Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12C-04]

PHASE-I R&D SUMMARY AND PHASE-II PROPOSAL
ONC-BAND LINAC FOR 500 GeV e+e− LINEAR COLLIDER
T. Shintake, H. Matsumoto and C-band R&D Group
KEK, High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305 Japan
Abstract
Phase-I R&D on C-band RF system for the high-performance electron linear accelerator started in 1996, aiming todevelop key technologies required for the main linac in the e+e- linear collider at 500 GeV c.m. energy[1]. During fouryears R&D, we have developed 50 MW class C-band klystrons, the modulator pulsed-power supply, the flat-pulse
RF-pulse compressor and the choke-mode type accelerating structure. Performances of those developed hardware
components meet the basic requirement for the 500 GeV linear collider. The phase-II R&D is now under discussion,
which aims to industrialize the fabrication of all hardware components, and check the system performance in a
middle-scale test linac.

Ｃバンド・リニアコライダーの技術開発
Phase-I のまとめと Phase-II の提案
１

Phase-I R&D のまとめって、平坦パルスを精度良く出力できることが実証

1996 年春より R&D を開始し、現在 2000 年春まされたが、大電力モデルでの試験がまだであるでにシステムに必要な構成要素のうち、パルスコン（2000 年度実施予定）。

プレッサーの大電力モデルを除くすべての部分の加速管は、1998 年 12 月に SLAC にて行ったビー開発および実証試験を終了した。これを表１にまとム試験により、チョーク型空胴が期待した通りの減めた。Phase-I と Phase-II R&D の概要は、以下のと衰性能を持つことが実証された。実験では高い周波おりである。

数の共振(23 GHz)も発見されたが、いわゆるトラッ

Phase-I：1996~1999 年、各コンポーネントの開発、基本性能の確認、RF 系 1 ユニットの総合運転
Phase-II：2000 年~

プモードであり空胴の形状を僅かに変えることで解決できることがわかっている。

高信頼性、低コスト、量産化にかかわる R&D

加速管と Q-magnet のアラインメントは、空胴型ビーム位置モニタ(RF-BPM)が適していると考えてクライストロンの R&D はきわめて順調に進行し、いる。1998 年に開発した HOM-Free 型 RF-BPM は、500 GeV リニアコライダーに必要な 50 MW クライ

原点位置精度に悪影響のある TM010-mode を抑えストロンは完成の域に達したと言ってよい。目標達ており、モデル実験によって原点精度が 10 µm 以成率はおおよそ 90％、残り 10％は 100 pps 運転を下であることが実証されている。

経験していないことである。100 pps 運転では 50

なお、最近の成果、および現在継続中の開発は、pps に比べて熱負荷と平均真空度への負荷が 2 倍と(1) C-band PPM Klystron （本会：松本浩発表）

なるが、これには余裕があり問題はないと考えてい(2) 滅菌処理用の小型 C バンド加速器（本会：三る。高電圧放電・発振不安定性などは、50 pps と浦発表）

100 pps とでは差異はない。

(3) インバー材使用の高安定 RF パルスコンプレクライストロン電源は基本性能を満たしているッサー(4) セラミックを用いた高精度パルス高電圧モが、量産化のためには各パーツのかなりの見直しが必要と考えている。

ニタ（本会：高須発表）

RF パルスコンプレッサーはコールドモデルによ−41−

Phase-II R&D 計画

２する。これにより、製造時間が短くコストが低減、リニアコライダーの建設に着手するまえに完了

さらに加速器に組み込んでからのメインテナンスすべきハードウエアの開発項目を表１の右枠に示が短時間で行え、加速器の停止時間を短くできる。

す。開発目標は大きく次の 3 項目である。

これと並行してサイラトロンの信頼性向上、長寿（１） 製造コストの低減（量産化）命化を行う R&D を実施する。サイラトロンの製造（２） 信頼性の向上

部品（例えば絶縁セラミック、アノード、グリッド、（３） 運転コストの低減（電力効率の向上）

カソード電極）に高品質の材料を使用すれば、サイこれらを満足する加速システムを開発するには、企ラトロンの寿命は飛躍的に長くなるものと予想さ業との密接な研究協力を含めた、広範囲で緻密な研れる。ちなみに C バンドでは、ソリッドステート・究計画のもとに、少なくとも 3 年以上の継続的な予スイッチの R&D は予定していない。これは、この算に基づいて実施する必要があり、高エネルギー委数年以内に IGBT などのスイッチ素子が急速に進員会にて、現在その可能性を検討中である。

歩するとは考えにくいからである。

以下に Phase-II R&D の研究開発項目について、コンポーネントごとに解説する。

２．３

RF パルスコンプレッサー→高効率化

モジュレータ出力パルス電圧波形の立ち上がり
２．１

クライストロン→コストの低減

部分のエネルギーを利用する事で、システムの電力クライストロンのベーキング（真空焼きだし）処効率の向上を目指す。これに用いるデジタル・ベク

理がクライストロンの製造費が高い大きな理由のトル位相変調器を開発し、自己学習型フィードバッ一つとなっている。量産時には、ベーキング処理がクの機能をもたせて、ユニットのエネルギーゲインスピードを制限する要因（ボトルネック）になるもを一定に保持させ、システムの安定化を目指す。のと予想されている。そこで Phase-II R&D では、ベーキング処理の時間を短縮するために、クライストロンの製造に使われる材料の質や、機械加工後の表面処理について見直しを行う。
また High-Gain Klystron を開発する。これは信号２．４加速管→コストの低減

加速空洞の形状と製造プロセスを最適化し、量産性を向上させてコストを低減する。さらに Phase-II
R&D の期間に加速セルの加工を自動化する。

ゲインを現在のものより約 20dB 程度高くし、出力10W 程度の C-band 帯ソリッドステートアンプによ２．５

導波管・その他の部品→コストの低減って直接クライストロンを駆動する。これによって導波管は電子加速器の構成要素のうち意外にコクライストロンごとの入力位相を高速デジタル変ストが高い隠れた部分である。コストの低減のため調し、モジュレータ電源とパルスコンプレッサーのに、必要な導波管部品の種類を減らし、規格化・簡波形補正、ビームローディング補正を加速ユニット素化をはかりコストを削減する。加工には自動化をごとに個別に自動制御する。

積極的に取り入れる。

２．２３

モジュレータ→コストの低減

試験加速器

量産時には、モジュレータの部品はかなり安価に

Phase-II R&D にて開発される構成部品を、ひとつ供給されるであろうが、これらをモジュレータに組の加速システムに組み込んで試験するために、エネみ上げる作業費用がコストの大半を占め、また量産ルギーゲインが最低１GeV の試験加速器を建設すのボトルネックともなろう。これを解決するためにる必要があろう。長期運転を通してシステムの信頼

Smart Modulator2 号機ではモジュラー化した設計を性を評価する必要がある。

採用する。これはモジュレータをその機能ごとにブ

なお C バンド加速システムは 40 MV/m 近い加速ロックに分けて、それぞれを部品の供給工場にて製工勾配が達成可能であり、基礎科学用の加速器や産造し、これをキャビネットに差し込む単純な構造と業分野に広く応用されるものと期待している。

表１
項 目（500GeV 向け、第 1 期）
クライストロン

C バンド開発の成果と課題

第 1 期 R&D の成果

No.1,2,3 号機すべて
50 MW 出力達成、
パルス幅 2.5 µsec 、50 pps
3 号機、効率 47%を達成
収束磁石電力 4.6kW
寿命試験 2 号機 5000 時間超
現在 3 号機、寿命試験中

今後の R&D の方向（第 2 期 R&D の課題）量産に向けて設計詳細の見直し低価格化
High-gain klystron の開発( > 70 dB)

PPM Klystron は現在開発中
50 MW 出力波形

クライストロン電源

Smart Modulator 2 号機
Smart Modulator 1 号機
コストの低減クライストロンの寿命試験に連モジュラー化
続使用中、電力効率 52.4 %、
電力効率を 60%以上に
350 kV、2.5 µsec 幅の高電圧パサイラトロンの長寿命化
ルスを安定に供給

RF パルス・コンプレッサ

電力効率の改善、目標 70 %以上
コールドモデル試験結果
大型空胴の採用
ゲイン 3.25、効率 65%
クライストロン位相変調による、立ち（High Power 試験は平成 12 年
上がり部の利用方式を確立度に行う）

加チョークモード型加速管の特性 量産化に向けて設計詳細の見直し試験を SLAC にて行い、所定の低価格化
減衰特性を確認
製造のスピードアップ
加速セル加工ロボットの開発

速管

アラインメント技術

RF-BPM

HOM-Free 型 RF-BPM

マルチバンチへの最適化

分解能 ＜ 1 µm
原点精度 ＜ 10 µmを達成

量産化、信号処理回路の低価格化

参考文献[1] T. Shintake, “C-band Accelerator Development for Linear Collider and Industrial Applications”, 本会 1998 年特別講演、Invited talk at the 23th Linear Accelerator Meeting in Japan, KEK Preprint 98-146, September 1998 A.