沙鹏，刘振超，翟纪元，刘柏奇，王牧源，戴劲，米正辉，王光伟，孙毅 20151030 CEPC Cavity High Q R&D 沙鹏，刘振超，翟纪元，刘柏奇，王牧源，戴劲，米正辉，王光伟，孙毅 20151030

Content Introduction 1.3GHz cavity 650MHz Beta=0.82 cavity Vacuum system for N2 injection of vacuum furnace at IHEP

CEPC cavity requirement Parameters CEPC-Collider CEPC-Booster Cavity Type 650 MHz 5-cell Nitrogen-doped Nb 1.3 GHz 9-cell Vcav / VRF 17.9 MV / 6.87 GeV 20 MV / 5.12 GeV Eacc (MV/m) 15.5 19.3 Q0 4E10 @ 2K 2E10 @ 2K Cryomodule number 96 (4 cav. / module) 32 (8 cav. / module) RF coupler power / cav. (kW) 280 c.w. 20 RF source number 192 (800 kW / 2 cav.) 256 (25 kW / cav.) HOM power / cav. (kW) 3.5 0.005 HOM damper coaxial/waveguide@2K + ferrite @ RT coupler @ 2K + ceramic @ 80K Frequency: 650MHz Gradient: 15.5MV/m High Q0>4x1010@2K HOMs power damping (several kilo watts) Low loss factor No trapped mode

N-doping and fast cooldown

Fermilab 650 MHz single cell (beta=0. 9) VT （N-dopingVS Fermilab 650 MHz single cell (beta=0.9) VT （N-dopingVS. Standard post-process） CEPC主环腔运行指标 CEPC主环腔垂测指标 PIP-II cavity Bpk/Eacc=3.75 CEPC cavity Bpk/Eacc = 4.2 Alexander Romanenko, FCC Week 2015

FNAL和JLAB十个1.3 GHz N-doping 9-cell腔 水平测试结果 CEPC增强器腔运行指标 Alexander Romanenko, FCC Week 2015

HPR, Vertical test for 1.3GHz cavity leakage detecting HPR Injection of Liquid He

Test results (before N-doping) 2015.06.04, Vertical test before N-doping at IHEP. Eacc=17MV/m@Q0=1.6e10, Quench at 17MV/m.

Induction heating Chamber N-Doping of 1.3GHz Cavity 2015.07.09-11, N-Doping + Plasma Cleaning at PKU Heating to 800° (7min） Maintain 10min （7.5E-4 Pa） N-doping 10min （2.6 Pa） Cool down Maintain 5min （8.5E-4 Pa） Induction heating Chamber

Doping data Hydrogen degas 10 minutes Nitrogen anneal 5 minutes Nitrogen injection 10 minutes

Vertical test after N-Doping No Q0 improvement.

Test results for 1.3GHz cavity at FNAL N-doping + EP

Doping data of JLAB FNAL、JLAB、Cornell: 60+ cavities have been N-doping treated, the same procedure with any minor changes of N2 injection.

The reason N-doping parameters? (Temperature Vs time, Pressure VS time) Plasma cleaning worse than EP (foreign labs).

650MHz N-doping单cell腔加工 充分利用现有原材料及备件，加快研制速度 2015年5月5日将材料运至所工厂 2015年7月2日完成整腔焊接 2015年8月10日在宁夏完成超导腔120um BCP 重抛、退火、20umBCP轻抛，准备进行HPR、洁净间组装及垂直测试 2015年10月14日进行了垂测。

Machining

垂测探针耦合度校准 真空检漏

Vertical test preparation

Vertical test result

Q0 at low field

650MHz single-cell cavity (Beta=1) for CEPC

The final welding would be finished at next week。

Vacuum furnace at IHEP Valve Diffusion Pump Chamber

N2 injection (undergoing) Chamber Diffusion pump MFC Valve N2

N-doping的样片实验 为了搞清楚N-doping的原理，进行铌材样片的表面特性分析非常重要。 已准备与超导腔同步处理的样片12片。 一种说法：铌材中的氢化物使得超导腔的Q值下降，而掺氮后，氮原子可以俘获氢原子，从而提高了Q值。 需要对铌材样片（N-doping前、后）进行两种对比分析： 利用二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrometry ，SIMS)测量样片的氮原子密度随深度的分布； 利用透视电子显微镜（ Transmission electron microscope ，TEM）对聚焦离子束（ Focused Ion beam ，FIB）制备的铌材样片进行电子衍射谱分析，观察铌晶格的变化。

TEM/FIB实验 中科院宁波材料所有相应的仪器设备，将与其合作完成。 TEM得到的N-doping前后Nb lattice的变化（FNAL）

SIMS得到的N-doping前后N原子密度的变化（FNAL） 二次离子激发示意图 SIMS得到的N-doping前后N原子密度的变化（FNAL）

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