The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

X バンド高周波電子銃のカップラー設計
徳永千恵子1,A) 、山本 昌志 B) 、石田大典 A) 、松尾 健一 A)、山本 顕義 A)、栄 久晴 A)
今井 貴之 C)、深澤 篤 C)、上坂 充 C)、土橋 克広 D)、山田 聰 D)、肥後 寿泰 E)、浦川 順治 E)A)

石川島播磨重工業株式会社〒235-0022 神奈川県横浜市磯子区新中原町 1B)

C)

国立秋田工業高等専門学校〒011-8511 秋田県秋田市飯島文京町 1 番 1 号
東京大学大学院工学系研究科附属原子力工学研究施設〒319-1188 茨城県那珂郡東海村白方白根 2-22
D)

放射線医学総合研究所〒263-8555 千葉県千葉市稲毛区穴川 4-9-1E)
高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1概要
小型硬 X 線源の電子線源として、X バンド高周波電子銃の開発を行っている。この電子銃は、モードコンバータにより高周波を同軸から加速空洞に導入するカップラー構造となっている。モードコンバータにより矩形導波管の TE10 モードを同軸の TEM に変換して、同軸カップラーから空洞にエネルギーを送る。本書では、シミュレーションにより形状を決定したカップラーの設計について述べる。

1高周波電子銃の構造

小型硬 X 線源の電子線源として、高周波電子銃の設計は重要となる。主なビーム仕様を表 1 に示す。なお、電子銃の入力 RF パワーの設計入力電力値は 5.4MW、カソード表面電場は 150MV/m となっている。
図１に電周波電子銃の構造図を示す。加速空洞は、3.5空洞で構成され､最終セルに同軸導波管が接続されている。
矩形導波管から投入された TE10 モードの高周波は、モードコンバータで TEM モードへ変換されて同軸導波管から加速空洞へ入力される。
この同軸カップラー採用の利点は、電磁場の対称性が良く、空洞外周部に集束磁石の設置が容易な構造になることである。図 2 に製作したモ－ドコンバータカップ
ラーセルの写真を示す。

表１：X バンド高周波電子銃の目標ビーム仕様
MeV>3
エネルギーmm mrad
< 10π規格化エミッタンス(rms)pC/bunch> 20
電荷量psec1
バンチ長 FWHM
1µsec
パルス長

1E-mail: chieko_tokunaga@ihi.co.jp

熱カソード

集束磁
石

矩形導波管
モードコン
バータ

同軸導波管

図 1．X バンド高周波電子銃の構造

図 2．モードコンバータカップラーセル

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2カップリング
アイリス（Qext調整)

カップラー設計

モードコンバータ、空洞と同軸導波管のカップリングの設計について述べる。

2.1 モードコンバータ
矩 形 導 波 管 か ら 投 入 さ れ た TE10 モードの高周波をTEM モードに変換するモードコンバータの設計は３次元電磁場解析コード(MW-Studio)を用いて行った。
このモードコンバータは、図 3 に示すようにダブルフィード型で左右のカップリングアイリスから同軸へ RFを投入する構造となっていることが特徴である。特に、同軸導波管の径が一定の形状では、S バンドで使用する場合と比較して、X バンドでは高次モードのカットオフ周波数が低くなる。そのため、シングルフィード型ではTE10 モードが TEM モード以外の高次モードに変換されてしまい 11.424GHz で同軸へ対称な TEM モードの電磁場を投入する形状が得られなかった。上記の問題を解決するために、今回はダブルフィード型を採用することとした。
この部分の空洞モデルは図 4 に相当する。カップリン
グアイリスで Qext を調整することができる。なお、カップ リ ン グ ア イ リ ス の Qext （ 120 ） は 、 加 速 空 洞 の Q0（8740）、Qext（5826）と比較して非常に低い値となっている。
図 5 に各モードの透過および反射特性を示す。
11.424GHz では TEM モード以外の高次モード（TE110、TE210）は透過レベル-15dB 以下に抑制されており、反射レベルも-35dB 以下となっている。

同軸（伝送線路）

矩形導波管（伝送線路）

モードコンバーター（空洞）
11.424GHｚ

図 4．モードコンバータモデル図

図 6 に 11.424GHz でのモードコンバータの電磁場を示す。同軸に TEM モードを発生させるために同軸の左右の空洞で対称な電磁場を発生させる形状となっている。また、表面電流の高い場所は、発熱や放電を引き起こす可能性があるため、角部に R を付けて表面電流値を下げた。
なお、この空洞の電磁場が非対称性になると、ダイポールモードが発生する。特に、磁場が強いカップリン
グアイリスでの電磁場の対称性は非常に重要となる。透過レベル-15dB 以上のダイポールモードを発生させないためには、実際の製作において、1/100mm 以下の位置精度が必要となる。

S11（反射）

S21

S21
S21

図 3．モードコンバータ構造図

図 5.

モードコンバータの透過及び反射特性

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P（RF 入力電力）=6MW、ビームトラッキング計算より得られる Rs(シャントインピーダンス)=2.17MΩ、加速電荷量は最大 60pc／bunch であることから、β=1.5 が得られる。これから、加速空洞の Qext（5826）が算出され、さらに、エンドセル部は蓄積エネルギーが加速空洞全体の 1/3.5 となることを考慮して Qext/3.5（1664）となるようにカップリング部の寸法を調整した。

強弱電場

3

まとめ、今後の予定

X バンド高周波電子銃では同軸モードコンバータを採用した。このモードコンバータはダブルフィード型であることが特徴である。加速空洞、同軸導波管および矩形－同軸モードコンバータの設計、製作、低電力試験を終了し、今後、高電力高周波でのビーム試験を行う予定である。

強カップリング部

弱誘電体

磁場

図 7.

SUPERFISH の計算例

参考文献
図 6.

2.2

モードコンバータの電磁場同軸導波管のカップリング

同軸カップラー部は、SUPERFISH（2 次元 RF 解析コード）を用いて空洞と同軸導波管のカップリングを計算した。
図 7 に SUPERFISH による計算例を示す。カップリン
グは入力する RF に対する反射損失 Pin および空洞壁損失
Pdis から計算できる[2]。反射損失は同軸部に挿入した誘電体による損失に相当する。カップリングβは CFISH で得られる Pin、Pdis から算出される。
加速空洞 3.5 セルの Q0 値（8740）とビームローディングを考慮した無負荷状態での最大効率が得られるカップリングβから Qext を決定した。一般に定在波型加速器の加速電圧は（1）式より計算できる。ここでβは同軸導波管と加速空洞のカップリング、I はビーム電流である。最dV
大効率のカップリングβは= 0 の点である。

dβV =2 β
1 + β⎛⎜⎜⎝PR S −⎞RsI ⎟⎟1 + β⎠（1）[1] M. Yamamoto et al.,
“X バンド熱カソード型 RF 電th
子 銃 の 設 計 検 討 ”,Proceedings of the 27 Linear
Accelerator Meeting in Japan, Kyoto, Aug. 7-9, 2002
[2] S.B. van der Geer, et al., “The General Particle Tracer
Code: Design, implementation and application”,
URL: http://alexandria.tue.nl/extra2/200111445.pd[3] K.Matsuo et al., “X バ ン ド 高 周 波 電 子 銃 の 開th発”,Proceedings of the 28 Linear Accelerator Meeting inJapan,Tokai, July30 - August 1,