Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP006

C-band プリバンチャーの設計・製作
DEVELOPMENT OF A C-BAND PREBUNCHER
山本昌志 ∗A) 、金田健一 A) 、中西康介 A) 菅野浩一 A) 田辺英二 A) 境武志 B)
Masashi Yamamoto∗ A) , Kenichi KanetaA) , Kosuke NakanishiA) , Koichi KannoA) , Eiji TanabeA) , Takeshi SakaiB) ,A)
AET, Inc.
B)
LEBRA, Institute of Quantum Science of Nihon University

Abstract
We have developed a C-band prebuncher used for electron linear accelerator cooled to cryogenic temperatures forgenerating coherent X-rays. This is operated by RF power of about 1 [kW] and frequency of 5712 [MHz]. Since theresonant cavity of the prebuncher is small, it is difﬁcult to apply the usual loop coupling. In order to avoid this problem,
an iris coupling structure with waveguide was adopted. By accurate 3D-RF simulation and careful manufacture, theprebuncher which satisﬁes the speciﬁcations was completed. A Q value of 94 [%] of the design value and a coupling(β)
of 5.27 were obtained by low power RF measurements. This paper explains its design and manufacture.

1.

はじめに株式会社トヤマ殿の資金で開発が進められているクライオ電子リニアック小型コヒーレント X 線発生装置 [1]の開発プロジェクトの一環として，日本大学とともに，ダブルリエントラント型の C バンドプリバンチャーの設計・製作を行った．このプリバンチャーは，100 [kV] の電子銃からのビームをバンチャーの手前でバンチングするもので，安定に動作することが重要である．筆者のこれまで経験から，ロング RF のプリバンチャーを安定に動作させることは，簡単なことではないを知っている．通常使われるループカップラーでは，放電が起きやすい．それを避けるために，アリス結合型のプリバンチャーの開発を行った．その設計と製作について報告する．

同軸ケーブルで供給されるので，N 型コネクターの同軸導波管変換器が必要になる．この設計・製造はそれほど難しくないので，不安のあるループカップラーを採用する理由はない．

Table 1: The Design Value of the Prebuncher
Frequency

f0 [MHz]Coupling

β4–8

Q value

Q06800RF power

P [kW]>15712±2
Target: 5Cavity typeDouble reentrant

Coupling method

Iris coupling

Figure 1 に，同軸導波管変換器を除いたプリバンチャーの断面図を示す．
RF の入力は N 型コネクター決められ2 . 設計ているので，RF フランジに同軸導波管変換器を取り付
2.1 基本パラメーターと構造けなくてはならない．導波管の高さを低くして，導波Table 1 に，C バンドプリバンチャーの設計パラメー 管のステップ構造を省くこともできるが，同時に製作し[2]ターを示す．周波数は C-バンドの 5712 [MHz] である． たバンチャー加速管 と同じ治具を使うために，導波導波管と空洞とのカップリングは，大きめの β = 5 と 管部は同一形状とした．プリバンチャーに引き続くバンした．このことにより，運転周波数や空洞の共振周波数 チャー加速管と外径などを同一にしたため，空洞のサイの変化に対して，空洞電圧や位相の変化の割合が小さ ズに比べプリバンチャーの外形が大きくなっている．
発熱はほとんど無いので冷却水の役割は除熱でくなる．従って，空洞の安定化が期待できる．その一方で，リターンロスが増加するが，それは大きな問題では はなく，周波数の制御を担う．共振周波数の変化は◦ない．β = 5 でのリターンロスは 3.52 [dB] で，入力電 94 [kHz/ C] であるため，かなり広い周波数範囲で調整力の 44 [%] が反射電力となる．したがって，空胴の壁 が可能である．
消費電力の倍の RF 電力を供給することになる．壁消費 2.2 3D-RF シミュレーション
電力は少ないので，これは全く問題がない．RF の壁損
この C-バンドプリバンチャーを RF の観点から見る
失を表す Q0 は，計算値の 80 [%] 以上を仕様とした．
(1) 同軸導波管変換器，(2) ステップ導波管，(3) 共振と，プリバンチャーは，同軸線路とループカップリングを空洞から構成される．これらの機器の寸法は，以下に示用いて，空洞と結合する構造が一般的である．しかし，[3]
C-バンドでこれを実現するには機械構造的に無理があ すとおりそれぞれ独立に CST-Studio を用いた 3D-RF
る．サイズが小さいため，ループカップラー製作に困難 シミュレーションにより決められた．
が予想される．また，狭い部分にこの構造を無理に押し同軸導波管器 これは，N 型コネクター (京セラ:N-R)込むと，放電の可能性が高くなる．そのようなことかから導波管 WRI-48(47.55 mm ×22.15 mm ) に変換する
ら，空洞と伝送線路の結合は導波管を用いたアイリスものである．N 型コネクターもプリバンチャーに接続さカップリングを採用した．プリバンチャーの RF 電力はれるフランジ側は DESY フランジを使い真空タイトな∗ yamamoto@accuthera.com構造となっている．

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0- taper- step

Return Loss [dB]-10-20-30-40-50-60
5.50 5.55 5.60 5.65 5.70 5.75 5.80 5.85 5.90
Frequency [GHz]㻝㻜㻜㻌㼇㼙㼙㼉

Figure 1: Structure of the prebuncher.

Figure 3: The reﬂection characteristic of a step waveguide(blue line) and a taper waveguide(red line).

この同軸導波管変換器の寸法は，反射波が最小になるように，CST-Studio のシミュレーションで決められた． サイズと共振周波数，計算時間の関係を調べ，共振周波
Figure 2 は，最適化された形状での電場分布である．こ 数の計算誤差が 10 [MHz] 以内に収まるメッシュサイズ
れを見て分かるように，主に電気的なカップリングであ を選択した．
る．RF 電力が 1 [kW] の時の最大電場は，882 [kV/m] である．
実際の製作では，同軸の中心導体から伸びている棒の長さを変化させることにより，VSWR の微調整を行った．このような構造のため，調整は容易である．

Figure 4: The calculation mesh of CST-Studio.

ステップ導波管 製作のことを考えると，空洞の結合アイリス部での 導波管 WRI-48 の導波管高さ 22.15 mm は高すぎる．冷却水チャンネルや空胴の蓋に干渉する．そこで，導波管の高さを 22.15 [mm] から，機械的に適当な高さである 6 [mm] に低くする変換器が必要になる．一
般的にはテーパー導波管が使われるが，その場合 λg /2のテーパー長が必要になり，導波管が長くなってしまう．そこで，我々は変換部の長さが λg /4 とテーパーの半分になるステップ導波管を採用した．テーパー導波管と比較したステップ導波管の S11 特性の計算結果を，Figure 3 に示す．この図から，ステップ導波管の方が良好な RF 特性が得らることが分かる．
共振空洞 空洞部の寸法計算で重要なことは，共振周波数を 5712 [MHz] に調整することと，カップリングβ を 5 にすることである．この計算にも，CST-Studioを用いた．そのときの計算メッシュの様子を Figure 4に示す．四面体メッシュを用い，メッシュサイズは 1520 [steps/wavelength] で計算を行った．予め，メッシュ

410

Qext=0.409(Iris W/λ0)

Qext

Figure 2: The electric ﬁeld of the coaxial waveguide converter calculated by CST-Studio .

計算は，壁損失 Q0 を求めることから始めた．固有値計算モードでの計算の結果，Q0 = 8500 であることが分かった．実機の Q0 は，この計算の 90 [%] とすると，設計の外部 Q (Qext ) = 0.9 × 8500/5.0 = 1530 となる．次に，この外部 Q になるようにカップリングア
イリスの寸法を調整する．そのときの計算結果を Figure5 に示す．この図から，アイリス幅は 12.59 [mm] と決められた．その後，空洞直径を調整し，共振周波数が5712 [MHz] の寸法を求めた．

-5.76

3101021011121314151617181920

Iris Width [mm]Figure 5: Relation between the external Q and the iris widthby CST-Studio.

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3.

0.0

製作

fitting results
f0[MHz]: 5712.123-0.5

同軸導波管変換器の主な部品は，SUS316 を削りだし製作した．VSWR を最小にするために，接合前に変換器の中心導体の長さを調整した．RF 調整後，本体部とN 型コネクターを溶接し完成させた．
空洞部は超精密旋盤により加工を行った．その際，空洞のギャップ間隔を変えることにより，周波数調整を行った．その一方，測定された外部 Q は計算と一致していたため，カップリング (β) の調整は行わなかった．カッ
プリングの計算は CST-Studio では必要十分な精度が得られる．
周波数調整後，二段階のロウ付けにより各部品を接合した．その後，He リーク試験でリークが無いこと確認し，製作は完了した．Figure 6 に完成した加速管の写真を示す．一部ロウ材が流れているものの，きれいに仕上がっている．
その一方で，フランジのサイズが大きく，機器のバランスが悪い．ここは溶接構造の薄く小さいフランジを採用すべきであったと考えている．

S11 [dB]-1.0β: 5.27
Q0: 7992.1-1.5

offset[dB]: -0.28-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0
5660 5670 5680 5690 5700 5710 5720 5730 5740 5750 5760
Frequency [MHz]Figure 7: S11 characteristics of the completed prebuncher.
Red points are the measuremt result, blue line is the ﬁtting
result.

Table 2 に，フィッティングにより得られたプリバンチャーの RF パラメーターを示す．共振周波数が設計に比べて少し高いが，これは問題にならない．なぜならば，これによるリターンロスの増加はほんの僅かである．Q 値および結合度も当初の設計で想定した誤差範囲内である．測定で得られた外部 Q は 1516 で，設計値の1530 とほとんど一致している．これらのことから，設計 (3D-RF 計算) と周波数調整加工，製作は良好であったことが分かる．
Table 2: RF Measurement Results of Completed C-band Prebuncher.
Frequency

5712.8Q07992

Coupling(β)

5.27

[MHz]

Vac, 32 [◦ C]
94 [%] of calculation value

Figure 6: The photograph of the completed prebuncher.

5.

4.

C バンドのダブルリエントラント型のプリバンチャーの場合，空胴のサイズが小さいことから，ループカップラー構造にすると，製作に困難が生じると思われる．さらに，ループカップラーでの放電の可能性もある．これらを避けるために，アイリス結合型のプリバンチャーの設計・製作を行った．注意深い 3D-RF 計算の後，超精密加工とロウ付けを経て完成した．完成したプリバン
チャーの Q 値 (Q0 ) は計算値の 94 [%] で十分良好であった．外部 Q はほぼ計算通りであった．今後は，加速器に RF を投入しビーム加速試験を実施する予定である．

完成後の RF 測定結果

まとめ同軸導波管変換器を接続した状態で He リーク試験を行い，リークが無いことを確認した後，RF 測定を行った．その RF 測定では，N 型コネクターをポート 1 として，S11 反射特性の値から，各種の RF パラメーターを計算した．空胴の共振角振動数 ω0 ，壁損失の Q 値が Q0 ，カップリング β の場合，周波数に依存した |S11 | [dB] は， 参考文献次式で表すことができる．Figure 7 の赤丸で示した測定[1] I.Sato, et al.,DEVELOPMENT OF COMPACT ERL
結果をこれらの式でフィッティングすることにより，プBASED ON ELECTRON-CRYO-LINAC FOR MEDICAL
ロバンチャーの各種パラメーターが得られる．
CARE , Proceedings of Particle Accelerator Society Meet2iβ(ω/ω0 )Q0 [1 − (ω/ω0 )2 + i/Q0 (ω/ω0 )2 ]Z(ω) − 1
Γ(ω) =Z(ω) + 1)
|S11 (ω)| = 20 log10 [|Γ(ω)|] + of f set
Z(ω) =(1)(2)

ing 2009, JAEA, Tokai.
[2] K.Kaneta, et al., C-band バンチャー加速管の設計・製作 ,This conference.
[3] CST Computer SimulationTechnology, http://www.cst.
com/

(3)

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