12.3 Nb/Cu Clad Cavity 12.2 Hydro-forming 12.1 … Lowcost fab(p.362-390).pdfHydroforming of Nb/Cu Clad Cavity in KEK 幸伸技研 KEK/ 静岡県三島市） (名大物理集中講義ノート

名大物理集中講義ノート09/July/2004 K.Saito 362

12. Cost Effective Cavity FabricationMethod

12.1 Seamless Spun Cavity

12.2 Hydro-forming12.3 Nb/Cu Clad Cavity


Present Fabrication Cost

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

相対コスト

相対コスト

相対コスト

相対コスト

36%

17%

47%

KEK現状製作法KEK現状製作法KEK現状製作法KEK現状製作法

Nb Material

Fabrication

EBW

ニオブ材料費とが全体のEBWを占めている。

コスト削減のためにはこの二つを何とかしなければならない。

80%

Europe (INFN-LNL, DESY)Nb bulk seamless cavity

KEK:Nb/Cu clad cavity

KEK


Spun Cavity in Italy(INFN-LNL)

一枚板からスピニング技術（回転絞り）で空洞を製作する。

By V.Palmieri


Spun Multi-cell Cavity

1300MHz Nb 空洞の製作空洞の製作空洞の製作空洞の製作にも成功。にも成功。にも成功。にも成功。

9-cell


Seamless Pipe Technology in Italy

Deep drawing


Reverse Deep Drawing Technology in Italy


Cracking Problem ofSpun Cavity Technology in the Early State

初期の空洞。現在だいぶ改善された。


None Uniform Wall Thickness

1

1.5

2

2 .5

3

-10 0 10 20 30 40 50

KENZO-4 KENZO-5 KENZO-6

Wal

l av

erag

e th

ickn

ess

[mm

]

Location

Iris Iris

Equator

CellBeam tube Beam tube

肉厚がばらつく。セル毎に感度が異なり、周波数エラーが発生。

Lorentz detuningのエラーが大きくなる。Field amplitude

現在では、この問題は現在では、この問題は現在では、この問題は現在では、この問題はかなり改善された。かなり改善された。かなり改善された。かなり改善された。


Cavity Performance ofSpun Nb Bulk Cavity

Jlab/INFN-LNLBy CP


Electropolishing of Spun Cavity

108

109

101 0

101 1

0 5 10 15 20 25 30 35 40

KENZO-6 3rd

Barrel(84hr), CP(4min.), Anneal(750oCX3hr)EP(50mmmmm), HPR

1st

2ndQo

Eacc [MV/m]

1st, 2nd

No X-ray

KEK/INFN-LNL

Okay


Hydroforming of Nb Bulk Cavity in DESY横型横型横型横型


DESY Hydroformed Cavities


Wall thickness distribution withhydroforming

多連空洞の場合、セル間で肉厚分布がばらつきにくい。


Cracking in Nb Bulk Seamless Cavityin DESY

遠心バレル研磨のような強力な機械研磨が必要。


Electropolished Hydroformed Cavity

108

109

1010

1011

0 10 20 30 40 50

1BT1: CP(150mmmmm)

1K2: CP(250mmmmm)

1BT1: CP(150mmmmm) + EP(100mmmmm)

1K2: CP(250mmmmm) + EP(100mmmmm)

Qo

Eacc [MV/m]

JLAB/DESY/KEK

40MV/m


：：：：Estimated TESLA Fabrication CostMass-production Effect

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

TESLATESLATESLATESLA

Nb material

Fabrication

EBW

相対コスト

相対コスト

相対コスト

相対コスト

36%

17%

47%

目標コスト目標コスト目標コスト目標コスト

現行製作現行製作現行製作現行製作

52%

10%

37%

量産効果を入れても現行製作法の延長では、まだ高コストか？

量産効果もう少し詳細な検討必要）もう少し詳細な検討必要）もう少し詳細な検討必要）もう少し詳細な検討必要）(

KEK


Nb/Cu Clad Cavity, KEK

Coupled Problems

1) をををを極力減らす極力減らす極力減らす極力減らすEBW2) 材材材材の量を大幅にへらすの量を大幅にへらすの量を大幅にへらすの量を大幅にへらすNb空洞性能を保証する空洞性能を保証する空洞性能を保証する空洞性能を保証する3)

空洞が空洞が空洞が空洞がののののバルク性を維持バルク性を維持バルク性を維持バルク性を維持

Nb

が使えるEP


Nb ののののコスト評価コスト評価コスト評価コスト評価/Cu Clad Cavity

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

KEK現状現状現状現状 TESLA(現状製作法）現状製作法）現状製作法）現状製作法）

TESLA（Nb/CuClad)（Nb/CuClad)（Nb/CuClad)（Nb/CuClad)

Material

Fabrication

EBW

相対コスト

相対コスト

相対コスト

相対コスト

36%

17%

47%

目標コスト目標コスト目標コスト目標コスト

期待価格


Idea of KEKCanning

Bonding

Tube drawingClad pipe


Tube Drawing

日立電線（株）KEK/奥田金属（福井県）/


Drawn Nb/Cu Clad Tubes and Cutting

新日鉄/KEK


Fabrication Process in KEK forHydroforming


部のスエジング部のスエジング部のスエジング部のスエジングBeam Pipe

幸伸技研静岡県三島市）(


Hydroforming of Nb/Cu Clad Cavity inKEK

幸伸技研KEK/ 静岡県三島市）(


Cavity Performance

108

109

101 0

101 1

0 10 20 30 40

Nb/Cu Clad Cavity

Qo

Eacc [MV/m]

108

109

1010

1011

0 10 20 30 40

: 2K, before quench: 2K, after quench

Qo

Eacc [ MV/m ]

Nb/Cu clad cavity hydro-formed in DESY,

CP180mmmmm, Annealed 800oC and bake 140

oC,

cold tested by P.Kneisel

quench

新日鉄（株）KEK/ /DESY JLAB/DESY/KEK

40MV/m


Flux Trapping Problem

108

109

1010

1011

0 5 10 15 20 25 30 35 40

1st Meas. (fast cooldown): before RF processing : after RF processing (quenches)After warmed up 75 K (fast cooldown) : before quench : after quenchAfter warmed up 25K (fast cooldown) : before quench : after quench

Qo

Eacc [ MV/m ]

RF processing

After RF processing

After warmed up 75K


Merits of The Sandwich Structure

0

50

100

150

200

250

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Non HIP (as recieved)Non HIP (as recieved)Naked HIPOne Nb face exposed to argon gasSandwiched HIP

Vic

kers

Har

dnes

s [H

v(50

g)]

Depth [mm]

No material degradation


Better Formability with Clad Nb/Cu Material

0

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800 1000

Annealing Temperature [oC]

Elongation [%]

0.2% Yield strength [kg/mm2]

Tensile strength [kg/mm2]

加工性が向上する。


12. Summary

シームス空洞の製作技術は、技術的にも空洞性能のシームス空洞の製作技術は、技術的にも空洞性能のシームス空洞の製作技術は、技術的にも空洞性能のシームス空洞の製作技術は、技術的にも空洞性能の面でも面でも面でも面でも

•なった。なった。なった。なった。ready

• 空洞は大きなコスト削減が期待できる。空洞は大きなコスト削減が期待できる。空洞は大きなコスト削減が期待できる。空洞は大きなコスト削減が期待できる。Nb/Cu Clad

但し、但し、但し、但し、• のののの問題を解決する必要がある。問題を解決する必要がある。問題を解決する必要がある。問題を解決する必要がある。flux trapping

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12.3 Nb/Cu Clad Cavity 12.2 Hydro-forming 12.1 … Lowcost fab(p.362-390).pdfHydroforming of Nb/Cu Clad Cavity in KEK 幸伸技研 KEK/ 静岡県三島市） (名大物理集中講義ノート