Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TUP047

LIPAc Phase-B+の RFQ/SRF 用 RF 増幅系における RF ノイズとリークの問題
RF NOISE AND LEAKAGE ISSUE IN RF POWER AMPLIFIER CHAINS FOR DRIVING
RFQ AND SRF CAVITIES IN THE PHASE-B+ OF LIPAc
廣澤航輝#, A), 久保直也 A), 春日井敦 A), マルチェナ アルバロ B), モヤ イバン C), 斎藤健二 A,D), 小林仁 E)
Kouki Hirosawa #, A), Naoya KuboA), Atsushi KasugaiA), Alvaro MarchenaB), Ivan MoyaC), Kenji SaitoA,D),
Hitoshi KobayashiE)A)
National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), JapanB)
BROAD TELECOM S.A. (BTESA), SpainC)
Fusion for Energy (F4E), GermanyD)
National Institute for Fusion Science (NIFS), JapanE)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK), JapanAbstract
LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator) is a EU-JA collaboration 9 MeV and 125 mA CW hadron linac that aims
to validate the technology will be used in the IFMIF accelerator (40 MeV, 2 x 125 mA CW). The RF accelerating systemof LIPAc consists of three types of components: RFQ cavity, buncher cavities, and superconducting half wave resonators(SRF). The RF control system of LIPAc is designed to optimized CW operation, and 8 high power RF amplifier chain isused for each RFQ cavity and SRF cavities, individually. After amplification by tetrodes, a Y-stripline ferrite circulator
controls RF with nominal output power 220kW for RFQ and 105kW for SRF. During the Phase-B+ beam commissioning
and RFQ conditioning campaign started from FY2021, strong RF signal with similar pulse shape for set RF parameters
had been detected by using spectrum analyzer. The RF leak can make noise floor and unexpected malfunctions for eachdiagnostic. By measuring the noise from the cables and free space, we could find one of critical sources of RF leakage.
In this report, measurement and analyzation results, ideas to fix them, and discussion about other candidate of the large
RF leakage is summarized.
を誘発し、ビーム診断機器のパフォーマンス低下が発生
1. イントロダクションしうることが判明したため、広範にわたって影響を及ぼすLIPAc（Linear IFMIF Proto-type Accelerator）の RF 加 ノイズ源の探査を開始した。
本報告では、サーキュレータに焦点を当てて議論を速制御システム（RF システム）は加速周波数 175 MHz の行っている。事前の空間サーベイで、サーキュレータかRF で RFQ 空洞、Re-Buncher 空洞、SRF 空洞を励振し、加速とバンチング制御を行う。デザイン上の出力電力は らのノイズが他のノイズよりはるかに大きいことが判明し、P(RFQ) < 250 kW-CW、P(SRF) < 150 kW-CW, P(Re- 同じ測定機器の構成（減衰器、アンテナ等）で測定できBuncher) < 20 kW-CW[1]であり、パルスから段階的に る範囲に、他の位置からのノイズ源が同定できなかった。
デューティーを上げていき、CW へ到達する計画である そこで、まずはサーキュレータのノイズ漏れを抑制することに焦点を絞り、解決の後に次のノイズ発生源の調査に[2, 3]。
我々の RF システムのキーポイントの一つは、White 進むことが出来ると考えた。
測定は 3 つの計測機器を以て行った。空間へ漏れ電Rabbit システム[4]による同期の構築である。特に RF 制
磁波のピックアップは、単芯
N=1 直径 3 cm または 1 cm
御系（LLRF）と一部のビーム計測システム（ビーム位置のループアンテナ[6]を用いた。一つは、ベクトルネット
位相モニタと残留ガス方式のバンチ長モニタ）は、直接White Rabbit 同期回路によって駆動しており、ビームを ワークアナライザを用いて S パラメータ測定から見えるノイズ漏れの周波数特性。続いて、スペクトラムアナライザ介して一連の同期マップを構成している[5]。
LIPAｃは 2021 年の 7 月から Phase-B＋ビーム試運転 を用いた周波数解析とノイズレベルの確認。そして、オシが開始され、メンテナンス期間を挟んで、12 月ビーム試 ロスコープを用いた支配的なモード間の位相関係の測験を行った。ビーム試験にて実際に加速制御機器とビー 定である。本報告では、ベクトルネットワークアナライザにム診断機器が同時に稼働する場面になって、本報告で よる低電力試験と RF 増幅系 1 系統の最大出力である取り上げるノイズの影響が顕著に表れ始めた。RF システ 200 kW-CW での大電力試験にて、対策前後の比較
ム単体でも、ノイズの問題は常に確認されていた。電源 行った結果と、RF 漏れ対策の考察についてまとめた。のスイッチングノイズや、空冷機器用インバータのノイズ等である。コモンモードノイズは避けられないもの、回路構成の見直しやフェライトコア等の対策で、その影響を抑止してきた。ビーム試験において、ビーム位置位相モニタのノイズフロアやビームロスモニタ等にも Fake trigger___________________________________________# hirosawa.koki@qst.go.jp

2.

LIPAc - RF システムの構成

LIPAc の RF システムは、Fig. 1 に示すように、LLRF、半導体増幅器（Pre driver amplifier） ≦ 300 W、中段電力増幅四極管(Driver Tetrode) ≦ 16 kW、終段電力増
幅四極管(Final Tetrode) ≦ 250 kW、UHF サーキュ
レータ、200 kW 水冷ダミーロードから構成される[2,3,7,8]。

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成、RF 漏れ対策、VNA 測定結果とその比較を順に述べる。
3.1

Figure 1: Configuration of the RF amplification chain forRFQ.

Figure 2: Master and slave control schematic for driving
RFQ cavity of LIPAc.
RFQ は 9.8 m の空洞本体を 8 系統並列の RF 増幅系統を用いて駆動する。8 系統の序列は空洞の最も上流に接続した RF 源を Master station として RF の自立制御を行い、他 7 系統が Slave station として、Master station の制御に追従する形態をとる。Figure 2 に RFQ の MasterSlave 制御系統図を示す。Buncher 空洞と SRF 空洞は、空洞本体と RF 源が一対一であるため、全て Master として駆動する自立の RF Station が採用されている。各系統の初期位相キャリブレーションは、ビームライン上流から継承的に行うため、RFQ の RF 源としての安定性は、試験 Phase が進むにつれより重要となる。
Figure 2 に示すように、RF 系統の制御機構は系統間で信号経路が繋がっているため[9]、ノイズによる影響が制御系統に現れる場合、非常に込み入った現象となりうる。Master-Slave フィードバック用ケーブルを二重シールドの低ノイズ仕様に変え、これまで頻繁に確認されていた電圧急上昇現象を抑制できた。これは、8 チェイン間のパルス開始タイミングの微妙なずれが原因で、Slave のMaster 追従用 PI 制御[10]が正しく動作した結果と考えている。その他、対症療法的にフェライトコアでノイズに対応しているインターロック系統も多くあり、冷却水流量計の 0 mA – 20 mA の電流系統もノイズで跳ねる問題がある。低電力から大電力まで同じフレーム上にあるという我々の機器構成で、ノイズへの対策はより一層神経質にならざるを得ない状況となっている。

3.

VNA を用いた RF 漏れ測定テストの構成

VNA を用いた測定は、事前サーベイにて信号強度の高かったサーキュレータに集中して行った。Table 1 にサーキュレータの主な仕様を示す[11]。要求スペックは、175 MHz 基本モードにのみ集中していて、逓倍波、特に350 MHz に関して基本的な考察やテストが行われておらず、この点が後々問題となってくる可能性がある。いずれにせよ、今回の報告は、175 MHz と 350 MHz に注目しているため、高次高調波に対する議論は今後の課題である。Table 1 に示す設計値から考えても、少なくとも175 MHz±1.2 MHz の範囲では、事前に十分な考察がなされているべきである。
今回の VNA 測定におけるセットアップは、VNA のPort1 をサーキュレータの Port1 に接続し、VNA の Port2をループアンテナに接続し、漏れ RF の通過率（S21）を評価する方法を選択した。サーキュレータの Port2 と Port3には、DC-3GHz 帯の 50 W RF ダミーロードを接続し、測定に反射の影響がないようにした。Figure 3 に測定の構成、Fig. 4 と Fig. 5 に写真を示す。本測定では、ループアンテナは、単芯の直径 3 cm の市販品を使用した。
Table 1: Design Value of the Circulator for RFQ Chains
Parameters
ValuesCenter Frequency
175MHzBandwidth
1.2MHzForward Power
250kW in CW
Reverse Power
100% at any phase
Insertion Loss
0.15dB max
Return Loss at center freq.
26dB minIsolation at center freq.
26dB minFigure 3: VNA measurement setup for RF leakage fromthe circulator.

低電力試験と RF 漏れ対策

本報告においては、空間中を伝搬するノイズに着目して測定を行った。本節では、ベクトルネットワークアナライザ（VNA）を用いた、低電力での測定結果（Cold Test）をノイズ対策前後でまとめた。続く小節で、測定機器の構- 436 -Figure 4: Appearance photo of a circulator.

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3.3

Figure 5: A loop antenna we used and largest leakage
source in the circulator.
3.2

RF leak の原因と漏洩対策最も大きな RF leak の原因は、サーキュレータの水冷配管が通っているフレームの穴であった。Figure 6 に示
す写真に穴の形状が確認できるが、あたかも水冷配管が内導体でフレームが外導体の同軸構造になっているように見える。配管の素材が銅であることも、良くなかったと考えられる。
我々はこの漏れの原因が同軸構造にあると考え、同軸構造を消すためにアルミホイルを間に詰めた。その結果、多少の効果はあったものの十分な減衰が見られず、依然同様の周波数特性を持っていたため。更に銅テープによってフレームと銅の水冷配管を接地した。Figure 7にその対策結果の写真を示す。また、銅テープの代わりに導線でフレーム-銅パイプ間を接続する方法も試行したが、銅テープより大きな効果は得られなかった。

対策前後の VNA 測定結果比較

VNA での測定位置は Fig. 8 に示す、9 つの位置・アンテナ角度の組み合わせで行った。前後のキャプチャを全て載せることは出来ないので、Fig. 9 に代表的に最も検出値が大きかった、9 番目のアンテナ配置の VNA 測定値のスクリーンショットを示す。VNA を用いた結果として、最も漏れ検出が大きな位置で、アルミホイルによる穴埋めの効果は 20 dB 以上の減衰、銅テープによる接地の効果は更に 10 dB 以上の減衰があることが分かった。
合わせると、35 dB 程度の減衰が見込め、低電力試験においては概ね検出のバックグラウンドレベルに落とせること分かった。他の位置については、Table 2 に 175 MHzと 350 MHz の S12 の値をまとめた。なお、通過の S パラメータが S12 であるのは、配線の都合でサーキュレータへの入力を VNA の Port2 としたためである。
位置、角度によって強く検出される周波数は異なるように見えるが、いずれも比較的高レベルに見られる位置は、水冷配管がサーキュレータ内外を出入りする穴付近であることが判明した。この結果から、同軸のような構造が原因の一つであると考え、上記の対策を講じた。

Figure 8: Positions for VNA measurement to see RFleakage from the circulator.

Figure 6: Photo of circulator hole where a copper pipe
penetrates to circulate coolant near Ferrite material andY-stripline.

Figure 9: Screenshot of VNA measurement of position9, without any sealing.
.
Figure 7: Circulator hole sealed by copper tape.
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Table 2: Measured Values by VNA for the Circulator
RF Leakage at Each Position Explained in Fig. 8
Position (Fig.8)
175MHz350MHz#1-65.41 dB-68.31 dB#2-62.78 dB-81.55 dB#3-87.31 dB-91.86 dB#4-89.82 dB-93.05 dB#5-84.51 dB-81.99 dB#6-88.50 dB-94.31 dB#7-89.51 dB-88.11 dB#8-76.55 dB-96.26 dB#9-47.55 dB-81.38 dB
Background~-100.8 dB~-97.32 dB

4.

200 kW-CW 試験

4.1

大電力試験の構成

Figure 10: Setup to measure RF leakage from thecirculator with injecting 200kW-CW RF to dummyloads.
サーキュレータの本来の運転状況で確かめるには、大電力試験が必須であるため、前述の対策の効果を、RFシステムのデザイン値まで駆動し検証した。RF システム単体試験のため、サーキュレータの Port2 と Port3 には、ダミーロードを接続し、LLRF を独立駆動モードで立ち上げ、終段増幅器の出力を 200 kW-CW まで上げた。出力の測定は、LLRF の測定値に加えて、パワーメータを用いてクロスチェックを行った。測定の構成と、測定時のループアンテナ位置を Fig. 10 に示す。測定の都合で、VNA 試験とは異なる RF モジュールで試験を行った。
4.2スペクトラムアナライザによる測定結果の比較

スペクトラムアナライザによる測定で最も検出レベルが高 か っ た の は 、 VNA の 時 と 同 様 の 位 置 で あ っ た 。
Figure 11 に、例として Position-2（Fig. 10）の時のスクリーンショットを示し、比較を Table 3 にまとめる。この時、スペクトラムアナライザの入力には 20 dB のアッテネータを使用した。漏れ対策前の測定オフセットは+30 dB であった
ため、生信号の強度に+~10 dB の値として表示されている。
結果的に、シール後の値は大電力試験では 20 dB 程度の減衰しか見られなかったが、これはサーキュレータの個体差か対策の出来の問題かはいまだ不明である。
今までの測定と同様に、水冷配管から離れるほど、検出レベルが低下することが判明した。
Position-5 は、終段増幅器のフィラメントと RF の入力点の近傍であるが、電源ケーブル類がむき出しのため、四極管で増幅された RF によって電位が揺れている可能性 を 考 え 、 測 定 を 行 っ た 。 Position-6 は 、 protection
system (PSYS)へ各診断用ケーブルを入力している点であるが、入力直前の同軸グラウンドに意図的にギャップが設けられ PSYS 本体から浮いている。このギャップからRF 漏れがある可能性も考慮して、測定を行った。若干の
175 MHz/350 MHz のピークが見られたが、サーキュレータ付近と比較すると無視できるほど小さかった。いずれにせよ、レベルの大きいものから対策していかなければ、他は隠されてしまい詳細に検出できないため、より大きなRF 漏れを対策してから再度評価を行う。

Figure 11: Plot of the spectrum analyzer measurement
for position-2 of Figure 12 with inserting 20 dB
attenuator, before sealed.
Table 3: List of the Results in High Power Test at
200 kW-CW by Using a Spectrum Analyzer
Position (Fig.10)
175MHz350MHz#19.65 dBm-6.02 dBm
#2
11.98 dBm
4.21 dBm#3-3.12 dBm
3.61 dBm#4-14.26 dBm-21.87 dBm#5-13.57 dBm-25.21 dBm#6-8.57 dBm-18.28 dBm#2 after seal-10.30 dBm-29.56 dBm

5.

他のノイズ源サーキュレータからの最大の RF 漏れを対策した後、他の RF 漏れ箇所が見られるようになってきた。特に、RFのレベルを考慮し、終段増幅器より下流に着目して調査した結果、2 種類の位置での RF 漏れを発見した。
5.1

終段電力増幅器直後のフランジ同軸導波管の繋ぎ目は以前より怪しい箇所として調査の対象となっていたが、サーキュレータ水冷配管穴からの漏れが大きく、位置の特定が困難であった。最大の漏れ源を対策したことで、少し離れた位置での検出レベルが十分に低下し、アンテナ角度依存性や詳細な位置スキャンも出来るようになった。そこで、再度 RF モジュール全体をスキャンしていった結果、終段電力増幅四極管出力のフランジ(Fig. 12)から RF ノイズが確認された。

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6.

Figure 12: RF leak source at the output flange of thefinal power amplifier.
Table 4 に測定の結果を示す。強度には、角度依存性があることが確認された。銅テープでフランジ面を覆い、減衰効果を確認したが、予想に反してほとんど減衰が見られなかった。Skin depth: Eq. (1) から考えると、1⁄𝑒 =−8.7 dBなので、銅テープの基底部厚み~0.03 mm では50 dB 以上は減衰するはずだが、3 dB 程度しか得られなかった。
𝛿=𝜌𝜋𝜇 𝜇 𝑓≅

1.678 × 10𝜋 × 4 × 10

= 4.93𝜇𝑚

今回のサーキュレータに着目した一連の測定にて、我々LIPAc を悩ませていた、RF ノイズの原因となりうるRF 漏れの尻尾を掴むことができ、いくつかの対策を講じることが出来た。完全に抑制するとはいかないまでも、大電力試験で 20 dB 程度の減衰が確認でき、今まで現れていたノイズ起因の問題の内いくつかは、2 桁インターロック閾値等に余裕が出来ると期待できる。もちろんノイズ全体として考えると、自由空間を伝播するノイズは、発生源からの距離に応じて著しく減衰するため、今までも本現象が原因であったものが多いとは考えにくく、万事解決とはならないだろうが、今後もスタディを続けていく。
今後は、空間伝播ノイズが対策できたため、グラウンドラインの銅板やシャーシを伝わるノイズの測定に移ることを考えている。また、パルス負荷時の電源の制御状態に起因するノイズも確認されているため、DC を上げていきながらノイズの挙動に注視したい。

参考文献[1] M. Weber et al., “LIPAc RF Power System Engineering
Design Report” (Internal).
[2] M. Weber et al., “Functional Overview of the RF Power
System for the LIPAc RFQ,” in IEEE Transactions on
Plasma Science, vol. 49, no. 9, pp. 2987-2996, Sept. 2021;
doi:10.1109/TPS.2021.3102840(1)

Table 4: Antenna Angle Dependency of RF Leakage
from Flange Line at Output of Final Tetrode Cavity
Antenna angle
175 MHz
350 MHz~ 0 Deg. (max)-9.29 dBm-32.84 dBm~ 20 Deg.
-10.28 dBm-33.60 dBm~ 45 Deg.
-17.70 dBm-36.87 dBm~ 70 Deg.
-20.12 dBm-36.35 dBm~ 90 Deg.
-28.12 dBm-39.37 dBm~ 0 Deg. after seal
-12.65 dBm-35.56 dBm
本当にフランジ接続面から漏れていることを確認するために、3 cm 径のループアンテナから 1 cm 径のループアンテナに変更したが、フランジの接続境界面から磁束が出ていることが、検出角度からもスポットで確認できた。
今後、漏洩箇所が異なるという可能性も含めて、理論的に RF 漏洩のモデルを考察し、適切な方法で電磁遮蔽を行い、ノイズ抑制を進めていく。
5.2

まとめと今後[3] T. Shinya et al., “Integration of 175-MHz LIPAc RF System
and RFQ Linac for Beam Commissioning,” in IEEE
Transactions on Plasma Science, vol. 48, no. 6, pp. 14891495, June 2020; doi: 10.1109/TPS.2020.2985020[4] Tomasz Wlostowski, “Precise time and frequency transfer ina White Rabbit network”, Thesis: Master of Science, Warsaw
University Technology, 2011.
[5] Ivan Moya, “LIPAc Master Oscillator and RF integration”(Internal).
[6] Electro-Magnetic antenna probes, ETS-LINDGREN.
[7] R.G. Carter, “RF power generation”, arXiv:1112.3209[physics.acc-ph], 2011.
[8] H. Bosma, “On the principle of stripline circulation”, The
Institution of Electrical Engineers, pp137-146,1962.
[9] C. de la Morena et al., “Fully Digital and White RabbitSynchronized Low-Level RF System for LIPAc”, in IEEE
Transactions on Nuclear Science, vol. 65, no. 1, pp. 514-522,
Jan. 2018.
[10] LLRF Users Manual, SevenSolutions (現 Orolia) (Internal).
[11] UHF Circulator Technical Specifications (Internal).

サーキュレータフレーム上のボルト穴

サーキュレータのフレームには穴が開いている箇所がいくつかあるが、N コネクタ程度の穴が開いている箇所であっても、正面からは漏れ信号が得られなかった。一方、フレームを構築している角のボルトに欠落があった場合、ボルト穴の正面ではなく側面に対して垂直な方向に磁束が貫いていることが分かった。この漏れは、ボルト穴をタップで切りなおして全て留めることで、十分にバックグラウンドレベルまで抑制できた。

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