Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-24]

DEVELOPMENTS AND HIGH-POWER TESTS OF
THE 324MHz PULSE KLYSTRONS
M.Kawamura , S.Fukuda , Z.Fang , S.Yamaguchi , C.Kubota , S.Anami , S.Miyake*) , K.Hayashi*) ,M.Sakamoto*) and K.Tetsuka*)
KEK, 1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305-0801, JAPAN*)Toshiba Corporation, Display Devices and Components Company, 1385, Shimoishigami, Ohtawara-shi,Tochigi-ken, 324-8550, JAPANAbstract
In the low energy section ( less than 200 MeV ) of the linac for the High-Intensity Proton Accelerator Project, the pulseklystrons, whose frequencies are 324MHz, will be used as rf sources. After having developed the prototypes of rfwindows and a beam-test-tube, proto-type klystrons were developed. The high-power tests of these klystrons havebeen performed. At the same time some components (like a modulator, waveguides and so on) have also been developed
and tested. In this paper the present status of the klystrons and the components, including the test results, are described.

３２４ＭＨｚパルスクライストロンの開発と大電力試験
１．はじめに大強度陽子加速器計画[1]用リニアックのうち、２００ＭｅＶまでの低エネルギー部用高周波源には周波数３２４ＭＨｚのモデュレーティング・アノード（Ｍ・アノード）型パルスクライストロンが採用される[2][3]｡この計画のために、高周波窓[4][5]､ビームテスト管[6]の開発を経て､クライストロンの実機の開発が行われ､大電力試験が進行中である。
同時にＫＥＫではＭ・アノードパルス変調器[6][7]や導波管など各要素の開発を行い、テストスタンドで使用している。
本報告では､クライストロンや各要素の概要を述べ､大電力試験の結果を含めたクライストロン開発の現状を報告する。
２．３２４ＭＨｚパルスクライストロンの概要
クライストロンの仕様を表１[4]に、外形写真を図1に示す。
大強度陽子加速器計画では２０台使用する[1]。設計時には、ビーム・シミュレーション・コードとして EGUNおよび ARSENALを使用し、高周波窓の設計にはHFSSを使用した。実機製作には高周波窓お−198−

表１．クライストロンの仕様[4]項目

単位定格動作時（飽和状態）
周波数
ＭＨｚ３２４ピーク出力電力
ＭＷ
３．０２．５
ビームパルス幅μｓ
７００ＲＦパルス幅μｓ
６５０
同（フラットトップ） μｓ
６２０繰返しｐｐｓ
５０ＲＦデューティ％３．２５カソード電流
Ａ
５０４５カソード電圧ｋＶ
１１０１０２Ｍ・アノード電圧ｋＶ
９３８６パービアンス
１．３７×１０−６
効率％
５５利得
ｄＢ
５０
空洞数
５入／出力結栓
Ｎ型／
ＷＲ−２３００
ＲＦ窓
同軸セラミック窓
据付方向
水平方向
ビーム集束
電磁石

表２．Ｍ・アノードパルス変調器の仕様[2][3]

図１．３２４ＭＨｚパルスクライストロン
よび電子銃のプロトタイプの試作、試験結果を反映させているが、高周波窓の同軸モードから矩形導波管モードへの変換部にはプロトタイプの door knob方式[4][5]ではなく T‑bar[8]方式が採用され、T‑bar部の冷却には水冷・空冷いずれも使用出来るようになっている。
クライストロンとしては周波数３２４ＭＨｚ、自由空間での波長約９２６ｍｍというこれまでに無い低周波、長波長のものであり、全長（約５ｍ）および重量（約３ｔ）は真空炉、クレーンなどの既存設備の性能限界に達している。その上でドリフト径やコレクタの寸法、集束コイルの構成などを最適化して最大定格出力（ピーク電力３ＭＷ、平均電力９７．５ｋＷ）まで安定で、制御可能なＲＦ電力を供給することは大きな挑戦となっている。
３．各種構成要素の概要
３−１．Ｍ・アノードパルス変調器[6][7]Ｍ・アノードパルス変調器の仕様を表２に示す。
１
クライストロン当たり１台必要であるため、大強度陽子加速器計画では２０台使用する。現在クライス
トロン試験用にはプロトタイプとして製造した変調器が使用され、約１年２ヶ月運転が行われている。
現在ＫＥＫでは６０ＭｅＶまでの陽子リニアックを建設中であるが、そのために当変調器は新たに６台製造・納品されており、秋以降の試験・運転を控えている状況である。
また、
当変調器はスイッチング素子として四極管（Thomson,TH5188）を使用しているが、ＫＥＫでは半導体の方が長寿命であることに着目し、
パルス電子
（株）
とともにスイッチング素子の半導体化に取り組み、試作機を開発した[9]。今までの試運
転では支障無い状態である。
当変調器には運転状況を把握するため各種の電圧・項目
定格Ｋｌｙ．アノード 〜８５ｋＶ
電圧 (カソード電圧１００ｋＶ時)〜９３ｋＶ(カソード電圧１１０ｋＶ時)
抵抗デバイダ回路 １Ａ
電流
Ｋｌｙ．アノード １００ｍＡ以下
電流
立上り時間
５０μｓ以下（１０−９０％）
立下り時間
１５０μ s 以下（９０−１０％）
スイッチング素子 ＴＨ５１８８(Thomson)
Ｋｌｙ．
−２，２．５，３ｋＶ
逆バイアス電圧 (対カソード電圧)
Ｋｌｙ．ヒータ 〜ＡＣ３００Ｗ
入力電力
Ｋｌｙ．カソード １４Ω
シリーズ抵抗電流モニタが備えてあるが、最近クライストロンのエージングにおいて、Ｍ・アノード電流のモニタが有効となることがわかってきた。このモニタはＭ・アノード電流を検出し光変換して出力されるものである。
Ｍ・アノード電流／出力信号＝１００ｍＡ／２Ｖに変換され、オシロスコープにより１ｍＡ以下まで観測できる。クライストロンのエージング中にパルスＯＦＦ時のこの波形を観測すると、クライストロンを含むシステムのエージングが不十分な時には不定期に５ｍＡ程度の電流が流れており、エージングによってそれが減少するのが確かめられた。
３−２．
高電圧同軸ケーブルとケーブルソケット
Ｍ・アノードパルス変調器からクライストロンへ
は、同軸ケーブルに RG‑220/Uを、ケーブルソケットには Isolation Products,Inc. 製の D‑117‑BA を用い、「ヒータ」「ヒータ・カソード」「Ｍ・アノード」の合計３電極に電力を供給している。D‑117‑BAはケーブル挿入部を絶縁油で浸し真空脱泡する構造になっているが、絶縁油にオイルタンクなどで使用される電気絶縁油を用いるとケーブルのポリエチレンが膨張して再度の挿入／抜出が困難になり、シリコン油（I社推奨）の使用が必須となった。
また、最近「Ｍ・アノード」電極をつなぐケーブルでコロナ放電が起こり、耐圧不良になることが確認された。ケーブルの作成については現在経験を積んでいるところであるが、ケーブルの寿命等について実験によるデータの蓄積が必要である。

３−３．高周波伝送系等
クライストロン試験のための高周波伝送系には、ＷＲ−２３００の各種部品が用いられている。今年２月までの試験で用いられたものには方向性結合器[8]、３スタブ移相器[3]、Ｔ分岐[8]、同軸導波管変換器、ダミーロードなどがある。
ここでは３スタブ移相器について略述する。スタブ挿入長最大２５０ｍｍまで可変であり、
周波数３２４ＭＨｚ±１ＭＨｚ、ＶＳＷＲ１．１以下、挿入損失０．０５以下、耐ピー
ク電力１．５ＭＷで、移相量は±３０°である。この３スタブ移相器はクライストロン試験において出力空洞の負荷調整に用いられた。
現在の伝送系には、ＤＴＬホットモデルのテストも考慮し、上記部品の他にサーキュレータ[3]や２分配器[3]も用いられているが詳細は省略する。
最後に、クライストロンドライブアンプには日本高周波（株）製のものを用いている。これはメインアンプにミニサーキット社製のＬＺＹ−１を２台用いて、出力合成でＣＷで５０Ｗの出力が得られるものである。
４．クライストロンの開発状況と大電力試験の現状
試作１号機ではカソード電圧の低い範囲（６６〜７５ｋＶ）と高い範囲（９５〜１１０ｋＶ）で最大１０ｋＷ、周波数３２４±１．
５ＭＨｚの発振が見られた。
これらはコレクタに永久磁石を取り付け、横磁場を与えることで完全に抑制することが出来た。上記のようにして発振を抑えた状態でＲＦ増幅を行うと、「フラット・トップ（ＦＴ）部に０．２〜０．６２ＭＨｚの高周波（寄生）振動が乗る」、「ＦＴ部がステップ（斜め）状になり、３２４ＭＨｚを中心に非対象のスペクトラムを持つ」など出力の不安定性が見られた。これらは入／出力空洞にスタブ移相器を接続して負荷調整すること等で抑制出来ることが確かめられた。なお、ＲＦ出力は２．５ＭＷ（パルス幅３００μｓ）、２．３ＭＷ（パルス幅６００μｓ）まで測定された．
上記のテストから、不安定の原因はコレクタからの戻り電子によるものと結論された[10]。この戻り電子はコレクタの形状（ドリフト管径とコレクタ内径との比、コレクタ長、等）に強く依存する事から、大きいコレクタ形状のクライストロン（１Ａ号機）のテストも行った。
１Ａ号機ではカソード電圧９９ｋＶ以降で発振が見られたが、１号機と比較して、戻り電子を要因とする発振現象を改善出来ることが確かめられた。ＲＦ増幅については入出力特性曲線の未飽和部が滑らかに上昇しない、という現象が見られたが、この原因の1つとして、カソード電流の不定期な変動が影響していることがわかった。
１号機、１Ａ号機の結果を踏まえて２号機が製造され、現在大電力試験中である。
５．まとめ
３２４ＭＨｚパルスクライストロンおよび各種構成要素の概要と、クライストロンの開発状況をまとめ、これまでの成果と問題点を述べてきた。
今年度行
われる予定のＲＦＱ空洞を用いたビーム加速試験に向けて種々の試験、検討を行う予定である。
参考文献[1]ＪＡＥＲＩ・ＫＥＫ共同推進チーム、「大強度陽子加速器計画」、KEK Report 99‑5,JAERI‑Tech 2000‑003,JHF‑
99‑4,1999.
[2] JHF Design Study Report ,JHF Project Office,KEK
Report 97‑16,JHF‑97‑10,1998.
[3] The Second International Advisory Committee Meet‑ing for JHF Accelerator ,December7‑9,1998,KEK,
Tsukuba,Japan.
[4]S.Fukuda et al.,Proc.of the First Asian Part.Acc.
Conf.(1998),pp.112‑114.
[5]M.Kawamura et al.,Proc.of the 23th Linear Accel‑
erator Meeting in Japan(1998),pp.246‑248.
[6]M.Kawamura et al.,Proc.of the 24th Linear Accel‑
erator Meeting in Japan(1999),pp.200‑202.
[7]M.Ono et al.,Proc.of the 12th Symposium on Accel‑
erator Science and Technology(1999),pp.275‑277.
[8]Z.Fang et al.,Proc.of the 24th Linear Accelerator
Meeting in Japan(1999),pp.215‑217.
[9]T.Nakamura et al.,Proc.of this Meeting.
[10]Z.Fang et al.,Proc.of this Meeting.