主空洞入力カプラー開発の現状報告
主空洞入力カプラ開発の現状報告(Coupler test standの現状 &low level measurement)

2012/2/24/ /阪井寛志、梅森健成、篠江憲治、沢村勝、佐藤昌史、古屋貴章、Enrico Cenni前回までの発表内容（１号機の液体窒素冷却下のハイパワーテスト）••

カプラー１号機のhigh power 試験で最大定在波で25kWのパワー印加可能。
プロセスの効果ありプロセスの効果あり。

•

セラミック窓の液体窒素温度と室温間の熱サイクル問題もろうづけ条件を変え、１０回の熱サイクルに耐える結果となった。
・RF設計や熱設計の課題がほぼクリアされ、今年度は実機（２ ３号機）製作を行う。
今年度は実機（２，３号機）製作を行う。
Cold window
4.5K

真空Warm window
大気80K

300K

10(空洞 2K)

Air ガス流 れco ol ai r
ga s in

G

Spec : 1.3GHz, 20kW CW standing wave

co ol ai r
ga s out

1号機カプラーハイパワーテストの様子

今回の発表内容（震災以降の主なstudyについて）
・①ERL 9cell cavityを用いたカプラー１号機のcoupling 測定（low level測定）-- Cold窓のアンテナの長さをfinalで決める。２、３号機へのfeedback
・②cERL用カプラー２、３号機用のtest standの設計製作＆現状--80kW (1/4 duty) の進行波 by 300kW klystron＠ERL開発棟
2

①ERL 9cell空洞(1号機)を用いたカプラー１号機のcoupling測定

port1

Cold窓＋内導体をロッドで可変(±5mm)

202

Coupler1号機

ここは動かないG•
目的①couplingの設計値との違いを見る。（一番の目的）
①couplingの設計値との違いを見る。（番の目的）
２，３号機(cERL用の)Cold窓の設計に反映。
②ドアノブ付きの状態での「リアルな」couplingの測定。
③couplingのドアノブの角度による違い。
④Cold窓からモジュールに付けた状態でも周波数peakがside view
見られるかの確認。
⑤coupling可変機構の動作確認。（やっと初めての試み）

Coupling測定のsetup

ベローズ
ボールスプライン

カプラー空洞接続用台
1 0

13556

125

1086

ERL9cell 1号機

空洞２号機の高さに合わせて10mmの変換部を設け、135mmにしたにした。

6 0 .0

port2

15110

実際は銅板間の距離をノギスで測定

Setup 写真
空洞の挿入長は銅板間を測長定し空洞中心からの距離とする。駆動は内導体をロッドを通じドアノブに支えたサポートから駆動させ、変える。
±5mm移動可能。駆動が垂直に動くように２本のボールスプラインでガイドしている。
プ イ
ガイドしる

port1
p
カプラー１号機
9cell空洞１号機

port2
p

Cold窓 with ボールスプライン

カップリング可変はロッドを介して行う。

空洞とドアノブを並行に合わせる(0deg)

0dB

57mm from center (0deg)

57mm from center (0deg)
0.05-0.205

1MHz

1MHzS11(dB)-0.21

0-0.215

-0.05

-0.22

S22側は
Detuneは
殆ど0dB

S22(dB)

S11(detune) low-0.1

S11(detune) high-0.225-0.2351.2955

S22

S11

-0.23

1.296

1.2965-0.15-0.2
S11(detune) =(S11(detune) high + S11(detune) low )/2
1.297

Frequency (GHz)f0 (GHz)1.2967275

Δf (kHz)125.024

S21‐42.422dB

S11‐0.235dB

S11(d tS11(detune))‐0.21435dB
0 21435dBS22‐0.2225dB

Q010519

Qext_coup

9.10×10^6

Qext_pick

8.10×10^5

1.2975

1.298

-0.25
1.2955周波数 -40
Q値測定可能 -451.296

1.29651.297

1.2975

1.298

Frequency (GHz)
57mm from center (0deg)

S21-50-55-60-65

S21(dB)-70-751.2955

測定データ例

1.296

1.29651.297

1.2975

1.298

Frequency (GHz)
測定方法はbackup資料参考

Coupling measurements results
3 102 10

Qext of input coupler (measred & calc)

7

Qext_calc (MW-Stdio)(Muto)
計算
Qext_calc (HFSS)(Sakai)Qext_coup_meas (cold only)
Qext_coup_meas (doorknob 90deg)
Qext_coup_meas (doorknob 0deg)

7

カプラー１号機のデザインはカプラ
１号機のデザインは
QL=5*10^6-2*10^7で設計

測定

Qext coupler

5 0*10^6
5.0*10^62 0*10^7
2.0*10^7

Meas 0deg(doorknob)

52.83mm

62.38mm

7Meas 90deg(doorknob)

52.56mm62.33mm

7 106Meas cold

51.86mm

61.76mm

6 1065 106

Calc (MW‐Stdio)

51.20mm60.64mm

4 106

Calc (HFSS)

51.09mm60.88mm

3 1061069 1068 10505254

y = 2713.4 * e^(0.14686x)

R= 1y = 3519.1 * e^(0.14154x)

R= 1

y = 3495.1 * e^(0.1401x)

R= 0.99899

y = 2882.4
2882 4 * ee^(0(0.14191x)
14191x)R= 0.99876
0 99876y = 2330.5 * e^(0.14524x)R= 0.99646

5658

6062

Distance from cavity center (mm)ドアノブの角度の0degと90degとの差はほぼなし。計算とは約1.5-1.7mmのずれ。
Cold単体だと計算とは1mm程度のずれ。Cold単体とドアノブありの場合とも1mm程度のずれがある。但し、slopeに関しては計算と実測はどれも良い一致を示している。
Qext=2*10^7にシビアに合わせるつもりなら、多い目に約2mm短くする必要あり。

１号機の結果を反映した２、３号機（cERL用）の設計値
1号機の設計は5*10^6 – 2*10^7となっているが、5*10^6の理由は本来はERLなしで1mAで20MV/mの運転を行うという（昔の議論）のに合わせて、そのcouplingに合わせて部分がある(pulse processの理由もあり。)。あとはmicrophonicsのマージンを見ているのだ
が、2*10^7で∆f=50Hzとかなり大きくマージンをみているので、同じ±5mmの可動範囲で①Qext =1*10^7 – 4*10^7 :中心が2*10^7
２、３号機の挿入長の決定：に現在の状況を見て設計方針を立てなおした。
１号機よりtotalで7mm短くした。
投 パ
投入パワーと周波数のずれの関係と 波数 ずれ 関係

実際の15MV/mの場合
20kW

Pg 2


Vc2
1  4Q 2  f  L
4R / Q QL  f  

20kW
2*10^7P = 20kWのマージン
Pg
20kWのマ ジン5*10^7まで20kWは∆f = 50Hzまで問題なし。
Eacc

Δf = 30Hz

Δf = 40Hz

Δf = 50Hz

15MV/m1*10^8 <8*10^7

5*10^720MV/m

8*10^7

4*10^7

2*10^7共振周波数からの周波数のずれ

今までの20MV/mの場合
今までの20MV/の場合（量子ビーム的には必要）

②カプラーテストスタンドについて（概要）•１号機の試験ではモジュール組み込みに近い条件(定在波20kW)でカプ
１号機の試験ではモジュル組み込みに近い条件(定在波20kW)でカプラー試験を行い、窒素冷却下で主に入熱設計の可否を測定。

•２，３号機（モジュール組込み用）の試験ではプロセスがメイン、２つのカプラ を組み合わせ進行波( k dラーを組み合わせ進行波(80kW,duty¼ =20kW定在波相当)でカプラー全面
k 定在波相当)でカプラ 全面のプロセスを行うことがメイン。テスト後はモジュール組み立てまでそのまま真空ひきで保管。

カプラーテストはcERL injector用の
j300kW klystronを使用予定。カプラー２台を接続する導波管部分が今回設計が必要。まずは右図の赤部分の透過を見るためまずは 設計 計
めまずはRF設計・計算などが必要。（今年度作成部分）
目標：S11 < -20dB

ERL injector用カプラーテストの様子
j@ERL開発棟同じ場所に設置してテストを行う。

Calc HFSS of Spara @1.3GHz (Z_depend & xinput depend (R5,R3,R0))

port1

port2

STFのHFSSマシン
64bit マシン
Memoryy 24GB
HP Z800 workstation
Intel® Xen® CPU
W5590 @3.33GHz
2プロセッサ

R0,R3or R5

今まで1時間以上かかったのがCalc 7min

WR650

X_input2
p49mm

X input1
X_input1
Z_origin49mm

挿入長：x_input1,2とカプラー間隔z_originが主
挿入長i
t1 2とカプラ 間隔i i が主パラメータ。HFSSの計算はベローズの効果も含めて計算を行った。defaultで-25～-30dBのS11で収まるはず。設計 fix

オレンジ点線が設計のdefault値

HFSS Mesh test stand

約370000 tetrahedra

Main linac用coupler test stand(2,3号機用)のsetup660

co ol airga s in644

co ol ai r
ga s outcERL用main linac coupler test stand2011/12/24 H.Sakai (ver.1.0)
2012/1/26 H.Sakai
H Sakai (ver.1.1)(ver 1 1) arc sensor詳細追加。
sensor詳細追加

C-C

C-C

Warm窓C-C

11 2

ピンクがアークセンサー。
茶色が i k
茶色がpickupprobe。
bGG

メ ッキ 厚3 0 u m

D±D 60°0.1

D0.1

成 型ベ ロー ズ (外 径 φ3 5 , 内径 φ2 5 . 2 )ピ ッチ 2 .6 m m , 10 山 , ±4 m m ( 久 世ベ ロ ーズ )メ ッキ 厚3 0 u m

D700±

メ ッキ 厚3 0 u m

1.
0217.557

ア ーク セン サ ー取 り付 けの ため 、ス タ ンド の横 幅を 700mmにす る必 要 あり 。

35950

640.1
30.1
310(rosnescra1

Air ガス流 れcold窓

φ±0801φ±06125 D

D641.7mm0l1A

72045

粗排気xinput1

1 267.
91xinput2

メ ッキ 厚1 0 u m

DD

メ ッキ 厚1 0 u m

套田理化)
１号機時に使用

5.
25701WR650の内寸 法

240mm

追加

02
*2
183

171.2

5.
25

この部 分 でサポート（ベーキングを考 慮 して）
他 の場 所 のサポートも検 討 すべし

082.
32の長 穴

xinput1,2は導波管の内面から内導体先端まで(default=46mm)

まず真空部分を除いてテストスタンドを組立てlow level測定を行った。

11

Setup 写真

２，３号機のCold窓、導波管結合管など年末から年明けに納品された。

カプラー駆動機構
この部分を動かしてcold窓のcouplingを変える。

駆動部：ロッド(SUS316L)
port2

port1

カプラーの挿入量は銅板アンカー間を測定することで算出。
ることで算出面間=85mmxinput1,2 =46mmに対応。
実測ではxinput1,2を±4mm変えて測定を行った。

組立はカプラー部はOK.ロッドなど駆動部分も問題なく動いた。

駆動部のサポートのはめ合いを設けた。

Cold窓：黒い点などは特にみられない。

ドアノブ２つとも内面はきれいになった
セラミック窓はHA997を使用。

Coupler 詳細写真

Warm窓：黒い点などは特にみられない。

Warm外導体ベローズ部

Measurement results (xinput1&2=46mm,z_origin =240mm)

セラミックの共鳴peak

Default値でS11&S22で-25～-30dB以下の反射になっている。ほぼ設計通りか？？

Simulationとの比較 (typical case)simulationで xinput (1&2)=45mmと measurementでxinput =46mmが似ているようだ=46mmが似ているようだ。
1mmのずれくらいがsimulationと実験との違いか？振る舞いはまあまああっている。

HFSS Simulationとの比較（詳細）(xinput1&2)

こちらもxinput1&2でも1mm程度のずれ
S11やS21の傾向は非常に似ている。
非常に似ている(余談)ベローズありなしのHFSSでの評価

ベローズありなしでベズあ な
カプラースタンドの透過の様子が変わるのかをz_originを変化させて計算の比較を行 た計算の比較を行った。

ベローズなしZ i i
Z_origin
１つのカプラ に１つのカプラーにWarm部の内導体にベローズ２つ
Warm部の外導体にベローズ２つ
Cold部にベローズ１つ
Cold部にベロズ１つ

ベロ ズありベローズありZ_origin（余談）Bellowsとno bellowsの比較(S11,S12 & peakにて)Sparaでbellows ありなしで微妙に違う。Bellows部のImpedanceの違いによるものと思われる。
今回は一応、念のため、まじめにベローズありで計算し 実測と合うかの比較をしたありで計算し、実測と合うかの比較をした。

Typical sparameter results(z origin=240mm)(z_origin=240mm)
Peakの場所がz_originにて30mm程度ベローズありなしで違う。

クリーンルーム内(class10)でのカプラー組立、洗浄(ERL開発棟)

Cold窓内面も超純水洗浄

超純水による高圧洗浄
結合導波管はIn seal

Ion ガンで埃を取る。

Low level測定後にcleanな環境を保持するため、超純水洗浄後に組立、洗浄後一晩乾燥。

カプラー組立@ERL開発棟
SealはAlのU-tight
AlのU
tight seal

Warm内導体のネジ締めPickupが干渉したため、向きを変える。

Leak check & baking
007

Leak check OK5515108051155103002CC5507102100581151551φG0854RR°

8.
341RR89.1R53F R

F RF

521R5.
423・ICF70,面間350mmのフレキ

032R

粗排気Ionppomp

ICF70ベローズ(L=70mm)

F

125

F

2012/2/7 コメント H.Sakai
向きのずれは結局フレキで対応。
水色が変更追加部に対応します。

2505lA

材質：

bakingbag・が購入必要部品です。
自然長350mm。実際の長さは335mmで足り４８時間bakingを行った。Cold窓から上は150度以上になるようにkeep。結合導波管同士はInsealなので、その部分がる。フレキ部での真空がいいのか？？

80度以上にならないように調整。Baking後にwarm窓で2*10^-7Pa Cold窓で5*10^-7Paになった。(2012/2/24現在)

まとめ•

C ld窓の最終設計(ERL9 ll空洞のCold窓の最終設計(ERL9cell空洞のcoupling測定)
li 測定)– ドアノブ側から測定を行ってもS11で1.3GHz近くのpi modeの共振が見られた。モジュールに組み込んでも周波数の測定は可能。
– カップリング可変機構はロッドを使用してスムーズに動いた。
カ プリング可変機構はドを使用してスム ズに動いた– Qext測定は0deg、90degでほぼ違い無い結果が得られた。
– 計算と実測では2mm程度の違いがある。Slopeはほぼ同じ。
– 測定結果とERL
測定結果とoperationの現状を再検討し、可動域は同じで可動範囲をQext
状を 検討
動域
じ
動範 を= (1‐4)*10^7に修正。これを2,3号機カプラーに反映するため、１号機より7mm短い設計とした。

•カプラーテストスタンドについて––––––•

RF関係の部分はTest standとしてうまく組上がった。動かす部分も今のところ問題なし。
Low levelは設計値にて‐25～‐30 dBのS11で収まった。
Simlulationと測定値は1mm程度の誤差で合っている。ほぼ設計通りか？
またsimulationではbellowsの効果が多少あるようである。
配管系を手直ししてclean roomで組み込みを行った。
Leakなしで、48時間の150度bakingを行い、真空は2‐5*10^‐7Paで落ち着いた。

今後– injectorのcoupler high power testのあとにhigh power testを行う予定（４月半ば2weeks？）– ３月のinjector coupler testでarc sensor(fiber type)のtestも行う予定。
type)のtestも行う予定– パワーテスト後はclean roomでstandごと保管。夏を目途にモジュール組込予定。

今後の方針（最短スケジュール）here2010
12345672011891

改良Cold窓でのパワーテスト

カプラ １号機設計製作
カプラー１号機設計製作

11

12

12

カプラー２、３号機設計(設計は１号機をほぼ踏襲可能)

56

789101112

12

34

56

OK.

断熱槽での窒素冷却でのパワー試験 (ＫＥＫ)(ＫＥＫ)

現窓でのthermal
セラミック窓のろうづけテスト
cycle test (物性研)

4

(原研)

１号機でのパワ テスト
１号機でのパワーテスト

カウンターホールでのスタンド作成

32012

OK.

feedback

カプラー２号機プWarm部のみ製作

１号機の結果でカプラーのRF,熱設計はfix
Injectorのパワー試験の後

カプラー２,３号機製作（cold窓のみ）

カプラースタンド２、３号機用設計

クライオモジュール設計

OK.

カプラースタンド２、３号機用製作

カプラー３号(２)機製作（warm窓、外導体）
カプラー２，３号機
パワー試験（i一部
１号機使用）
クライオモジュール製作

アッセンブリ

今年度(2011年度）の大きな方針・モジュール設計がメイン。カプラーをモジュールにどう組み立てていくか？（詳細設計）
・２号機、３号機用カプラーテストスタンドの製作。（processがメイン。）

Backupcoupling測定方法
ケーブルまではCalib済み
カプラーのlossはDetuneで測定
測定

γ2=Ct
2 Ct

γ1=Cincoupling測定値の計算
P0  Pin  Pref  Pt
β* 

1  Pref Pin
1  Pref Pin

or

1  Pref Pin
1  Pref Pin

縦測定と同じ計算式
Over or underはスミスチャートから判断
スミスチャ
トから判断
(基本的に全てunder)for over or under coupling, respectively
Pt
βt 
取得データ
P0Pin(raw) × Cin ⇒ Pinβin  β * ((1  βββt))f0QL  2f  半値幅2f
Qo  QL(1  βin  βt)
Qo
Qin βin
Qo
Qt βtPref(raw) × Cin ⇒ Pref
Pt(raw) × Ct
⇒ Pt
FWHM (S21) (-3.01dB)(∆f)
Frequency(f0)

データからの計算値
Qo QL, Qin,Qo,
Qin Qtβ＊,βin ,βtRF設計手順
HFSSにてS11,S21を計算。
HFSSにてS11S21を計算①内導体と導波管結合器単体。
②内導体２つと導波管結合器全て。
③Cold窓２体＋導波管結合器全て③Cold窓２体＋導波管結合器全て。
④ドアノブを付けた時のカプラー２台の順番でパラメータを変えて計算を行った。
ポイント：透過がよくなるように各段階で計算。
Final target : S11 < -20dB③②①④内導体と導波管結合器単体
port122φ

60φR5メッシュ
X_input
pport2Z
Z_end_door
d dWR650の導波管
W:165mm
H:82 5mm
H:82.5mm

Parameter：
X_input ：45mm近くを振る。
Z_end_door : 45mm近くを振る。

Sparameter results （端部 半分 optimization)

x input = -44mm,
x_input
44mm zz_end_door
end door = -45mm
45mm

After optiomisation
px_inputit = -46mm,
46z_end_door
d d= -49mm
49HFSS Field test standN変換導波管同士のspara念のため、N変換導波管同士の念ため 変換導波管sparaをcheck

port1

port2

S11 : -30.31dB
S21:-0.123dB
問題なし。

S11

S21