原子層堆積法を用いる多層薄膜超伝導体による加速空洞の高性能化

利用原子层沉积提高多层薄膜超导体加速腔的性能

• 批准号: 17J09072
• 负责人: 及川 大基
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Utsunomiya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17J09072/
• 关键词: 超伝導加速器; 多層薄膜超伝導体; RF空洞; ニオブ; 超伝導空洞加速; 原子層堆積法

加速器に適用する多層薄膜超伝導体の高周波表面抵抗と臨界磁場を評価するための空洞共振器の開発を進めた．多層薄膜超伝導体を評価するための空洞共振器の内空間設計と励振される電磁場を解析した．電磁場解析コードを用いて空洞共振器内に励振される電磁場を決定した．試験空洞は超伝導加速空洞の励振周波数1.3 GHzの四倍高調波の5.2 GHzにおいてTE013モードで共振するように設計した．具体的には，空洞内のRFパワーが1 Wのとき，サンプルに励振される磁場強度（実効値）が60 kA/m，そのほかの空洞内壁（半球部内面）における最大磁場強度（実効値）の最大値が28.2 kA/mとなるように空洞内空間を設計した．これにより，サンプル面とそれ以外の面での磁場強度比は2.13:1となり，要求性能を実現できることを示した．また，空洞内部に微小プローブを挿入したときの共振周波数の偏移量を測定することで，設計と同等な電磁場が空洞内に励振されていることを確認した．次に，アルミニウムでの空洞共振器の内空間形状と電磁場設計を保ちながら，ニオブ (Nb) 製高周波臨界磁場測定用空洞の設計法を開発した．このことにより，空洞共振器を高感度化し，低損失の超伝導体で空洞を製作することができる．製作精度が要求される半球部は，プレス加工により空洞共振器を試作して設計値との誤差を評価し，その誤差を組み入れて電磁場分布を計算した．このとき，サンプル面とそれ以外の面での磁場強度比は2:1となり，要求仕様を満たす．このことから，プレス加工は多層薄膜超伝導体評価用空洞共振器の製作に適していることを示した．また，Nb製多層薄膜超伝導体評価用空洞共振器を製作するとき，設計値に対して1 mmの誤差は許容できることも示した．

High Frequency Surface Resistance of Multilayer Thin Film Superconductor for Accelerator Applications and Critical Magnetic Field Evaluation for Cavity Resonator Development Evaluation of multilayer thin film superconductors; design of cavity resonators; and analysis of electromagnetic fields. Electromagnetic field analysis is used to determine the electromagnetic field excited in a cavity resonator. The cavity is designed for superconductivity acceleration. The cavity excitation cycle is 1.3 GHz and the quadruple high frequency is 5.2 GHz. Specifically, RF in the cavity is 1 W, magnetic field strength (effective value) in the cavity is 60 kA/m, maximum magnetic field strength (effective value) in the cavity inner wall (hemispherical inner surface) is 28.2 kA/m, maximum magnetic field strength (effective value) in the cavity inner space is designed. The magnetic field intensity ratio of the surface other than the surface is 2.13:1, and the required performance is achieved. The displacement of the resonant frequency in the cavity is determined by measuring the micro-vibration inside the cavity and confirming the design of the equivalent electromagnetic field. Secondly, the design method of cavity for measuring critical magnetic field of high frequency is developed. The cavity resonator is highly sensitive, and the superconductor with low loss is hollow. Production accuracy requirements: Hemispherical part, machining, cavity resonator, design value, error evaluation, error component, electromagnetic field distribution calculation The magnetic field intensity ratio of the outer surface of the object is 2:1. The fabrication of cavity resonators for multilayer thin film superconductor evaluation is described in detail. In addition, Nb multilayer thin film superconducting cavity resonator for evaluation of the fabrication process, design value of less than 1 mm and tolerance of less than 1 mm.

项目成果

Design of niobium-based mushroom-shaped cavity for critical magnetic field evaluation of superconducting multilayer thin films toward achieving higher accelerating gradient cavity

用于超导多层薄膜临界磁场评估的铌基蘑菇形腔设计，以实现更高的加速梯度腔

• DOI: 10.7567/1347-4065/aaf46a
• 发表时间: 2019
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Hiroki Oikawa;Takeshi Higashiguchi;and Hitoshi Hayano
• 通讯作者: and Hitoshi Hayano

Note: Design and resonant condition measurement of the mushroom-shaped Al test cavity for critical magnetic field evaluation of superconducting thin-film sample

注：用于超导薄膜样品临界磁场评估的蘑菇形铝测试腔的设计和谐振条件测量

• DOI: 10.1063/1.5037295
• 发表时间: 2018
• 期刊: Review of Scientific Instruments
• 影响因子: 1.6
• 作者: Oikawa Hiroki;Higashiguchi Takeshi;Hayano Hitoshi
• 通讯作者: Hayano Hitoshi

Design study of a test cavity for evaluating RF critical-magnetic field of thin-film superconductor

薄膜超导体射频临界磁场评估测试腔的设计研究

• DOI: 10.18429/jacow-linac2016-thplr006
• 发表时间: 2017
• 期刊: Proceedings of LINAC 16
• 作者: Hiroki Oikawa;Takeshi Higashiguchi;Yoshihisa Iwashita;Masahiro Hino;Hitoshi Hayano;Shigeki Kato;Takayuki Kubo;and Takayuki Saeki
• 通讯作者: and Takayuki Saeki

Fabrication of Nb mushroom shaped cavity for evaluation of multi-layer thin-film superconductor

用于评估多层薄膜超导体的铌蘑菇形腔的制作

• 发表时间: 2018
• 作者: Hiroki Oikawa;Takeshi Higashiguchi;Hitoshi Hayano;Hitoshi Inoue;and Kazuhiro Enami
• 通讯作者: and Kazuhiro Enami

1.3 GHz Nb single-cell cavity vertical electropolishing with ninja cathode and results of vertical test

1.3 GHz Nb单腔垂直电解抛光忍者阴极及垂直测试结果

• 发表时间: 2018
• 作者: Keisuke Nii;Vijay Chouhan;Yoshiaki Ida;Takanori Yamaguchi; Hitoshi Hayano;Shigeki Kato;Hideaki Monjushiro;Takayuki Saeki; Motoaki Sawabe;Hayato Ito;Hiroki Oikawa
• 通讯作者: Hiroki Oikawa