ERL main linac 用input coupler開発の現状
状-- test benchによるhigh power component testまで--

2009/4/1
阪井寛志、石井篤、篠江憲治（東大物性研）
梅森健成 古屋貴章（ＫＥＫ）
梅森健成、古屋貴章（ＫＥＫ）
沢村勝（原研）Input couplerの設計
投入パワーと周波数のずれの関係
投入パワと周波数のずれの関係

ERLではエネルギー回収と超伝ネ ギ
収 超伝
導空洞の高いＱ値のおかげで投入パワーは少なくてすむが、実際には高いQL値では超伝導
2




Vc2f

1  4Q 2   Pg 
空洞の共鳴幅が非常に狭くなり、
L
4R / Q QL f  外乱の影響などによる周波数のずれからデチューニングが厳20kW
しくそれを補うための投入パワーが大きくなる
ワが大きくなる。（右図参照）。
（右図参照）
今のところ外乱(microphonics)の影響は大体50Hz以下と見積もられており そこから逆算するもられており、そこから逆算するとQL = 2× 107にて20kWのパ共振周波数からの周波数のずれワーが必要となる。さらにpulseERL main linac couplerパラメ
couplerパラメータ
タでのカプラーのconditioningなどのカプラ のなどを考えて我々はさらに低いQLに ・周波数 : 1.3GHz変えるような設計方針とした。
・加速勾配： 最大 20MV/m
・投入パワー： 最大CW 20kW
・カップリング可変 ：QL = 5×106 - 2×107

超伝導空洞カプラーの代表例(1.3GHz対応)
TTF III (for LC & XFEL):• Adjustable coupling (16 mm)• Cylinder type ceramic window• 5 kW CW SW (BESSY)TTF IIICornell Injector (for ERL):• Adjustable coupling (16 mm)• Cylinder type ceramic window• Upto 50 kW CW TW(Cornell)
inner conductor coolingg byy airCornell Injectorj

KEK STF
STF-BLBL

我々のERLに採用

KEK STF-Baseline (for ILC):• FixedFi d couplingli((nowchanging)h i )• TRISTAN type coaxial ceramic window(pulse 1MW 1.5ms 5Hz @(p@1.3GHz (STF-BL))())(CW Max 800kW @500MHz (KEKB type))

Design of ERL main input coupler (ver.1)
基本設計は1.3GHz仕様のKEK
基本設計は13GHz仕様のKEK STF‐BL couplerから開始。特にピcouplerから開始 特にピークパワー(maxクパワ (max 1MW)の高いパワー投入の実績と、粉塵混入を避けるため、同様にDiskセラミック窓２枚方式は採用。但し、CW運転に対応するように下記に示す発熱などに考慮した設計に修正。

96 35

Cold window

wodniw
mraWwodniw
dlo
Cd il now underdetails
d designingd i ituosag
2
Nyr
d

K
0
0
3

K
08

K
08

K
5K
5p um p80

R5R10ytiv
ac20Warm window

erahpsomotamuucav

Bellows

35

1096R8

46
1625°elbavomelbavomBAirpumppmupB

267nisag

460rialooc125nisag2Nyrd202125rialooc・couplingli 可変（QL=5×10^6可変（QL 5×10^6 – 2×10^7）・内導体の強制空冷・double ceramic of same size
・disk type ceramic window (HA997)
・60 インピーダンス 内導体の発熱軽減

tuosag

CW運転対応でSTF-BLからの修正部分

Inner rod:・Gas cooling・change Qext

RFRF設計 セラミック窓（50Ω60Ω）

BLのセラミック窓から、６０Ω＋ＨＡ９９７に対応、chokeの部分の長さを変化させて反射は計算でS11で-25dB程度まで抑える
S11で-25dB程度まで抑える。
RF_parameter1-10-15-20-25
S11 (dB)
S11 (dB)
S11 (dB)

青：50 =9.2(BL input coupler)
赤：=9.2
緑：=10緑：
10.00

-30

-35
20222426xin1 (mm)

28

30

32

xin1

Coupling可変範囲（計算）60φ
L port1
L_port1

Calc by HFSS

Qext1_9cell_L55_60ohm

108±5mm

22φ
107

100φ

106

L=55mm9cell case
40

5060

70

80

L_port1 (mm)• Qext1=5x106～2x107
 Lport1 = 51.3～61.1mm
Variable range = ±5mm

Expected heat load in CW operationmuu
cav

r=30mmwodniw
dloCAdetails now under designingwodniw
mraW

L160

tuosag2NyrdK
00
3K08

K08

K
5K
5



20

C-c cross section

300Kerahpso
mota

5K 80K
L2 B

R5R10

ytiv
ac80

pump

35

96

10R8

16

B

copper
nisag

460

125r
ialooc125nisag
2
N
yr
d202B

46

25°elbavomelbavom
Airpumppmu
p267

rialooctuosag

20kW input (Dynamic loss)
L1

L2

T t l (1+2)
Total

Inner loss

12.2W

8.55W

Outer loss

4.5W

Total

16.7W

300K80K

Input heath Qc
Q 12.2W
12 2SStsus=1mm

20.75W

ceramici L
Loss(HA95)Loss
L(HA997)

3.15W

7.65W

A

5.4W

1W

11.7W

28.4W

B

5.4W

1W

Total

10.8W

2W

(Static loss外導体のみ)
calculationtcu=5m

80K5K

5K2K

0 340.734W

03 90.359W(内導体の入熱やアンカーの細かい配置はクライオモジュールの設計も含めて現在調整中、RFoff時は80Kで数Ｗ以下になる。)

入力カプラーの開発課題◎セラミック窓とベローズの設計製作。
ＲＦ設計、機械設計の妥当性の評価。
◎ハイパワーカプラーテストスタンドを用いた性能評価
評価
上記セラミック窓、ベローズにCWで20kWのハイパワーを投入する。
20kW投入時の温度上昇
２次電子放出の成長過程を測定し、パワー投入下でのセラミック窓、ベローズなどの出来をみる。

1.3GHz CW
30kW IOT(JAEA)

Schematic diagram of high power teststand1.3GHzCW 40kW
Isolator(JAEA)

Componentと組み立て作成されたセラミック窓（東芝電子管デバイス）

外導体の様子。
((ピロリン酸銅めっき10um)
リ 酸銅き)

テストスタンド
CW 30kW IOT

カプラーテストスタンド全景（原研）
Clean roomでの組み立て(原研)bellows

超純水洗浄Warm窓

Cold窓

機械的設計や組み立て、メッキの出来などは良好であった。組み立て後の真空リークも今のところなし。(1*10^-10 Pa m3/s以下)

3連セラミック窓+doorknobのlow level測定

Spara_3ren_couplerwarm

coldwarm00
S12 HFSS (dB)S11 HFSS (dB)

-10F7186-0.5

S22 HFSS (dB)F7187

port1-20-1-30-1.5-40

port2

計算値
(HFSS)

-2-50

-2.5
1.26

1.28

1.3

1.32

1.34

Frequency (GHz)

1.3GHzでのS-para

Low level
測定値

HFSS計算値

S11-40.4dB
40 4dB-31.5dB
31 5dB

S12-0.153dB-0.123dB

S21-0.156dB-0.123dB

S22-34.0dB-31.1dB

00-10100.55-0-20-1

S11 [dB]-30-1.5

S22 [dB]
S21 [dB]

測定値と計算はまあまああっているようだが、S21 S12に1 3GH 近くに計算にはないP kが見ら
S21,S12に1.3GHz近くに計算にはないPeakが見られる。(1306.5MHz)、peakは一応escapeしているた
め、このままhigh power testをまず行った。

-40

S12 [dB]

Lowlevel測定値

-50

1260

1280

-2-2.51300

Freq (MHz)

1320

1340

coupler
test
block fordiagram
Coupler test
standstandblock diagramhigh power test
Cold Window

Warm Window

ドアノブ

thermo coupler
thermo coupler
thermo coupler

ドアノブ

Warm Window
Bellows

Bellowsth
thermocouplerlththermocouplerl
e-pickup

e-pickup

e-pickup

thermo coupler
thermo coupler

e-pickup

thermo coupler(3 pieces)33

thermo coupler(3 pieces)

forcedair coolingof inner conductor
thermo coupler(air in&out)

forcedair cooling
0f inner conductor
thermo coupler(air in&out)

1.5
3

thermo coupler
Ion
pump

thermo coupler

Ion
pump

P i f
P_in_for

真空は引かずず

P_out_ref-50dB

Directional
coupler-50dB

P_out_for

CCG

CCG((thermocoupler)Turbomolecular
pump

AArc
sensor

Bellows
Phase shifterandDDummyl dloadthermocoupler

waterwater

thermocoupler

1.3GHzAArcsensor

interlock
P_IOT_for, P_IOT_ref,P_in_ref (max 20kW)
thermo coupler (100 degree)
water
arc sensor (not work)

Directional
coupler

P_in_refBellows

thermocoupler

returnthermocoupler
40kW CW
isolator
forwardSignalgenerator

-50dB
water

200W Amp

30kW IOT

Directional
coupler

P IOT forP IOT ref P_IOT_for
P_IOT_ref

熱電対を３０本用意し、dataを1秒ごとに摂取。Interlockは温度を最初60度に設定。

熱電対Data assign
熱電g
T1

T2

T3

ch1

延長導波管(上流）

warmセラミック窓（上流）Isolatorロード

ch2

外導体（上流１）

Coldセラミック窓

ロード本体

ch3

外導体（上流 ）外導体（上流２）

warmセラミック窓（下流）セク窓（ 流）導波管ベ導波管ベローズ（上流）
ズ（上流）

ch4

外導体（上流３）

ドアノブ（上流）

導波管ベローズ（下流）ch5

外導体（下流１）

ドアノブ端板（下流）

内導体NO 3(下流)
内導体NO.3(下流)ch6

外導体（下流２）

冷却エア ＩＮ （上流）

未接続

ch7

外導体（下流３）

冷却エア ＯＵＴ （上流）

未接続

ch8

延長導波管(下流）

冷却エア ＩＮ （下流）

内導体NO.1(上流)ch9

ロード冷却水(ＩＮ）

冷却エア ＯＵＴ （下流）

内導体NO.2(上流)ch10

ロード冷却水(OUT) ドアノブ端板（上流）ブ

内導体NO.3(上流)内導体ベローズ拡大(外部配布禁止)

Detail 部分なので割愛させてもらいます。

強制空冷時の中に流す空気の流量(max)は約60l/min(およそ1m/sの流量)（この量はCornell injectorに使用している流量より6/7程度少ない。）

SetupCold window
Warm window
Warm window
448

E

ドアノブ
33 7337

Door knob

Door knob

225

82
1 .1

1 .1

1t

3.3

28 4 ±0 .5

31396

33

2035

14 5

14 515

3335

3135

35
43
1212warm窓

warm窓

ベローズ
ロ ズ

方向性結合器1220 243
20 2605

500

14 5

1.5

12IOT

14 520

33

３０ 度

1596

3.3

28 4±0 .5

30

145

３０ 度

1t145

25

82

3225

3

ドアノブ

sim

方向性結合器

460

524

524

dummy load
ベローズ

300

1350

300

位相器

509

i l t rは現在の高さ変化なし
isolatorは現在の高さ変化なし

Inner rod for air cooling

161.594155488

E172
210

77172

400
9013E488

410316238

方向性結合器 E

198350

ベローズ

1230

1048

Setup of monitor system

内導体冷却の効果
1kW投入時３６度

Ansys

室温300K

1kW投入時

内導体空冷なし

T3-9(ベローズまん中)

Tmax:325[K]⊿T = 25K

室温20度
室温300K
内導体空冷あり
熱伝達係数
h=10W/m^2/K

２４度

Tmax:304[K]⊿T = 4K

Ai in
Airi
１ｋＷ投入した際にベローズの温度上昇を内部冷却なしとありで比較した。内部冷却なしでパワー投入時は 度 ⊿入時は３６度(⊿T=16度)の温度上昇であったが、冷却後は２４度(⊿Ｔ＝４度)の温度上昇にとどまり、度 温度上昇 あ たが 冷却後は 度 ⊿度 温度上昇にとどまり温度上昇が少なくとも1/4に抑えられているのがわかった。右のsimulationでも温度上昇が空冷なしでは24度に対し、空冷ありでは4Kとなり大体実験結果を再現していると言えよう。

2008/10/9 (T11-T15)（セラミック窓部分）
20kW投入外部空冷start

急激な温度上昇が始まる

温度上昇に合わせてpower lossが見られた。

外部空冷なしのときにT2-2（Cold窓）の温度上昇が激しくなった。その時にpower lossが見られた。外部空冷後もpower lossと同期して急激な温度上昇が見られたが、その温度のstart pointは異なる。最大温度は空冷前はT2-2(Cold窓)で80度、空冷後はT2-1(Warm窓上流で)で57度に下がった。この現象はこれ以外にあと２回同じ測定を行ったが、再現性があった。

2008/10/9 (T25,T27-T30)（ベローズ部分）

外部空冷start

ベローズ内の温度は内部、外部空冷時でT3-9(ベローズ上流まん中)の温度上昇が一番大きく20kW投入時で106度まで到達 但し 下流の温度は20kW投入時のT3 5（ベロ ズ下流）で86 8度とくらべ 上流の同じ位置106度まで到達。但し、下流の温度は20kW投入時のT3-5（ベローズ下流）で86.8度とくらべ、上流の同じ位置T3-5の温度101度に対し、１４度も低い値となっている。全体的に上流のほうが温度上昇が大きい。

温度とS-parameterの相関(low level)

S12 peak freq (MHz)1306.8次にcold窓の温度上昇とpower
次にld窓の温度上昇とl との相関をlossとの相関を確認するため、cold窓にHeaterを巻き温度上昇をさせながらlow level測定を行い、S-parameterの変化の様子を見る。
Cold窓の温度に対し、peakの変位はおおむねlinearに変化している様子が窺われる。これがさらに大きく変化したときに1 3GHzに当たる可能性があることがわ化したときに1.3GHzに当たる可能性があることがわかった。ちなみにこのとき、ダイヤルゲージにて変形を見たところ、横方向に60um程度の変位が見られた。

Peak frequenccy (MHz)1306.61306.41306.21306 [dB]S211305.81305.61305.41305.2

温度上昇

130502040
Cold窓温度(℃)

6080

Freqq ((MHz))

Heaterをcold窓に巻く

S12 peak freq (MHz)1306.81306.6
Peak freq
quency (MHz)

ダイヤルゲージ

1306.41306.213061305 81305.81305.61305.41305.2Cold窓

130502040
Cold窓温度(℃)

6080Open test stand

Warm

Coldwindow

割れてました内導体が真っ黒（銅が酸化しているようだ）。
導体 真 黒（銅 酸う ）。
セラミックはおそらく内導体に急激な熱がかかり、機械的な変形の末、割れたものと思われる。
Warm窓のセラミック、ベローズは一応無事。

Warmセラミック窓単体low level測定
現在のカプラーテストスタンドでは、Cold窓の発熱が問題である。
セラミック窓のS-parameterのlow level測定を行い、設計上問題ないかを確認する。
まずはcoldセラミック窓2つとwarm窓２つの測定を行った。
まずはcoldセラミック窓2つとwarm窓２つの測定を行った

タイゴールド社のセラミック窓

Cold窓はタイゴールド社のC
ld窓はタイゴ ルド社のセラミック窓と割れた窓を測定

Cold窓setup

Warm窓setup

それぞれのS21の比較割れたCold窓(アルバック製膜社)

上流部warm窓

もう一つのCold窓(タイゴ ルド社)(タイゴールド社)

下流部warm窓

1.305GHz付近に現れたpeakはセラミック窓固有のものであることがわかった。

ローレベル測定を行ったセットアップで固有レ ル測定を行ったセットアップで固有値計算をしてみると…
Cold窓＋228mm同軸導波管＋96D-N変換

MW-Stdio1305.55 MHz Q=51305
Q 5.9e49e4 (バンド幅 22kHz)というダイポールモードが現れた
www.cst.com

同軸導波管の長さを変えた場合の共振周波数の変化 (Dipole mode)

Cold窓＋同軸

MW-Stdio

同軸導波管の長さ＞200mmでは周波数一定となる（境界条件によらなくなる）
この場合は、1306MHzに収束ー＞このモードがセラミック窓で共鳴をおこし、1.3Ghzに近づき、発熱を起こしたようだ。

Cold窓＋同軸

How to escape from peak
セラミック厚さ依存
Peak frequency-38.2MHz/mmの変化量
38.2MHz/mmの変化量
誘電率依存

choke半径h k 半径同軸半径

Choke長さ

セラミック厚さ、誘電率、同軸導波管の径に依存。セラミック窓を厚くしてpeakをEscapeすることを検討する。

今まで行ったこと、わかったことと問題点••

Cold窓、warm窓、ベローズ作成に関して– HA997によるセラミック窓のロウ付けは外観上問題なく、リークもなかった。
– Warm窓での内導体部のbellowsは銅メッキ後にロウ付けをおこなっても問題なし。
Warm窓での内導体部のbellowsは銅メッキ後にロウ付けをおこなっても問題なし
但し、酸化をふせぐため、メッキはピロリン酸銅メッキが必要。
– 組み立て時も特に機械的に問題がなく、真空リークもなかった。
– Low
L level測定では3連状態ではS-paraは計算とおおむね良い一致を示していたが、l l測定では3連状態ではS
は計算とおおむね良い 致を示していたが1.305GHz付近に急峻なpeakが見られた。これは単体測定でもみられており、計算ではdipole modeと非常に良い一致をしめしていた。
テストスタンドの構築およびhigh
ト タ ド 構築およびpower測定
測定– ３連＋ドアノブの状態で室温にて真空に引かずに20kWまでパワーを通した。
– 内部のベローズの空冷により、1kW投入時では温度上昇は1/5程度に抑えられており、計算とも比較的良い一致をしめした。20kW投入時にはそれでも内導体のベローズの温度上昇は20度から110度まで⊿Ｔで90度の温度上昇が見られた。開封後はベローズに特に問題となる傷あとなどはなかった。
– Coldセラミック窓での予期せぬ急激な温度上昇が見られている。中を開け確認後、Coldセラミック窓だけ割れているのが、判明。熱的な膨張によるものと考えられておpり、low level測定時に見られたpeakが温度上昇とともに推移する傾向があり、このpeakの除去が緊急の課題である。

今後のスケジュール（カプラー関係+空洞）・HighHigh power 測定：warm窓同士をつないで真空引いた後high power testを行う。(ベローズの評価)
testを行う。(ベロ ズの評価)
・断熱槽を用いて液体窒素を用いてCold窓の冷却テスト(80Kの熱伝導でどれだけ冷えるか？)を行う。
・Cold窓ver2の試作を行い、RF的に問題ないか、冷却など再度評価を行う。
・最終的に今年度はカプラー１つ作る予定。

１月
low level 測定
冶具設計製作High power test
断熱槽
熱テストモデル２月

３月

４月

６月

７月

８月

測定
Warm同士をつなぐ冶具設計製作

槽の設計

５月

熱接触部分設計製作
触設計

High power 試験(２連)真空＋冷却

割れた窓で熱試験＋窒素試験

試作

カプラーver2.0
カプラ
試作機

熱伝導評価

Cold窓試作
設計

空洞
洞

縦測定

カプラー製作(年度末まで縦測定 縦測定(N回)ERL09

熱設計など決定延長管の影響•

Simulationの結果powerが入らない原因がドアノブとセラミックの距離が近いためでなはないかとの疑いがあった。そのため、今回新たに延長冶具を設け、simulationとおりにpeakがなくなり、1.3GHzのpowerが通るかどうかを確認する。
S12 (xtr1 50mm-200mm)

3ren coupler (2008/6/13)
1.2

1270

1290

1310

1330

1.25

1.3

1.35

1.401350-2-10-4-15
S12 (dB)

S11,S12,S222 (dB)01250-5-20-25-6-830-30-35-10

Frequency (MHz)S12 (50mm) (dB)
S12 (100mm) (dB)
S12 (150mm) (dB)
S12 (200mm) (dB)-12

S11 LOG

S21 LOG

S22 LOG

前回の測定 (2008/6/13)
セラミック窓３つにドアノブをつなげ測定したら 1 3GHz近くに共鳴のpeakが見られた
ら、1.3GHz近くに共鳴のpeakが見られた。

Frequency (GHz)HFSSによるsimulationの結果 (S12)
ドアノブとセラミック窓の距離を伸ばすとpeakがなくなっていくのがわかる