピット付ピルボックス空胴内の TE111 磁場分布

rz 成分（紙面内）

φ 成分（紙面に垂直）

金属面にそっての磁場成分強度比

穴の定義：　　ただし、穴の深さは R より数倍大きくとってあるため　　　　　　　　深さ方向に磁場は急速に減少する

ピットでの磁場エンハンス計算

2R

r

n=-0.28 と得られた。以前の数値計算と理論計算ではn=-1/3であった。 r/R が小さいところでは n=-1/3を使用するのが妥当。

磁場のエンハンス h は、

磁場

のエ

ンハ

ンス

h磁

場の

エン

ハン

スh

l

h = 1.3808* (r/R)^-0.28

磁場エンハンスのピット深さ依存性

浅いピットの磁場エンハンスは小さい

磁場

のエ

ンハ

ンス

h

SLANS2 によるバンプ付ピルボックス空胴内の TE111 磁場分布

rz 成分（紙面内）

φ 成分（紙面に垂直）

バンプの定義：　　楕円体で定義し、金属面からの出っ張り： a 金属面内での円の半径： b

金属面にそっての磁場成分強度比

a

b

磁場最大は楕円体のベースで起きる

バンプでの磁場エンハンス計算

エンハンスの効果はそれほど大きくはない。半球凸起 (b/a=1) で 1.5 倍のエンハンスである。

しかし、大きなバンプの上の小バンプとか、クレータの周辺エッジという鋭い場合、結晶粒界の上のバンプ、などはエンハンスが重なり大きくなる。

a

b

半球状凸起

針状凸起 h=1+ 1.0124exp(-0.658*(b/a))

磁場

のエ

ンハ

ンス

h磁

場の

エン

ハン

スh

磁場

のエ

ンハ

ンス

h

T-map による発熱箇所と観測された内面欠陥とに相関がありそうな空洞の候補

バンプ　（凸起）

ピット　（凹み）

AES001 (FNAL) #3 セル赤道部　　 15MV/m でクエンチ

AES003 (FNAL) #4 セル赤道部　　 20MV/m でクエンチ

( ? Z110 (DESY) #8 セル赤道部　　 14MV/m でクエンチ )

Z111 (DESY) #6 セル赤道部　　 16MV/m でクエンチ

MHI-08 (KEK) #2 セル赤道部　　 16MV/m でクエンチ





AES001 summary

54

6

21

3

8

7

AES01 has hard quench at 15MV/m, its location was identified by Cernox at FNAL.

Kyoto-camera found 3 spots in their exact location

~21mm

84µm height bump

60µm height bump

43µm height bump

No.3 cell Equator θ = 168 deg


As received

afterSTF EP20um

a=~100um (height)b=250um (HWHM)

a=~70umb=350um

AES001 (1)

15MV/m

22MV/m



As received

afterSTF EP20um

AES001 (2)


a=~85umb=325um

15MV/m

22MV/m



As received

afterSTF EP20um

AES001 (3)


a=~45umb=200um

15MV/m

22MV/m

Plotted lineZ-axis

96

AES003 (1)1-cell equator, t=200

degree


Plotted lineZ-axis

96


degree

a=~80um (height)b=~200um (HWHM)

Heating Spot (No.4cell)

20MV/m

Plotted lineZ-axis

100


degree

a=~60um (height)b=~400um (HWHM)

AES3 cell#4 T-map at Jlab20MV/m

AES003 T-map @JLAB

Heating spot by T-map at Jlab

Bump locationby Optical inspection

~600µm size,bump

18

Z110: #8 cell equator

Quench location

#8 equator

250 ~ 300 deg

1mm

#8 equator, t=288 ~ 299 deg

10mm

t=292 deg

t=297 deg

T-map data in test 2, 14.2 MV/m

group of beads(?) with 10mm wide were observed.Similar beads group were also observed in several places. see following slides.



温度上昇のあったところには、小さなバンプの密集がみられたが、バンプ自体の高さも大きさも小さい。

Z110

Inspection of Z111: #6 cell equator

T-map data in test 2, 16.0 MV/m

Quench location

#6 equator

175 ~ 225 deg

#6 equator, t=193 ~ 204 deg

1mm

1.5mm

t=198 deg

t=199 deg

group of beads(?) with 1.5mm wide were observed.

-40

-20

0

20

40

0 500 1000 1500 2000

TESLA cavity Z111After one time surface treatments

(EP: 155 um removed)#6 cell equator, Z= 734 mm, t= 199 deg. heating location

Height [um] 100

Hei

ght [

um]

Z [um]

Z111 #6 cell equator z=734,t=199,heating spot identified by T-map

vacuum side

Niobium side

ピット部分の凹凸解析

W. Singer. ILC Cavity Group 9th Meeting. January 27th 2009

SEM. Quench location

Cell #6 199degree

Recent DESY SEM analysis of cut-out from Z111空洞からピット部分を切り出し、電子顕微鏡にかけて解析

30um

edge r = ~2um??

14 tests for 1year (Feb. 2006 ~Feb. 2007)

Vertical Test of #1, #2, #3, #4 Cavities

E. KAKO (KEK) 2009' June 10

E. KAKO (KEK) 2009' June 10

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Summary of Vertical Test

#1 Cavity - 4th

Eac

c of

eac

h ce

ll [

MV

/m]

Cell No.

#1 Cavity ; 20.8 MV/m

#3 cell

MHI-01 Cavity

Quench?

p mode; Eacc,max = 20.8 MV/m

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9


#3 Cavity - 2nd

Eac

c of

eac

h ce

ll [

MV

/m]

Cell No.


#5 cell

MHI-03 Cavity

Quench


Quench

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9


#2 Cavity - 5th

Eac

c of

eac

h ce

ll [

MV

/m]

Cell No.


#9 cell

MHI-02 Cavity


0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9


#4 Cavity - 2nd

Eac

c of

eac

h ce

ll [

MV

/m]

Cell No.


#4 cellby field emission

MHI-04 Cavity

p mode; Eacc,max =17.1 MV/m

*

Eacc,max in each cell of 4 cavities

MHI-01 Cavity 20MV/m


No.3 cell Equator θ = 231 degHeating Spot (No.3cell 270deg)

-150

-100

-50

0

50

100

0 500 1000 1500 2000

STF Baseline cavity #1 : After Phase 1.0 project#9-cell equator, t=000 degree

Height [um]@100

He

ight

[um

]

Z-axis [um]

Niobium Material

Vac. side

Pit


MHI-01 Cavity (2)


-200

-150

-100

-50

0

50

100

0 500 1000 1500 2000


Height [um]@100

He

ight

[um

]

Z-axis [um]

Niobium Material

Vac. side

Pit



Heating Spot (No.9cell 135, 180deg)?



Heating Spot (No.5cell 90deg)

No.1 cell Equator θ = 87 degHeating Spot (No.1cell 90deg)



-200

-150

-100

-50

0

50

100

0 500 1000 1500 2000


height [um]@96

he

igh

t [u

m]

Z-axis [um]

Niobium Material

Vac. side

Pit

Over range (Do not measure Wall Gradient)


-200

-150

-100

-50

0

50

100

0 500 1000 1500 2000


Height [um]@100

He

ight

[um

]

Z-axis [um]

Niobium Material

Vac. side

Over range (Do not measure Wall Gradient)

16MV/m

サマリー　テーブル

ピット（ MHI-01 から 04) は合わないものが多い

推定到達電界

＊最大電界を 40MV/m と仮定し臨界磁場によるクエンチで制限されると仮定。

おわり

バンプやピットは、どれぐらいの大きさだと電界性能を阻害するのであろうか？

いろいろなバンプやピットを観測・計測できるようになり、クエンチ時の温度上昇や電界性能との関連データを蓄積中である。まだモデル計算との一致はよくない。

内面検査カメラ、 T-map システムなどをデータ蓄積に使用中。

許容バンプや許容ピット、許容溶接ビード非一様性の推定を十分な精度で行なえるデータ蓄積と計算モデルが必要。

サマリー

バンプやピットを他の表面を傷つけずに研磨する機器を開発している。

バンプは発熱する。発熱するピットと発熱しないピットがある。傷やピットとフィールドエミッションとの関係はつかめていない。クエンチはそれらだけが原因ではなさそうだ。たとえば溶接ビードの非一様性？

もちろん、ビードやピットのない空洞製造方法、なめらかで一様な溶接ビードを得る方法、などが必要。

内面欠陥と加速電界性能との関連 hitoshi hayano, 08242009...

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