Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

DEVELOPMENT OF A 972MHz CIRCURATORFOR THE J-PARC LINAC（Ⅰ）,A)

Kazuaki Suganuma 1B), Shozo Anami , Etsuji Chishiro

Kibatsu ShinoharaC), Shigetugu TsuruokaC)A)

B), Chikashi Kubota ,B), Seiya YamaguchiA)

Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI)
2-4 Shirakata, Shirane, Tokai, Ibaraki, 319-1195 JAPANB)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801 JAPANC)

Nihon Koshuha Co.,LTD.
1119 Nakayama, Midori, Yokohama, Kanagawa, 226-0011 JAPANAbstract
A 972 MHz circulator is currently under developed. In the high-power test of the prototype, rf breakdown wasobserved at the matching post. Rf characteristics obtained by simulations and low-power tests will be presented.

J-PARCリニアック用972MHzサーキュレーターの開発（Ⅰ）
１．はじめにJ‑PARC プ ロ ジ ェ ク ト [1] のリニアック [2]は、負水素イオンのエネルギーが約200MeVから約400MeVで常 伝 導 加 速 空 洞 を 、 約400MeVから約600MeVで超伝導加速空洞を選択している。それぞれの加速空洞に加速電場を供給する高周波源の周波数として972MHz を 採 用 し 、 J‑PARCのRFグループでは、これら高周波源の機器の開発とシステム設計を進めている。これら機器の一つに、加速空洞で反射する高周波電力からクライストロンを保護するため
サ ー キ ュ レ ー タ ー が あ る 。 表 1に２つの加速空洞とクライストロンからの仕様と972MHz用サーキュレーターの仕様を記す。平成14年度に972MHzサーキュレーターの製作をおこない、平成15年秋までテストスタンドに用いてきたが、整合をとるためのポスト付近で放電が起こり電力通過の問題となっている。今回、汎用の電磁場解析ソフト(HFSS と Maxwell 3D)を使ってサーキュレーターの計算をおこなった。また、いくつかのＲＦ特性を測定したので報告する。

２．電磁場解析ソフトによる計算
2.1 972MHzサーキュレーターの計算値と測定値

前 回 の リ ニ ア ッ ク 研 究 会 で 、 J‑PARCリニアックに お け る324MHz立体回路システムの機器について
汎用電磁場解析ソフトを使った計算値と製作した機器の測定値が、ほぼ一致することを報告 [3]してい る の で 参 照 願 い た い 。 図 1に972MHz用サーキュ
レ ー タ ー の 入 力 モ デ ル を 示 し 、 図 2に972MHzサー
表1 972MHzサーキュレーターと各空洞の仕様.

周波数
周波数帯域
出力
挿入損失
分離度
VSWR
平均電力

MHz
MHz
MWdBdBkW

常伝導空洞
972±53<0.2>25<1.15120

パルス幅

μS

800

繰り返しpps
導波管サイズ
冷却水温度℃
冷却水流量ｌ/min
150
WR975
27±140E-mail: suganuma@linac.tokai.jaeri.go.jp

275

超伝導空洞
←±10.3 (max 3)
←←
←
‑600
or3000‑500050←←←

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キ ュ レ ー タ ー の S パラメーター計算値と測定値を示す。また、図3にx-y平面での3MW入力時の電場強度 分 布 を 示 す 。 972MHzサーキュレーターの反射損失や挿入損失の数値に多少違いが見られる。詳細は今後計算を進めて検討し報告したい。
RF出口

2.2 ポスト付近の電界集中
実際にサーキュレーターで放電が起きたポスト
付 近 の 電 界 強 度 分 布 を 表 示 し た 。 図4に電磁場解
析ソフトによる972MHzサーキュレーターの計算値のポスト付近の電界強度のx-z平面の分布を示す。
RF入 口 に あ る 4つのポストの内の右下の手前側で電界が高い部分を見る事ができる。

ヨーク（茶）

ダミーへ

マ グ ネ ッ ト
導波管（水色）RF入口
図1 972MHzサーキュレーターの入力モデル.
0Sパラメーター(dB)‑10‑20

図4 ポスト付近の電界集中の様子.

‑30‑50‑60950

２．冷却水温度依存性

測定値(反射損失)
測定値(挿入損失)
測定値（方向性）
計算値（反射損失）
計算値（挿入損失）
計算値（方向性）‑4096097098099010001010

周波数(MHz)
図2972MHzサーキュレーターのSパラメーターの計算値と測定値.

972MHzサーキュレーターの冷却水温度を変化させ、反射損失、挿入損失、方向性の測定をおこなった。具体的には、冷却水出口配管に熱伝対を貼りつけ、温度が可変できるチラーを使い、５℃
間 隔 で Ｒ Ｆ 特 性 を 測 定 し た 。 図 5に冷却水温度とRF特性の関係を示す。
‑20‑0.12S11S21S12‑25‑0.14‑30‑0.16‑35‑0.18‑402025303540455055‑0.2

冷却水温度 (℃)
図3 972MHzサーキュレーターの電場分布.
図5276

冷却水温度とRF特性の関係.

S21(dB)

S11,S12 (dB)ポスト

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図 6に 冷 却 水 温 度 を 変 化 さ せ た 時 の 反 射 損 失 と方 向 性 の 20dBでの周波数帯域の関係を示す。冷却水 温 度 が 45℃あたりから周波数帯域が狭くなるのがわかった。

ラ イ ト の 誘 電 率 とtanδを測定した。図8に周波数と比誘電率、周波数とtanδの関係を示す。製造会社 の 成 績 書 で は 比 誘 電 率 が 14.81で測定値とほぼ一致した値が得られている。
160.036
比誘電率1.5

比誘電率

1.4
1.3
1.2

15.50.03

150.024

14.50.018

140.01213.50.006

1.110.9S112025S123035404550

1320055400

温度 (℃)
図6tan δtanδ

BW of S11,S21@20 dB(%)

1.6600800

100001200

周波数 (MHz)

冷却水温度と周波数帯域の関係.

図8

周波数と比誘電率,tanδの関係.

３．磁場分布の測定

５．まとめ

つ ぎ に 、 972MHzサーキュレーターの任意の点で磁束密度の測定をおこない、グラフに整理した。
また、電磁場解析ソフトの計算値の磁場分布と照ら し 合 わ せ た 。 図 7 にサーキュレーターの磁束密度の測定値と計算値を示す。磁場分布の測定値と計算値が一致しないが、詳細は今後、測定と計算を進めて検討し報告したい。

J‑PARC リ ニ ア ッ ク に お け る 972MHzサーキュレー
ターについて、汎用電磁場解析ソフトを使った計算の現状と、いくつかの測定値について報告した。
既存のサーキュレーターは、ポスト付近で電界が集中し放電が起きている。電界の高い部分を、汎用の電磁場解析ソフトを使った計算で再現することができた。また、冷却水温度の変化によるＲＦ特性の変化を測定することで冷却水温度とＲＦ特性の関係を明らかにした。今後は放電後にポストの改善をおこなったので、ポスト改善後の大電力試験をおこなう予定である。

測定値

計算値

磁束密度(Gauss)

1500

謝辞
1000

比誘電率の測定では三菱重工（株）の五十嵐康仁氏に協力頂きました。お礼申し上げます。

参考文献

500

[1] Y Yamazaki, “The JAERI-KEK Joint Project for The

0‑200 ‑150 ‑100 ‑50050

100 150200

導波管中心からの距離(mm)図7

磁場分布の計算値と測定値.

４．フェライトの誘電率の測定
972MHz サーキュレーターに使用している、フェHigh-Intensity
ProtonAccelerator,J-PARC”,
PAC2003,Portland(2003),(URL:http://www.conf.slac.stanford.edu/pac03/)[2] High-Intensity Proton Accelerator Project Team,“Accelerater Technical Design Report for HighIntensity Proton Accelerator Facility Project , JPARC ” JAERI‑Tech 2003‑044,KEK Report 200213.
[3] 菅 沼 和 明 他 , “J-PARCリニアック立体回路シス
テ ム の 設 計 と 調 整 ” 第28回リニアック技術研究会.

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