Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 TUP56

J-PARC DTL 用高周波窓の調査
INVESTIGATION OF AN RF WINDOW FOR THE J-PARC DTL
新井宇宙#, 伊藤崇, 平野耕一郎
Sora Arai #, Takashi Ito, Koichiro Hirano
Japan Atomic Energy Agency

Abstract

A drift tube linac (DTL) is used in the J-PARC linac. An event occurred in the DTL cavity where the arc sensor module
frequently detected electrical discharges. The area of discharge was the ceramic surface of the RF window. When removedand checked, there were discharge marks on the vacuum seal material and ceramic. In addition, dust had accumulated
inside of the DTL. Discharge marks were observed using a laser microscope. Melting marks were found on the surfaceof the vacuum sealant, and adhesions were found on the surface of the ceramic. The relative permittivity and tanδ of theremoved ceramics were measured using a cavity resonator. The relative permittivity did not change, but the tanδ increased
the longer it was used.

1.

はじめにJ-PARC リニアックでは 3 MeV～50 MeV の加速に 3台の Drift Tube Linac(DTL)を利用している。2023 年 2 月に DTL3 で、アークセンサーモジュールが空洞内の発光を検知した警報発報による運転停止が頻発した。原因究明のため、運転中の DTL3 内部をのぞき窓から小型CCD カメラで撮影した結果、アークセンサーが発光を感知するのと同時に、RF カプラーの高周波窓の真空側表面で発光していることが観測された。RF カプラーを取り外し観察したところ、高周波窓のセラミック材表面とセラミック材に接触している真空シール材の間で放電が発生していたことが判明した。
本稿では、放電が発生した高周波窓の表面観察及びセラミック材の特性測定の結果について報告する。

2.

運転周波数 324 MHz の高周波が、上流側 RF カプラーから 550 kW、下流側 RF カプラーから 560 kW 空洞に入力され、空洞電力は 920 kW である。
RF カプラーを Fig. 1、その断面図を Fig. 2 に示す。RFカプラーは可動式の結合ループを有し、ループの挿入量によって、結合度を調整することができる。また、ループは水冷式冷却構造を持つ。DTL3 の RF カプラーは窓表面から 34 mm の位置にループがあり、結合度を上流側 1.28、下流側 1.28 に設定している。Figure 2 に示すよDTL 用 RF カプラーと高周波窓

J-PARC リニアックで利用している 3 台の DTL は、上流側から順に DTL1、DTL2、DTL3 と呼称している。
DTL3 のパラメータを Table 1 に示す。各 DTL には 2 台の RF カプラーが取り付けられており[1]、運転電力はこれらの RF カプラーを通じて空洞に投入される。DTL3 では、Table 1: The DTL3 Parameters
Tank diameter

561 mmTank length7323 mm

Operating frequency

324 MHz

Cavity poewr

920 kW

Input power(2 RF Couplers)Beam energy
Average electric field

Upstream

550 kW

Downstream

560 kW

InOut

36.7 MeVCeramics

50 MeV
2.9 MV/m

Figure 1: The RF coupler for the DTL.

_______________________________________________#araisora@post.j-parc.jp- 455 -

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うに、RF カプラーは DTL 空洞の外壁の RF カプラーポー
トのフランジに固定され、RF カプラーのセラミックス材の位置は空洞の内壁面とほぼ同一面上になっている。セラミックス材は日本特殊陶業株式会社の HA997 で、直径160 mm、厚さ 17 mm、真空側表面には二次電子放出を抑えるために膜厚 10 nm の TiN コーティングが施されている。また、真空封止用の真空シール材には、Technetics 社製の HELICOFLEX DELTA を使用している。RF カプラーと空洞の電気的接触を取るために RF コンタクターを使用している。

できたので、次に放電部位を特定するため小型 CCD カ
メラをアークセンサーと同じ位置に並べて設置した。カメラを設置したのぞき窓の様子を Fig. 4 に示す。その結果、アークセンサーによる警報発報と同時にセラミックス表面での発光が観測された。
これらの結果から、DTL3 の放電はセラミック材の真空側表面で放電していることが判明した。
―Normal operation―Discharge has occurred

Discharge timing

Figure 3: Cavity power waveform of the DTL3. The redgraph shows the waveform for normal operation, and theblue graph shows the waveform when a discharge eventoccurs.

Figure 2: Cross-sectional view of the RF coupler for theDTL.

3.

高周波窓の放電現象

DTL には、空洞内部観察用ののぞき窓が数か所設けられている。このうち、上流側 RF カプラーおよび下流側
RF カプラー正面に設けられたのぞき窓にはアークセンサーが設置されており、空洞内部および RF カプラーのセラミックス材表面を観測できる。アークセンサーはサムウェイ社製で、セラミックスのルミネッセンス発光に対応す Figure 4: A camera and an arc sensor mounted onviewport.
る波長に感度を有する[2]。
2023/2/1 から 2/28 の運転期間中、上流側のアークセンサーでは合計 36 回、一日に最大 27 回の放電を観測 4.
セラミックス材表面及び空洞内部の観察した。また、同期間中に下流側のアークセンサーでは 1セラミック材表面で放電が発生していることから、RF カ回だけ放電を観測した。アークセンサーによる警報が発プラーのセラミックス材及び真空シール材の交換を 3/29報した時の DTL3 の空洞電力の検波波形(青色波形)のに行った。交換後の 4/1 から 4/30 の運転期間中は、放一例、及び定常運転中の検波波形(赤色波形)を Fig. 3電の発生回数が合計 7 回と減少した。取り外したセラミッに示す。定常運転時の空洞電力は 100 µs 程度で自然クス材及び空洞内壁面の様子について述べる。
対数的に減衰するが、放電発生時は立下り幅 10 µs 以下で空洞電力が急激に消失していることがわかる。また、 4.1 セラミックス材及び真空シール材の観察
アークセンサーによる警報発報時、加速空洞内の真空セラミック材表面で放電が発生していることから、圧力が 1.4×10-5 Pa から 1.5×10-5 Pa まで増加している DTL3 の上流側および下流側の RF カプラーのセラミックことをメタル電離真空計 GI-M2(ULVAC 社)で測定した。 ス材の交換を行った。取り外した上流側 RF カプラーの以上のことから空洞内部で放電が発生したことが確認 真空シール材とセラミックス材の拡大写真を Fig. 5 に示

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す。セラミックス材の TIN コーティング面は全体的に色が濃くなっていた。また、真空シール材及びセラミックス材の表面に放電痕と考えられる斑点が目視で確認できた。
真空シール材の斑点は内側についており、セラミック材の斑点は真空シール材との接触面周辺についていた。
上流側の真空シール材には約 80 カ所、セラミックス材には約 20 箇所の斑点があり、セラミックス材の斑点はすべて真空シール材の斑点と近い位置についていた。また、下流側では、真空シール材には約 10 カ所、セラミックス材には約 5 カ所の斑点があった。上流側は下流側より多くの放電が発生していたと推測される。また、RF コンタク
ターや、可動式ループの表面には放電痕らしき跡は発見できなかったことから、セラミックス材の大気側表面では放電は無かったと考えられる。

A材に付着したことが放電に影響したと疑われる。埃はアルコールを添付したベムコットで拭きとった。
4.3

レーザー顕微鏡による変色箇所の観察

レーザー顕微鏡を用いて、交換した真空シール材とセラミックス材の観察を行った。Figure 5 の真空シール材表面の斑点 A を 50 倍で観察した結果を Fig. 7 に示す。
Figure 7 に示す放電跡と考えられる斑点 A には、約 4 µm～10µm ほどの凹凸があり、凹凸を中心として変色している様子が確認できた。図に示す凸は、滑らかで光沢があり、シール材表面を覆っているアルミニウムの外被が放電によって溶融したと考えられる。一方、画像に見られる横方向の一様な溝は加工跡である。Figure 5 のセラミックス材表面の斑点 B を 20 倍で観察した結果を Fig. 8 に示す。斑点の中心付近には、赤矢印で示す箇所に Fig. 7の凸と似た光沢のある滑らかな突起が付着していることが確認された。しかし、他の場所についている斑点を同様の方法で確認したところ、10 カ所中 5 カ所では突起を確認することができなかった。突起の有無について原因は不明である。
Area discolored by discharge at point A
Glossy protrusions (10 µm)

BFigure 5: Ceramics and vacuum seals where electricaldischarges were occurring.
4.2

Figure 7: Observation of point A on the surface of thevacuum seal using a laser microscope.

DTL3 空洞内部の観察

上流 RF カプラー周辺の DTL3 内部の様子を Fig. 6に示す。RF カプラーを取り外した際にファイバースコープを上流側の RF カプラーポートから空洞内部に挿入して観察したところ、RF カプラーポートの直下の空洞壁面にホコリが付着していることがわかった。Figure 6 の点線
内の白い点はすべてホコリである。一方、下流側でも同様に埃が観察されたが、少なかった。ホコリがセラミックス

Glossy protrusions (5 µm)

Figure 8: Observations of point B on the ceramic surface
using a laser microscope.

5.

Dust was found on the underside of thecoupler port area inside the cavity.

Figure 6: Photograph of the interior of the DTL3 cavity
observed using a fiberscope. Dust is adhering to theunderside of the coupler port area inside the cavity.

Area discolored by discharge at point B

セラミックスの高周波特性測定

空洞から取り出したセラミックス材の経年劣化について調べるため、空洞共振器を用いてセラミックス材の比誘電率と誘電正接(Tanδ)を測定し、未使用のセラミック材と比較した。測定に使用した空洞共振器を Fig. 9 に示す。測定に用いた空洞共振器は、外径 137.5 mm、内径92.5 mm、長さ 33.05 mm のアルミ製円筒空洞部を 2 個有する。それらの円筒部でセラミックス材を挟み、各円筒部の底面部からループ型プローブを差し込んで、TE111モードの共振周波数と Q 値を測定した。空洞共振器で測定した共振周波数と Q 値から、3D 電磁界シミュレーションソフトの Ansys HFSS を用いて、比誘電率と Tanδ を求めた[3]。
測定したセラミックス材の試料は合計 7 個で、内訳は2017 年、2019 年、2023 年の交換品が各 2 個(上下流用)- 457 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Table 2: Measured results in TE111 mode for ceramics. Resonant frequency and Q-value were measured using the cavity
resonator. The relative permittivity and Tanδ were simulated by HFSS.
Mounted position

Exchange year

Use period

UnusedUpstream side
coupler
Downstream side
coupler
Upstream side
coupler
Downstream side
coupler
Upstream side
coupler
Downstream side
coupler

2017

7 years

2017

7 years

2019

2 years

2019

2 years2023

4 years2023

4 years

Resonance
frequency (MHz)1165.55±0.01
1164.30±0.04
1165.84±0.01
1164.70±0.02
1165.13±0.01
1165.48±0.02
1164.08
±0.01

9960
±70
8720
±510
9190
±140
9710
±60
9560
±120
9530
±50
9410
±120

relative
permittivity
9.89
±0.01
9.91
±0.01
9.88
±0.01
9.91
±0.01
9.90
±0.01
9.89
±0.01
9.92
±0.01

Tanδ (×10⁻⁵)
2.14
±0.07
3.70
±0.72
3.03
±0.18
2.42
±0.07
2.59
±0.14
2.62
±0.06
2.77
±0.15

空洞内の埃がセラミックス材に付着して、放電の原因になったのではないかと推測される。セラミックス材交換後放電現象は減少した。
空洞共振器による比誘電率と Tanδ の測定では、比誘電率は未使用と使用後のセラミックス材で変化はなかった。一方で、Tanδ は使用期間が長いほど増加する傾向が見られた。
今後は、セラミック材表面の変色箇所やレーザー顕微鏡による測定で確認した付着物について、SEM 分析及び EDS 分析を行うとともに、二次電子放出係数の測定を行って TiN コーティングの経年変化について調査する予定である。

Figure 9: The photograph of the cavity resonator.の 6 個、及び未使用品の 1 個である。それぞれの使用期間は 2017 年： 7 年間使用、2019 年： 2 年間使用、2023年： 4 年間使用となっている。各セラミックス材につき 4回の測定を行い、平均化した結果を Table 2 に示す。今回の計測結果では比誘電率には長期間の使用による変化は見られなかった。一方で、Tanδ は使用期間が長いほど増加しており、経年劣化していた。2023 年に交換した 4 年間使用したセラミック材の Tanδ は、未使用品と比較して、上流側は約 1.2 倍、下流側は約 1.3 倍に増加していた。

6.

Q value

まとめ

DTL3 空洞で発生した放電現象は、RF カプラーのセラミック材真空面側で発生していた。RF カプラーを取り外し観察した結果、真空シール材とセラミックス材に放電痕を確認した。
レーザー顕微鏡を用いて放電痕を観察すると、真空シール材表面には放電により融解した痕跡と考えられる表面の荒れや光沢のある凸が確認できた。セラミックス材表面には表面の荒れはなかったが、真空シール材表面に有った凸と類似した光沢のある突起を確認できた。

謝辞
空洞電力の波形データは J-PARC リニアック RF グループの方々から頂きました。アークセンサーの調査には J-PARC リニアック空洞グループの根本氏、小坂氏にご協力を頂きました。セラミックス材の交換作業には KEKの南茂氏にご助力を頂きました。以上の方々に対し、改めて感謝を申し上げます。有り難う御座いました。

参考文献[1] F. Naito et al., “INPUT COUPLER OF THE J-PARC DTL”,
Proceedings of LINAC2012, Israel, pp. 690-692.
[2] Y. Saito et al., “High Power Test of Microwave Window
Using Resonant Ring”, Proc. 27th Annual Symposium ofVacuum Society of Japan, 1987, pp. 406-410.
[3] K. Hirano et al., “RF DIELECTRIC PROPERTIES OF
ALUMINA CERAMICS FOR L-BAND RF WINDOW”,
Proc. PASJ2021, 2021, pp. 226-228.

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