Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13P-01]

HOM COUPLER DEVELOPMENTFOR SC LINAC OF HIGH INTENSITY PROTON ACCELERATOR
M.Matsuoka#, K. Nakanishi, K. Okubo, K. Sennyu,
MHI, Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Yokohama city, Kanagawa-ken, 220-8401, Japan,
N. Akaoka, J. Kusano, M. Mizumoto, N. Ouchi,
JAERI, Japan Atomic Energy Research Institute, Tokai-mura, Ibaraki-ken, 319-1195, Japan,
S. Noguchi,KEK, High Energy Accelerator Research Organization, Tsukuba city, Ibaraki-ken, 305-0801, JapanAbstruct
A HOM (Higher Order Mode) coupler for a 600MHz superconducting linac of the JAERI/KEK Joint Project isdescribed. Design of the coupler is based on coaxial line technique. The filter characteristics of the HOM coupler arecalculated by using the HFSS code. The test results of the model HOM coupler are reported. The RF loss in HOM
coupler is estimated using HFSS code.

大強度陽子加速器用超伝導加速空胴 HOM カプラの開発

1 はじめに日本原子力研究所(原研)と高エネルギー加速器研究機構(KEK)は、統合計画と呼ばれる大強度陽子加速計画を推進している[1]。この加速器には、超伝導加速空胴が採用される予定であり、現在原研と KEKの共同で試作検討が進行している[2]。ここでは、超伝導加速空胴の主要部品のひとつである HOM カプラの設計と試作・評価について述べる。

ラモデルを試作した。ここでは、各部の寸法が性能に与える影響を実験によって確認するため、同軸線路の長さやギャップ幅が可変となる構造とした。図3 に、試作したモデル HOM カプラを示す。

2 HOMカプラの形状設計
カプラの形状設計

Lf
Cs

Cf

透過波

反射波

E-mail ; matsuoka@linac.tokai.jaeri.go.jp−282−

図 1.HOM カプラの等価回路
HOM取出し側
透過波

外導体
内導体入射波
空胴側
反射波

Frequency = 600.181MHz
外導体境界
内導体境界 電気力線

d = 100mm
g = 1.99mm

R 6mm
R 30mm超伝導加速空胴では、高周波損失が非常に小さいため、高効率の加速が可能となるが、その副作用として、加速を妨げる高調波モードが減衰せず、ビームロス等を引き起こす要因となってしまう。このため、基本モード（加速モード）を外部に取り出すことなく、高調波モードのみを外部に取り出す機構である、HOM(Higher Order Mode)カプラが必要となる。
HOM カプラの機能は、図 1 に示すような帯域禁止フィルターによって実現できる[3]。この回路のフィルター周波数 fe (=1/2π√LfCf)を空胴の共振周波数と一致させることによって、空洞に蓄積された基本モードのエネルギーを外部に出すことなく、高調波のみを外部に取り出すことができる。図 1 から分かるように、このフィルターは、伝送路に対して並列に共振器が入る構造となる。ここでは、この共振器を同軸線路とギャップによって構成することとする。
この方式は、DESY の TTF(TESLA Test Facility)にて採用されたものである[4]。
図 2 に、電磁場解析コード”SUPERFISH”により求められた共振器部分の共振周波数解析結果を示す。
線路の長さ 100mm、ギャップ幅 1.99mm で、空胴の共振周波数 600MHz にほぼ一致する条件が得られた。この結果をベースに性能確認用の HOM カプ#入射波d

図 2.HOM カプラの基本形状と共振器部の共振周波数解析結果g06012ギャップg調整用シム
実験値
解析値

-20g

内導体(同軸長さd調整)
S21 [dB]

共振器部-40-60598MHz, -64.8dB-8030d外導体(同軸長さd調整)

599MHz, -67.3dB
-100

出力ポート

0ピックアップアンテナ

0.51
周波数 f [GHz]1.5

図 5.フィルター特性計測・解析結果

空胴側

800

図 3.試作したモデル HOM カプラ

3.1 フィルター特性
HOM カプラ単体としてのフィルター特性を図 4に示したシステムを用いて計測した。空胴に接続される同軸部から直接 RF パワーを投入し、その周波数特性を、ネットワークアナライザにて計測した。
フィルター特性の計測結果を図 5(○データ)に示す。空胴の共振周波数 600MHz 付近で、透過電力が極小となっており、帯域禁止フィルターとして機能していることが確認できる。
次に、同軸線路の長さ d とギャップ幅 g を変化させた時のフィルター周波数の変化を調べた。結果を
図 6 に示す。各条件とも”SUPERFISH”による解析結果と良く一致しており、フィルター周波数の計算による予測が可能であることが確認できる。
次に、基本周波数における減衰率を解析によって定量的に評価するために、HOM カプラの全体系を入力データとして(図 7 参照)、HFSS コードを用いたシミュレーションを行った。その結果を図 5(□のデータ)に示す。計測データ(○)と非常に良い一致を得ており、シミュレーションによる減衰率の定量評価が可能であることを示唆している。
ピックアップアンテナ

Pt
内導体
外導体

フィルター周波数 fe [MHz]3 実験結果d=80mm700
d=100mm600
d=120mm500
SUPERFISH
400d=100mmd= 80mm

300012
ギャップ幅 g [mm]3

図 6.フィルター周波数の形状依存性

図 7.HOM カプラ解析モデル(HFSS)

3.2 外部Q値
次に、HOM カプラを銅製単空胴に接続して、外部 Q 値の計測を行った。使用した銅製単空胴は、β=0.5、共振周波数 600MHz の空胴である。図 8 に、単空胴の内面形状を示す。また、図 9 に、この単空胴の高調波モード解析結果を示す。

HOMカプラ

77D同軸管

S21=10log(Pt/Pin)

Pin
ネットワークアナライザー Pr

Pin：入射電力[W]Pt ：透過電力[W]Pr ：反射電力[W]

図 4.フィルター特性計測体系4

図 8.銅製単空胴の内面形状

図 10 に示すように、HOM カプラを銅製単空胴に接続し、外部 Q を計測した。ここでは、各モードの内、ビームパイプのカットオフ周波数以下のモードについて計測を行った。結果を表 1 に示す。各高調波モード(TM110,TE111) の外部 Q 値は、基本モード(TM010)のそれに対して十分小さく、HOM カプラとしての機能を満足していると言える。

カプラ内導体表面の電界分布を計算した結果を図11 に示す。電界は、最も大きな値となるギャップ部
でも 2.6MV/m 程度であり、空胴性能に影響を与えることはないものと思われる。
また、この時の HOM カプラ内での高周波損失は、以下の式によって求められる。
P=

2500
TE122

TM130TE121
TM011
TM121TM120TE112
1500

TM020
1000

TE111

Cut-off Frequency(TE)TM110

Cut-off Frequency(TM)TM01500

024682(式 2)

3.0

TM-modeTE-mode0∫ H dS

磁界 H の表面積分を HFSS によって計算し、表面抵抗 Rs=120nΩ(ニオブ材の 4.2K,600MHz での実験値[2])として、(式 2)に代入すると P=0.12W と求められる。これは、クライオスタット全体の熱負荷に比較して十分小さく問題ない。

TM021TM030

10Number[-]

図 9.銅製単空胴の高調波解析結果
ネットワークアナライザ

電界最大値 E0[MV/m]

Frequency[MHz]

2000

RS2

内導体先端
2.64MV/m
2.0
ﾋﾟｯｸｱｯﾌﾟｱﾝﾃﾅ中心
0.01MV/m
1.00.0

銅製空胴

HOMカプラ050100
軸方向距離 y[mm]150200

図 11.HOM カプラ内導体表面電界分布解析結果

ビームパイプ4

謝 辞

有益な助言、実験の助勢を頂きました原研の竹田氏、Jia 氏、HFSS のデータ作成に協力頂いた RSG 社の清本氏に感謝致します。
RFアンテナ5

図 10.外部 Q 値計測体系
表 1.HOM カプラの外部 Q 値計測結果
モード
TM010
TM110
TE111

周波数586.5MHz
815.2MHz1098.1MHz

外部 Q 値
1.6×1011
2.0×104
7.2×103

3.3 HOMカプラ内の電磁界HOM カプラ内に発生する電磁界は、基本モード成分がほとんどであると考えられる。ポートから取り出されるパワーの基本モード成分を Pex、外部 Q
値を Qex とすれば、空胴内の蓄積エネルギーU、角周波数ωとの積との間に、以下の関係が成り立つ。
ωU
Pex =Q ex(式 1)

ここで、ωU は空胴内に発生する表面電界 Esp の 2乗に比例し、その係数は”SUPERFISH”によって求められる(Esp=66.712√ωU；β=0.5 の 5 連空胴)。また、
Qex は、3.2 項で計測された値 1.6×1011 を 5 倍した値
(5 連空胴を考慮)を用い、Esp=20MV/m とすると、(式1)より、Pex=0.112W と計算される。この条件で、HOMまとめと今後の課題(1) モデル HOM カプラを試作し、そのフィルター特性を計測し、解析結果との良い一致を得た。
(2) HOM カプラの外部 Q 値を測定し、高調波モードの外部 Q 値が基本モードの外部 Q 値に対して十分小さいことを確認した。
(3) HOM カプラ内の電界や発熱が空胴性能に影響ないことが計算より明らかとなった。
(4) 今後、ニオブによる HOM カプラを製作し、クライオモジュールと組み合わせ、その基本特性を計測すると共に、HOM カプラが空胴高電界性能に悪影響を及ぼさないことを確認する。

6 参考文献[1] The Joint Project Team of JAERI and KEK, “The Joint Project for
High-Intensity Proton Accelerators”, JAERI-Tech, 99-056,KEK
Report99-4(1999).
[2] 草野譲一他, “大強度陽子加速器用超伝導空胴の開発；多連セル空胴特性”, 本研究会
[3] E.Haebel, “Coupler, Tutorial and Update”, Proc. of the 5thWorkshop on RF Superconductivity, 1991, pp.334-353.
[4] Jacek Sekutowicz, “Higher Order Mode Coupler for TESLA”, Proc.
of the 6th Workshop on RF Superconductivity, 1993, pp.426-439.