ダブルスポークキャビティクライオモジュールの成功したテスト

ウプサラ大学のFREIAラボは、ヨーロッパ中性子源（ESS）用のダブルスポークキャビティクライオモジュールの一連のテストを成功裏に終えたよ。これらの特定のクライオモジュールが実際の機械で使われるのは初めて。テストには13個のクライオモジュールと予備用の1個が関わっていて、すべてが目的の用途に向けて準備されていることを確認したんだ。

#クライオモジュールって何？

クライオモジュールは、超伝導無線周波数（SRF）キャビティを収容し、非常に低温を維持するための装置だよ。これらのキャビティは、粒子物理学の実験で粒子を加速するために欠かせない存在。各クライオモジュールには、低温で効率的に動作するよう特別に設計された2つのダブルスポークキャビティが入ってる。

#FREIAラボ

スウェーデンのウプサラにあるFREIAラボは、粒子加速器に関連する研究開発に特化している。ラボは、スウェーデンのルンドにあるESSで使用されるクライオモジュールのテストを担当していて、クライオモジュールはパリで組み立てられ、その後ウプサラに送られて厳しいテストを受ける。FREIAには、ヘリウム液化プラントや無線周波数パワーステーションなど、これらのテストを行うための施設が整っているよ。

#テストのタイムライン

ダブルスポーククライオモジュールの初期プロトタイプは2019年にテストされたんだ。その経験をもとに、FREIAは手順や装備を更新して、さらにテストを行った。13個のシリーズクライオモジュールのテストは2020年10月に始まり、2023年5月に終了したけど、予備のモジュールだけが残っている。テストの過程で5つのモジュールが修理を必要とし、合計で18回のテストが行われたよ。

#一般的な問題

テスト中に、クライオモジュールにわたって2つの主要な問題が特定されたんだ：

1. 漏れの問題：冷却時にダブルウォールチューブとビームバキュームの間に漏れが見つかった。この問題は、溶接の機械的研磨が表面の品質に影響を与えたことが原因だった。
2. モーターの問題：あるステッパーモーターが特定の位置に達した後に反応しなくなった。この問題は温めて交換することで解決された。

これらの漏れは、モジュールが液体ヘリウムで冷却された後にしか検出されなかったんだ。室温でのテストでは漏れは見つからなかったから、評価プロセスに隙間があることが浮き彫りになったよ。

#平均テストプロセス

クライオモジュールのテストには約6週間かかるけど、そのうち4週間は低温操作に費やされる。到着後、電気的接続とバキュームレベルを確認するためのテストが行われる。モジュールはその後、さらなる低温テストに向けて準備されるための一連の体系的なステップを経るよ。

#クライオモジュールのテストにおける典型的なステップ

• 受信テスト：電気接続とバキュームレベルのチェック。
• テストフレームへの移動：移動を容易にするために、クライオモジュールをサポートフレームに置く。
• 冷却ラインの接続：必要な冷却ラインを接続。
• 漏れチェック：異なる圧力レベルでヘリウム回路の漏れをチェック。
• キャリブレーション：RFケーブルのキャリブレーションとテスト用の必要機器のセットアップ。
• 冷却手順：液体窒素と液体ヘリウムを使用してキャビティを冷却。
• RFテスト：さまざまな温度で無線周波数テストを実施。

#取り扱いと設置

クライオモジュールが到着したら、可動フレームに配置され、テストの準備がされる。RFラインにモジュールを接続するドアノブは、しっかりと固定する前に慎重に調整する必要がある。漏れチェックは、ヘリウム回路を清浄なガスで洗浄し、接続を確認することを含む。

効率的な運用を確保するために、2つのサポートフレームを同時に使用して、テスト間の迅速な移行を可能にしている。1つのモジュールのテストが終わったら、すぐに次のモジュールの準備ができるよ。

#カプラーの調整

基本的なパワーカプラー（FPC）は、クライオモジュールの運用にとって重要なんだ。これらはIJCLabとFREIAラボの両方で調整される。この調整プロセスは、カプラーが高出力レベルに対応できるよう準備するのに役立つよ。

調整中は、パワーレベルが徐々に上昇し、バキュームレベルの大きな変動が注意深く監視される。これは、カプラーが運用条件下で信頼性を持って機能するために重要だよ。

#冷却手順

クライオモジュールの冷却は段階的なプロセスだよ。最初に液体窒素を使って熱シールドを冷却し、その後キャビティを運転温度まで冷却するために液体ヘリウムを使う。冷却プロセス全体でシステムが安定していることを確保するためにさまざまなステップが踏まれるんだ。

#クライオモジュール冷却の段階

1. 熱シールドの冷却：液体窒素を使って温度を約80Kに下げる。
2. 液体ヘリウムでの充填：キャビティを約4.2Kのヘリウムで充填。これはRFテストを始める前の重要なステップ。
3. 最終冷却を2Kに：最適な性能を得るために温度をさらに下げる。

#熱負荷測定

運転中、静的および動的熱負荷を理解することは、クライオモジュールの性能を評価するために重要なんだ。この測定は、運用中にキャビティがどれくらいの熱を吸収しているかを明らかにし、それが効率に影響を与える。

#熱負荷に影響を与える要因

• システム構成：特定のセットアップによって熱負荷の測定にばらつきが生じることがある。
• 冷却メカニズム：使用される冷却方法がシステム内での熱の管理に影響を与えることがある。
• 運用条件：運用中のコンポーネント間の相互作用が熱負荷の変化を引き起こすこともあるよ。

#フィールドエミッション

フィールドエミッションは、運転中にキャビティの表面から電子が放出されることに関連している。テストでは、ほとんどのキャビティが重大なフィールドエミッションの問題を経験しなかったことが示されていて、クリーンな組み立てプロセスの効果が確認されたよ。

#クエンチ検出

クエンチとは、キャビティ内の超伝導状態の突然の喪失を指す。ダブルスポークキャビティの特性から、クエンチを予測して防ぐためのシステムが開発された。RFパルスの形状を監視することで、クエンチを示す歪みを直ちに対処できるようにしているんだ。

#冷却調整システム

各クライオモジュールには冷却調整システムが装備されていて、モーターがキャビティの周波数を調整する役割を果たしている。このシステムは、モジュールが運転中にも正確な調整を行えるようにして、さまざまな条件下での最適な性能を確保するんだ。

#得られた教訓

数年にわたるテストの結果、いくつかの重要な教訓が明らかになったよ：

• システムの限界を理解する：機器の容量制限を認識することで、運用を効率化できる。
• 熱負荷測定の改善：新しい測定技術を採用して精度を向上させることについての議論が続いている。
• 安定性の課題：安定した運用を維持するには、すべてのコンポーネント、特に電源の信頼性に注意を払う必要がある。
• テストの品質管理：モーターやその他のコンポーネントを徹底的にチェックすることで、テスト中の問題を防止できる。

#結論

FREIAでのダブルスポークキャビティクライオモジュールの成功したテストは、ESSプロジェクトにとって重要なマイルストーンを意味するよ。いくつかの課題はあったものの、その後の修理と再テストでモジュールの信頼性が確認された。このテストから得られた知見は、粒子物理学におけるスポークキャビティを使用する今後のプロジェクトにとって貴重な情報となるはず。FREIAのスタッフの献身と様々なパートナーとのコラボレーションが、このプロジェクトの成功に大きな役割を果たしたんだ。