SCRF 加速空洞・工業化開発基本構想と KEKへの要望

山本　明ILC-GDE Project Manager (SCRF)

2009-6-8

アウトライン

• ILC Technical Design Phase で目指す研究開発• 工業化研究開発立ち上げ（提案）の動機と目的• 工業化開発で目指すこと

– 基礎開発と工業化開発のバランス

• KEK取り組みへの要望

ILC Technical Design Phaseにおける研究開発計画

• SCRF加速空洞電界性能の向上– 9連空洞電界性能： 35 MV/m @ 達成率　 90 %

• 2010年までの開発実績により、更に最適化• クライオモジュールとしての性能

– 国際協力による構成 (KEK. 4: DESY, 2: FNAL, 2) において 31.5 MV/mを達成（ S1-Global)

• 加速器システム（ユニット）としての性能– 高周波電力源 (HLRF), 制御 (LLRF)、ビーム加速を含む、システム系統試験

• 加速空洞・工業化研究開発– 加速空洞製造パイロットプラントによる量産化研究開発

• 工程、品質管理、生産性の向上（コストダウン）• プロジェクト実現にむけた説得力のある量産技術、コスト評価

Progress Towards High-Gradient Yield

090509 ILC-PAC Review: SCRF 4

Recent DESY/JLab “production” series.

Total 39 cavities (08/09)

Mostly result of first cold-test (few cases second-test)

Field Emission greatly reduced (rinses) identified RDR barrier

Baseline gradient re-evaluation (TDP1) expected to be based on sample of >60 cavities

Current status:50% yield at ~ 33 MV/m;(80% >25MV/m)

Current status:50% yield at ~ 33 MV/m;(80% >25MV/m)

S1-Global Collaboration

ILC-PAC Review: SCRF 5

KEK, Japan

090509

FNAL

x2

DESYx2 x4

INFN Milan

Complementary activity to regional cryomodule development

SRF Test Facilities

ILC-PAC Review: SCRF 6

KEK, Japan

DESYFNAL

TTF/FLASH~1 GeVILC-like beamILC RF unit(* lower gradient)

NML facilityUnder constructionfirst beam 2010ILC RF unit test

STF (phase I & II)Under constructionfirst beam 2011ILC RF unit test

090509

Global Plan for SCRF R&DA Summary

Calender Year 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Technical Design Phase TDP-1 TDP-2

Cavity Gradient R&D

to reach 35 MV/m

Process Yield > 50%

Production Yield >90%

Cavity-string test:

with 1 cryomoduleGlobal collab. For <31.5 MV/m>

System Test with beam

1 RF-unit (3-modulce)

FLASH (DESY) STF2 (KEK)

NML (FNAL)

7090509 ILC-PAC Review: SCRF

R&D/prepare for Indusrialization

Cavity- and Cryomodule-String Test Program (S1G, S2) at KEK

C. Year 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Cavity String(S1-Global)

Cavity >> Ins Test

Cryomodule String Test (S2) *High Pressure Code Regulation/Stamp to be applied

Quant. Beam*(Compact L.S.)

Cavity >> Inst. Test

Cryomodule 1* Cavity >> >> Ins & T

Cryomodule 2,3* Cavity >> >> Ins Ins & T

Technical Design Phase Development to be continued

090509 ILC-PAC Review: SCRF 8

R&D/prepare for Indusrialization

GDE: ILC Timeline

Reference Design Report (RDR)GDE process

TDP 2

LHC physics

2005 2006 2007 2008 20122009 2010 2011 2013

Ready for Project Submission

Tech. Design Phase (TDP) 1

9ILC-GDE SCRF

We are here

090226

工業化研究開発立ち上げ（提案）の

動機と目的• 国際的に空洞製造企業の訪問および技術者とのディスカッションに基づく– ILCスケールでの空洞開発／製造の準備は現在の開発、既存／近未来計画（ XFEL, Project X)の単純な延長では繋がらない

• 工業的自動化 (Factory Automation)を含む量産化技術の開発の立ち上げには時間を要し、今の段階で開発の立ち上げが必要。– 製造の自動化、品質管理、製造時間、コストの把握／削減

• 加速空洞性能向上の為の開発と併行して進める必要がある。

Visit to Cavity Manufacturers: 2009

ILC-PAC Review: SCRF 11

Asia MHI

Europe: RI << ACCEL

ZANON

Americas: AES NIOWAVE PAVAC

090509

Notes: AES: Advanced Energy Systems RI: Research Instruments (previously, ACCEL) MHI: Mitsubishi Heavy Industries

Visit to Cavity Manufacturers: 2009

090509 ILC-PAC Review: SCRF 12

Company # employees Features Date

AES ~26 Experience with RICH magnet production in the previous company, Dedicated for SC/NC RF technology

Feb. 24

NIOWAVE ~40 A New company dedicated for Niobium and microwave technology

Feb. 25

ACCEL/RI ~100 Most experienced company with SCRF, and adaptable for production scale of European XFEL

Mar. 4

ZANON ~200 Much experienced with plumbing work and SCRF cavities, and with HERA cryostat, Adaptable for scale of European XFEL

Mar. 6

MHI >>1,000 A leading company in heavy-industries in Japan, and experienced with SC/NC RF cavities and accelerator technologies

Mar. 10

PAVAC ~30 A unique features with EBW machine itself and SCRF cavity manufacturing

May 7

Toward Industrialization• Global status of Industries

– Research Instruments and Zanon in Europe– AES, Niowave, PAVAC in Americas– MHI in Asia

• Industrial Capacity: status and scope– No company currently has required ILC capacity– Understand what is needed (and cost) by 2012

090509 ILC-PAC Review: SCRF 13

Project Scope

Euro XFEL ~800 2 years ~1 cavity / day

Project X ~400 3 years ~2 cavities/ week

ILC ~15,500 4 years ~20 cavities / day

( 3 regions ~7 cavities / day)

A Plan for R&D facilities and Preparation for Industrialization

（ Presented at ILC-AAP (April, 2’09), PAC (May 2009)

• Bench-mark R&D facility (pilot plant) to study cost-effective manufacturing

• ベンチマーク開発施設・全行程を含むパイロットプラントの構築 ,

– Forming and preparation machining, – Pre-surface treatment and preparation, – EBW process with efficient automation, – In-line Inspection during fabrication process for quick-feedback,

• R&D facilities to be sited at Laboratories• 研究所がホストし、企業と協力し、開発施設を構築

– Effort to seek for the most cost-efficient manufacturing with keeping information to be open,

– Development to seek for a bench-mark, manufacturing facilities (design and/or itself can be applicable for the real production.

– It is important for industries to participate to the program since Day-1. for planning. • We may discuss a possibility

– An industrial meeting to be held as a satellite meeting at the 1st IPAC, Kyoto, May, 2010.

• 090528 ADI Meeting at DESY 14

　パイロットプラントの構築• 量産化技術を磨くためのパイロットプラント

– 工業生産として必要な自動化技術の開発– 製造行程、品質管理、コストのより正確な把握– コスト削減にむけた説得力のある評価

• 研究所がホストし、企業／工業界と協力する– 製造設備企業、空洞設備企業の協力（参加）を得た開発を初期段階から目指す

– 完成段階では、複数の空洞製造企業が使用可能な設備、製造技術を提供する

– 空洞製造に設備を貸し出すことも視野にいれ、製造設備としての価値を目指す

製造研究開発施設（パイロットプラント）の範囲

• 空洞製造施設全般（ EBWはそのコア施設）– Nbシート材／ディスク材の準備– 成型／プレス– 空洞電子ビーム溶接機

• 前後処理、ワーク自動セッティング、検査設備を含む• エンドグループ製造設備については別途最適化要

– Cavity Integration • 総合検査システム

• 表面処理、クライオモジュール組み立てまでの一環生産システムの実証施設を目指す

空洞性能開発との連携

空洞性能研究開発（基礎研究）の継続的な進展

製造／量産技術開発の進展

時間

国際的な工業化開発・展望• 日本（ KEK), ヨーロッパ（ DESY)

– 電子ビーム溶接方式での工業化技術の確立を研究所を主体として進める

– 圧力成型方式等は、長期的な基礎開発として位置づける– Large grain sheet は併行して推進可能

• アメリカ (FNAL)– 圧力成型方式等、 EBWを脱却した工業化技術開発の推進を展望（ B. Kephart)

• PM(SCRF) としての考え– 多様な工業化研究開発を立ち上げることが大切– 地域の特色、制限により、具体的な技術方針に特色があって良い。

– 相補的な開発として捉え、成果を共有することが大切。– お互いの開発を、奨励、相互サポートしていくことが大切。

KEKの推進体制への要望

• パイロットプラントの開発が将来的に、複数の空洞製造会社を育てることに繋がる方策– KEKがホストし、夫々の製造技術に優れた会社の参加を促す努力、

–施設完成後、複数の希望企業と共同で、工業化技術を習得できる開発の推進、

– ILC, ERL, KEKB等の加速空洞とともに、 KEK内の様々な加速器要素開発にも開かれた施設として、サポートを得た推進、

KEKにおける推進体制への希望

• 機構内共同開発プロジェクトの位置づけ–加速器研究施設と共通基盤研究施設の開発協力計画として位置づけることが適切。

–加速器施設がプロジェクトの目的に沿い中心的な役割を果たし、そのうえで、

–共通研究施設から、機械工学センターが機械加工、溶接等において主体的に活動できる体制を期待。超伝導低温工学センタがこれに協力する。

–これらが可能なプロジェクト運営、推進を願う。

バックアップ

• 資料

SCRF Technology Required

Parameter Value

C.M. Energy 500 GeV

Peak luminosity 2x1034 cm-2s-1

Beam Rep. rate 5 Hz

Pulse time duration 1 ms

Average beam current

9 mA (in pulse)

Av. field gradient

31.5 MV/m

# 9-cell cavity 14,560# cryomodule 1,680# RF units 560

23090226 ILC-GDE SCRF

How May We Reach Our Goal?

090509 ILC-PAC Review: SCRF 24

Past yield curves show best gradient of JLab data set

Push Quench Limit:• Defects from material• Defects from fabrication (EBW)• Renewed studies

Push Quench & field emission Limit• Classical defect/field emitter• EP specific…

Prepared by R. Geng (Jlab)

17-April-09 TILC09 Global Design Effort 25

Technical Design Phase and Beyond

MM studies

2009 2010

RDR ACD concepts

R&D Demonstrations

TDP Baseline Technical Design

2011 2012 2013

RDR Baseline

New

baseline inputs

TDR

TDP-1 TDP-2ChangeRequest