ILC NewsLine 2010年12月9日号 ［英文記事］
■ILC NewsLine特集号：ILC空洞‐全世界的な成功の年
（ILC NewsLine special issue: ILC cavities — a globally successful year）
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今年も年末が近づいてきた。この一年の国際的な国際リニアコライダー（ILC）プロジェクトを振り返ってみよう。最もめざましいのは、ILC R&Dの短期マイルストーンのひとつである「35MV/m（1メートルにつき35メガボルト）以上の加速勾配と所定のQ値をもつ空洞を50パーセントの製造歩留まりで達成」の品質目標が、世界各地で達成されたことである。これは、世界で今年製造試験された空洞のうちの半分が、ILCの運転に用いることができる、ということを意味する。次の目標は、90パーセントの性能歩留まりの2012年中までの達成である。米コーネル大学、ドイツ電子シンクロトロン研究所（DESY）、米フェルミ国立加速器研究所（Fermilab）、米ジェファーソン研究所（JLab）、高エネルギー加速器研究機構（KEK）といった世界中の研究機関からのテストデータがILCの空洞データベースへと順次送りこまれている。また、2010年1月から稼働した「S1グローバル」プログラムでは、クライオモジュールに世界中からの8台の空洞パッケージが収められた。
今号のディレクターズ・コーナーで、Barry Barish氏は、ILCベースラインを発展させるための一年間に及ぶプロセスについて執筆、平均空洞加速勾配と品質製造必要条件の設定について解説している。KEKの超伝導高周波試験設備（STF）からはホットなニュースが、Fermilabからは「冷たい」ニュースー最初の米製ILC型8空洞クライオモジュールの絶対温度2度までの冷却成功—が届いている。
こちらにILC超伝導高周波空洞R&D関連の1年間のマイルストーンをについて、2010年にILC NewsLineで発行された記事をまとめました。併せてご覧下さい。
■世界の各地より
Fermilab Todayより：Fermilab、SRFクライオモジュール一号機の運転を開始
（From Fermilab Today: Fermilab begins operation of first SRF cryomodule）
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| 100人以上のFermilabのスタッフが、クライオモジュール 1のアセンブリと運転に貢献した。科学者、エンジニア、技術者、安全人員、管理者ら。 写真：Reidar Hahn氏 |
編集者のメモ：Fermilabで、一番目の超伝導高周波（SRF）のクライオモジュールの設置風景を撮影したビデオもご覧ください。
世界中の素粒子物理学研究所の人々が、Fermilabで予定されていたクライオモジュールの冷却作業を注視してきた。
100名を超えるスタッフによる何年にもわたる努力の結果、FermilabのSRF先端加速器試験施設で、クライオモジュール1（CM1）の冷却作業が始まった。11月22日午前11時、CM1の中を液体ヘリウムが流れ、絶対温度2度（-271℃）まで冷却された。
これは、次世代加速器のための主要な先端技術である、超伝導RF空洞モジュールのテストを行う装置が『起動した』瞬間であった。今後数年のあいだ、Fermilabは、実験研究用の粒子ビームを加速するために、このようなクライオモジュールを使用する予定である。
「施設にとっては大きな出来事です」と、Jerry Leibfritz氏（試験施設プロジェクト・リーダー）は語る。「いよいよ運転が始まろうとしています。クライオモジュールの試験研究ができる設備が新たに立ち上がった、ということです」
「施設にとっては大きな出来事です」と、Jerry Leibfritz氏（試験施設プロジェクト・リーダー）は語る。「いよいよ運転が始まろうとしています。クライオモジュールの試験研究ができる設備が新たに立ち上がった、ということです」
CM1は、米国では、同型のクライオモジュールとして唯一のものだ。Fermilabは、SRF技術を向上させるために、米国の産業界や国際的な研究機関と密接に協力している。CM1が冷却されたいま、FermilabはSRF加速器研究の場に本格参入したことになる。
「次世代の加速器がどこで建設されるかに関係なく、これから建設されるどんな加速器でも、主要な役割を担って行きたいと考えています」と、Leibfritz氏。「もちろん、Fermilabに建設されればよいとは思っていますが」。
CM1の立ち上げは、DESYからクライオモジュールキットを得て、その組み立てを始めた2007年にスタートした。完成したクライオモジュールが設置されたのは、新ミュオン実験棟内の試験施設である。
研究チームは、今年、これまでに、冷凍機システムとクライオモジュールの運転に必要な、多くの周辺システムを完成させている。
9月には、スタッフは、マイクロ波電力のクライオモジュールへの供給口である「空洞入力カプラ」の調整試験を最大約4メガワットまで行った。
そして今、CM1の「見せ場」がやってきた。
「単体空洞の冷却はいつも行っていますが、それは検査目的のものです。完成モジュールの冷却や電力供給することで、はじめてすべてがきちんと組み立てられ、システムとして運転可能であることが証明されるのです」と、Elvin Harms氏（CM1の運転調整担当）は語った。
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| クライオモジュール1は、米国唯一の8空洞SRFクライオモジュールである。11月22日に2ケルビン（-271℃）への冷却に成功した。 写真：Reidar Hahn氏 |
冷却試験は、試験設備の最初の試運転フェーズが完了間近であることを意味する。残された作業は、冷却システムやマイクロ波電力システムの微調整である。
「ビームがまだ無いところを除けば、何でも測定することができます」と、Leibfritz氏。
2011年3月には、電子ビーム源の設置を行うフェーズ２の活動が始まる。
「みんな張り切っています。ここまで来るのに長い時間がかかりましたから」と、Harms氏。「一人の人間や小さなグループではできないことでした。みながまとまり、苦労を分かち合い、勉強してきました。チームの努力があってこそできたことです」。
［英文記事］
KEKより：２機の日本製９セル超伝導空洞、連続してILCの要求を達成
（From KEK: Japanese 9-cell SCRF cavity meets ILC specifications）
最適化された空洞の設計や製作は容易な作業ではない。空洞製作において、研究者が求めている2つの重要なパラメータがある。「加速電界 35MV/m、Q値>0.8×1010」だ。KEKの超伝導RF試験施設（STF）で行われた、ILC用の超伝導加速空洞の縦測定試験で、ILCで要求されている要求仕様を満たす記録を国内で初めて達成した。ILC実現の最重要課題のひとつである、高性能な空洞の量産に向けて弾みがついたかたちだ。
ILC実現に向けた２つの重要なパラメータが、加速電界とQ値（Qo）。加速電界とは、一定の長さで得ることができる加速エネルギーのことで、通常MV/mで表される。高い加速電界を実現することは、加速器の性能向上や省エネルギー・省スペース化を図るうえで大変重要だ。高加速電界を実現すると加速器の長さが短くなるため、コスト削減にもつながる。Q値とは、一定の電界強度を実現するために必要電力量を示す指標。超伝導空洞は、少ない投入電力でより高い電界強度を発生させることが特徴であり、Qoの値が大きいほど性能が良いと考えられている。
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<図1> MHI-012、MHI-013の1回目の縦測定の結果。ILC空洞の製造スペックを満たしている。 |
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<図2> MHI-012の第２回測定結果。最高加速電界は40.7MV/m. |
11月25日にSTFで、三菱重工業株式会社が製造した9セル加速空洞の13号機「MHI-013」の縦測定試験が行われた。その結果、この空洞は、ILCで要求されているスペックである加速電界31.5MV/m、Q値>1×1010および加速電界 35MV/m、Q値>0.8×1010を国内で初めてクリアしたことが確認された。ILCの主線形加速器では、31.5MV/m および Q0 > 1×1010で運転される。そのために事前に縦測定で、35MV/m および Q0 > 0.8×1010 の目標をクリアすることが求められているのだ。
「高輝度光子ビーム発生装置開発プロジェクト用に制作したMHI-012、MHI-013の２機の空洞について、1回目の空洞の表面処理と縦測定を行いました」と、KEK助教の渡邉謙氏。「今回の結果の裏には、KEK側の品質評価に対するシステムが以前にくらべて飛躍的に向上したことと、多くの知見が蓄積されたこと、またそれをメーカー側へしっかり伝えることで、空洞製作のレベルも向上したことがあります」と語る。
1メートル長の加速空洞は、超伝導体であるニオブ材でつくられている。空洞の内表面に不純物や欠陥があると、電気抵抗を悪化させたり、フィールドエミッション(電界放出)と呼ばれる加速の効率を落す現象を起こしたりする原因となる。そこで、空洞の性能を引き出すため、空洞の内面の処理を行っている。金属の表面を溶解させる電界研磨や、欠陥部分をやすりで削る物理研磨、超純水を使った高圧洗浄など、様々な方法で不純物や欠陥等を取り除く。これら一連のMHI-013の表面処理は、STF内に建設された電解研磨(EP)設備で行われた。
MHI-012、MHI-013の両空洞は、受け入れ・各表面処理後に高分解能カメラを用いて、空洞内面の光学検査も行っている。「最終の電界研磨の前には、空洞内部に高電界の発生を阻害するような幾何学的欠陥が無い空洞であることを確認しています」と渡邉氏は言う。
第一回の測定では、MHI-012、MHI-013ともに35MV/mを超える結果を出した。加速電界だけを見ると、両空洞ともILCの要求を満たしているように見える。しかし、MHI-012のほうは、最大加速電界は38.2MV/mという好成績だったものの、フィールドエミッションが原因でQoが落ちてしまい、要求を完全には満たさなかった。MHI-013は、MHI-012で行った処理方法に加え、これまで行ってきた処理方法を考慮して、状況に応じてパラメータを若干変えて表面処理を行った。「その結果、清浄な空洞内面を作ることができ、フィールドエミッションによる損失が抑制されたため、ILCスペックを満たすことができたと考えています。性能向上のカギとなるのは、表面処理のパラメータ・作業環境および作業手順をインフラ・設備に合わせて、変えて行くことだと考えています」（渡邉氏）。
KEKの研究チームは、12月８日（水）に、MHI-012の二回目の表面処理・縦測定を実施した。この測定で、MHI-012はILCの要求を達成した。「加速電界40.7 MV/m、 Qo = 6.12x109を記録し、日本製9セル空洞で初めて40MV/mの加速電界を超える性能を達成しました」。40.7 MV/mの加速電界の状態でも、MHI-012は超伝導破壊（クエンチ）を起こさなかった。つまり、さらに投入電力を増やせば電界強度は上がるはずだった。しかしこの空洞は、縦測定終了後に高輝度光子ビームプロジェクトのためビームラインへの組み込みが予定されていたため、「ここで無理をして空洞を壊すと問題がある、ということで、40.7MV/mの時点で測定を終了しています」と渡邉氏。「品質維持に向けてよりいっそう努力していかなければなりません」と気を引き締めた。
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［英文記事］
■ディレクターズ・コーナー
 Barry Barish氏 |
ILCベースラインを発展させる：主線形加速器の運転加速勾配
（Evolving the ILC baseline: main linac operating gradient）
先週、私は、ベースラインを発展させる今後2年にわたって推進する技術設計活動での動機と進め方について解説した。この仕事は、2012年末に技術設計報告書（TDR）を発表することで完了する。TDRのベースラインは、一連の具体的な変更を行うことで進化している。変更提案のうち4つは大きな影響を持つので「トップレベル変更管理」措置が必要であるとしている。私は、先週、そのプロセスについて解説した。
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Rong-Li Geng氏がBAW-1で発表した最近の加速勾配の性能歩留まりの有望な結果。統計サンプル数は非常に限られているものの、35MV/mで90%の性能歩留まり。私たちが目指すTDRの目標を達成している。 |
 Fermilab、DESY、イタリア国立核物理研究所（INFN）の共同研究によりつくられたCM-1と呼ばれる、Fermilabの超伝導RF試験施設にある最初のクライオモジュールは、最近、試験のために絶対温度2度まで冷却された。 |
今日は、ベースライン変更提案のうちの一つ目について、これは最近決着を見たものだが、解説したい。要約すると、一年間にわたる議論・検討の結果、9月に開催されたベースライン・アセスメント・ワークショップ（BAW）で、次のようなまとめと提案をプロジェクト・マネージャが行った「主線形加速器の加速器運転では、これまでも前提としていた勾配1メートルにつき平均31.5MV/m、平均Q値1010の仕様は維持するが、個別空洞の加速勾配については20パーセントまでの広がりを許容する」。私は、変更評価委員会からの大幅な協力を得て、この提案にかんする評価を行い、先週も述べたとおり、この提案を承認した。これは主線形加速器の運転において、加速勾配の設定値とマージンとを定めるものである。
運転加速勾配は、コストに影響を及ぼす。これは、目標とする最高エネルギーである500GeVに到達するうえで、加速勾配が所定のサイト長さを決め、あるいは決まったサイト長のうちで所定のエネルギーにどれほど確実に到達できるかを決めるからである。運転加速勾配の設定に従ってTDRに向けた加速勾配R&Dの目標が決まり、また、工業化に向けた生産や受入必要条件、アセンブリ、検査、性能への要求も決まってくる。これまで長い間掲げていたQ0 ≥ 8 109、35MV/mという、高い加速勾配の空洞性能達成に向けた世界的R&D活動のなかで、これまでに２回の表面処理後の製造性能歩留まりが56パーセントであることが実証されている。2010年のために設定したこの目標を達成したことで、TDRまでの目標90パーセントも可能であろう、という自信を深めているところである。もちろん、今後の作業として、費用対効果を考慮した空洞生産の最適化や、それによる再処理や他の作業に対する実際の戦略策定は残された課題である。そのためには、より多くのデータである。ILCと類似の処理工程でつくられる、欧州X線自由電子レーザー（XFEL）用の空洞から得られる大量の知見が待ち望まれる所である。
高加速勾配の空洞R&Dプログラムは、TDRフェーズ以降も続くものだ。そのなかで、製造工程の改善（特に品質管理における）、表面処理工程の改善、たとえば縦置きでの電解研磨処理といったもの、による時間や工程数コストの低減などが行われるだろう。、電界放出の理解やその低減に向けたさらなる研究も続けられるはずだ。
高加速勾配空洞の製造は、問題の一部にすぎない。ILCの場合、私たちは1台のクライオモジュールに、9台の空洞を設置したものを1ユニットとして運転を行う。私が承認した提案では、主線形加速器クライオモジュールの運転に、最高20パーセントの広がりで、31.5MV/mの平均運転加速勾配を設定している。私たちはこれらのパラメータが現実的であり、達成可能なものであると考えているが、その実現は簡単ではない。また、この設計仕様変更はILCの物理研究上のポテンシャルには本質的な影響を及ぼさず、従って実験研究者グループからの懸念は出なかった点についても触れるべきだろう。
空洞の目標を達成するための出発点は、空洞設置前に35MV/m、縦測定試験で、平均して38MV/m※の加速勾配をもつ空洞を製造することである。縦置きテストからクライオモジュールを水平に設置する際の加速勾配のロスは、およそ3パーセントを見込んでいる（または仮定している）。主線形加速器の運転加速勾配は、主線形加速器に空洞を設置した後は継続的に運転できるような値となっている必要がある。継続運転時は、クライオモジュールテストで得た最大加速勾配から1.5MV/m低く設定するのが妥当と考えられ、また、運転制御上のマージンとしては3%を見ておけば十分と考えられる。その結果、運転加速勾配で平均31.5MV/mという現在の値を再び得る。
※Barry氏の記述には、空洞設置前に35MV/m、縦測定試験で、平均して38MV/mとある。しかし、空洞設置前の縦置き試験時の加速勾配は、35MV/m ± 20% 。つまり、28MV/m - 42MV/m 。また、縦置き試験時の平均加速勾配は35MV/mである。
R&Dプログラムで、最近見られたような成果が今後も続けば、空洞性能はこの前提を上回ることになる可能性もある。しかし、現時点では、2012年末までに達成が可能と考えられる値に目標を設定している。さらなる改善が得られれば、加速器の全長を短くし若干のコスト減も実現するだろう。TDRのベースラインとして。主線形加速器の運転加速勾配に関するこの提案が承認されたということは、ILCの現実的な設計を開発するうえでの重要な一歩を意味する。主線形加速器は、ILCの中核技術である。R&Dプログラムによって、ILCのの高加速勾配線形加速器の技術基盤の確立に向けて大きな前進が得られた、と言える。
［英文記事］
■カレンダー
今後の会議、ミーティング、ワークショップ
Second Baseline Assessment Workshop (BAW-2)
SLAC
18-21 January 2011
今後のスクール
US Particle Accelerator School (USPAS)
Old Dominion University, Hampton, Virginia, USA
17-28 January 2011
Excellence in Detectors and Instrumentation Technologies (EDIT 2011)
CERN, Geneva, Switzerland
31 January - 10 February 2011
■ニュース記事
From Astronomy
6 December 2010
研究の道：米フェルミ国立加速器研究所、その２
米フェルミ国立加速器研究所（略すとFermilab）と聞いて、宇宙論をまず思い浮かべる人は少ないだろう・・・
［英文記事]
From CERN
6 December 2010
欧州合同原子核研究機関（CERN）実験、反水素ビームに向け前進
CERNのASACUSA実験は、反物質を研究するための革新的な技術を開発し、重要な前進をとげた。CUSPトラップと呼ばれる、粒子トラップを用いて、実験は、飛行中に大量の反水素原子を生成することに成功した。
［英文記事]
From Le Figaro.fr
3 December 2010
Des télescopes sous l'eau pour écouter le chant des baleines
Les détecteurs de neutrinos cosmiques ont trouvé une nouvelle application. Les cétacés utilisent en effet les mêmes fréquences que ces particules pour communiquer.
［フランス語記事]
■アナウンス
◇ECFA「リニアコライダーのための物理・測定器研究」を延長
（ECFA extends the "Study of physics and detectors for a linear collider" ）
11月26日、将来加速器欧州委員会（ECFA）は「リニアコライダーのための物理・測定器研究」の期間を2013年の末まで延長することを決定し、また、この研究グループの新委員長に、Juan Fuster氏を指名した。プロジェクトにとって特に重要な時期を迎えるにあたり、こうしたECFAの決定は、リニアコライダーに関する欧州の活動に対する確固とした支援の姿勢を示すものである。リニアコライダー物理・測定器国際研究組織の共同委員長、また、ILCリサーチ・ディレクター山田作衛氏のもとの欧州地域代表他の国際的な仕事を行ってきた、前委員長François Richard氏の任期は、これをもって終了した。Juan Fuster氏はスペインにおけるILC活動の非常に積極的な推進者であり、とりわけ、2006年にバレンシアで開催されたECFAワークショップではその主催者を務めている。
- View slides of the latest ECFA meeting at CERN
- Latest "ECFA Study of Physics and Detectors for a Linear Collider" workshop at CERN
◇arXiv preprints
1012.1035
Measuring a Light Neutralino Mass at the ILC: Testing the MSSM Neutralino Cold Dark Matter Model
1012.0824
Electroweak non-resonant corrections to top pair production close to threshold
1012.0189
Indirect search for color octet electron at next generation linear colliders
1012.0167
The Higgs sector of the minimal B–L model at future Linear Colliders
1011.6314
Design and Construction of a Cherenkov Detector for Compton Polarimetry at the ILC
1011.5969
Performance of Glass Resistive Plate Chambers for a high granularity semi-digital calorimeter
■今週のビデオ
Fermilabに設置されたクライオモジュール
（Cryogenic Module installed at Fermilab）
FermilabのILC型SRFクライオモジュールの一号機を設置する様子を撮影したビデオが閲覧できます。2010年11月23日のクライオモジュールの冷却については、今週の関連記事もご覧ください。
ビデオ：Fermilab