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)

PRESENT STATUS OF 972MHZ RF TEST-STAND AT JAERIT.Hori1,A), E.ChishiroA), M.YamazakiA), H.SuzukiA), and K.HasegawaA)
A)
Japan Atomic Energy Research InstituteShirakata-Shirane 2-4, Tokai, Naka, Ibaragi, 319-1145
Abstract
The JAERI 972MHz RF Test-Stand has been operated for the development and estimation of 972MHz RFComponents at J-PARC Linac in July 2001. In this paper, we describe the operational results in last year and report theR&D status of Klystron RF characteristics for a 972MHz first tube.

原研972MHz RFテストスタンドの現状報告
１．はじめに
原研972MHz RFﾃｽﾄｽﾀﾝﾄﾞは約3年前に、J-PARCﾘﾆ
ｱｯｸの高ｴﾈﾙｷﾞｰ加速部(200～400MeV)で使用される周波数:972MHzのRF機器の開発や評価を行うことを主目的に、東海研陽子加速器開発棟に設置された。
過去2年間の活動状況とﾃｽﾄｽﾀﾝﾄﾞの機器構成などは参照文献(1)に詳しく記述されているので割愛し、昨年(2003/7～2004/6間)実施した主な試験や機器の改修を列挙すると、ﾌｫｰｶｽｺｲﾙ(ﾒｲﾝｺｲﾙ)電源のACﾗｲﾝ流出ﾉｲｽﾞﾚﾍﾞﾙ低減対策(8月)、972MHz超伝導空洞用ｶﾌ
ﾟﾗｰｴｰｼﾞﾝｸﾞ試験並びに、この試験を円滑に行うためのﾃｽﾄｽﾀﾝﾄﾞ安定動作R&D試験(10～12月)(2)、ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ
初号機での電子銃発振対策試験(12月,6月)、ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ
2号機のﾋﾞｰﾑｴｰｼﾞﾝｸﾞ&発振測定(2月)、直流高圧電源の改修(3～6月)、長ﾊﾟﾙｽ(3ms)運転仕様のM-ｱﾉｰﾄﾞ半導体ｽｲｯﾁﾄﾞﾗｲﾌﾞ用ﾕﾆｯﾄの性能評価(3月～)、ﾛｰﾚﾍﾞﾙ系の振幅,位相制御の基礎ﾃﾞｰﾀとなるﾊﾟﾙｽ内位相測定(5月～)などであった。
本報告は最初に上記項目中の主な2件について述べた後、出力飛び現象を究明するための波形測定結果から得られた新たな知見を報告する。

２．昨年の主な活動状況
２-１．ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ初号機の電子銃発振対策試験
972MHzｸﾗｲｽﾄﾛﾝ初号機には、設置当初よりｶﾞﾝｵｼﾚｰｼｮﾝが原因と考えられる発振周波数が3種類(f=1.332,3.21,1.463GHz)観測されており、ｶｿｰﾄﾞ電圧が75～90kVと102kV以上の2つの電圧範囲でｸﾗｲｽﾄﾛﾝを動作出来ない状態である。製造ﾒｰｶｰによるHFSSの解析結果より、電子ﾋﾞｰﾑと相互作用する電子銃のRF電磁界は、ｱﾉｰﾄﾞ-ｶｿｰﾄﾞ間に励振される同軸TEﾓｰﾄﾞであり、これと電子銃構造の外部に存在するTMﾓｰﾄﾞとが結合している、ことがわかった。そこで電波吸収体を電子銃近傍まで近づけたｾｯﾄｱｯﾌﾟでの試1

験と外部TMﾓｰﾄﾞの共振構造を積極的に変えるｾｯﾄｱｯﾌﾟでの試験とを実施した。結果、2回の試験とも計算で得られた効果ほど発振を低減出来なかったが、f=3.21,1.463GHz成分の発振はｶﾞﾝｵｼﾚｰｼｮﾝではないと推定される新たなﾃﾞｰﾀを得た。今後も実機23台分のｸﾗｲｽﾄﾝ設計に向けて、明快な原因が究明されるまで、試験を継続して行う予定である。
２-２．直流高圧電源の改修
今年の3月1日、直流高圧電源のｻｲﾘｽﾀ電圧調整盤(AVR盤:600V系)とこの電圧を120kVまで昇圧し全波整流するための変圧整流器との間を接続する600V
CVｹｰﾌﾞﾙ12本の内の3本が焼損するｹｰﾌﾞﾙ火災が発生した。原因を調査したところ、以下の経緯で焼損まで至ったと推定される。①AVR盤内の点弧角制御用ｻｲﾘｽﾀ(正逆2方向のｻｲﾘｽﾀが1相分)12個中の1個(U相)のｹﾞｰﾄ回路駆動用ICが何らかの原因で動作不良が発生、②当該ｻｲﾘｽﾀのｹﾞｰﾄﾊﾟﾙｽが欠相、③昇圧ﾄﾗﾝｽU相の1次側に1方向の電流のみが通電、④昇圧ﾄﾗﾝｽのU相が偏磁、⑤偏磁過電流が通電しｹｰﾌﾞﾙが過熱、⑥過熱による絶縁体の溶融によりｹｰﾌﾞﾙﾗｯｸ（ｱｰｽ電位）との間で短絡電流が流れ、⑦ｻｲﾘｽﾀ保護用ﾌｭｰｽﾞ(1000A)が溶断すると同時に6.6kV系統のVCBが開放され高圧電源は停止した。今回のｹｰﾌﾞﾙ焼損の根本
原因は極めて一般的に使用されているﾄﾗﾝｼﾞｽﾀの動作不良であり、この故障率から考えて事前に予見することは非常に困難であった。しかしながら、原子力施設内での火災(小火程度でも)は対応如何ではJPARC計画の進展を左右する出来事であり、この認識の上に立った設計・製作が非常に重要である。
対策として、交流側の過電流と偏磁電流を検知するための検出ﾕﾆｯﾄ(NIM)の追加並びに、AVR盤入力に新規のMCCB盤を設置するなどの改修を行い、機器間の保護協調を最大限強化した。

E-mail: hori@linac.tokai.jaeri.go.jp

212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)ｰﾑ軌道でｺﾚｸﾀｰ部まで到達できなくなる。このﾋﾞｰﾑ中の位相が180°反転している極僅かな電子は出力
超伝導ｶﾌﾟﾗｰ試験時に高圧停止ｲﾝﾀｰﾛｯｸが多発した空洞に再度ﾄﾗｯﾌﾟされ、新たに正規のﾋﾞｰﾑ電流とはため、その原因を調査したところ、ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ入出力逆向きに加速（変調）され、中間空洞・入力空洞を特性の出力飛び領域で運転している時にその頻度が経て、ｶｿｰﾄﾞ方向に戻ってくる。この逆向きの電子高かった。そこで、出力飛びの現象を正確にﾓﾆﾀを逆行電子と呼ぶが、この電子が入力空洞を通過す出来るよう既存の計測系の整備（S/N比の改善やｱｰｽる際に空洞との共振条件を満足した時、入力空洞にﾗｲﾝの見直し）や新たな診断用のﾓﾆﾀを設置し、4.に新たなRFを励起する。したがって、このﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸ示す各種の測定を実施した。ここではこれに先立ち、がかかった状態でのｸﾗｲｽﾄﾛﾝは、70W主ｱﾝﾌﾟから供開発途上の球の特性ではあるが、972MHzｸﾗｲｽﾄﾛﾝ初給される正規の励振電力に加え、上に述べた励起号機で観測された２つの現象について述べる。
RFとの2つの合算されたﾊﾟﾜｰで励振されることになり、その結果、ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ出力電力はﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸが成立
３-１．入出力特性の出力飛び現象
した直後にﾘﾆｱ特性から外れｼﾞｬﾝﾌﾟする (4) 。なお、ｸﾗｲｽﾄﾛﾝの入出力特性は、励振電力の増加と共にｸ逆行電子と似た名称に、324MHzｸﾗｲｽﾄﾛﾝ開発中に問ﾗｲｽﾄﾛﾝ出力電力が直線的に増加するﾘﾆｱ領域と、こ題となったｺﾚｸﾀ部からの反射電子(5)が挙げられるが、れに続く飽和領域とで示される。図1に972MHzｸﾗｲｽ
逆行電子はｸﾗｲｽﾄﾛﾝが励振された状態で生じる現象
ﾄﾛﾝ初号機を運用値（ﾒｲﾝ/ﾊﾞｯｷﾝｸﾞのﾌｫｰｶｽｺｲﾙ電流値であり、この点で明快な相違がある。
が13.6A/9.4A）で動作した時の、代表的な入出力特以上述べた非常に興味のあるﾒｶﾆｽﾞﾑが、我々の性とｸﾗｲｽﾄﾛﾝｹﾞｲﾝ値とを示す。図からﾘﾆｱ領域後半部
計測系でどのような波形変化として観測されるのかの励振電力:2.5Wを境界に出力電力がｼﾞｬﾝﾌﾟ(出力飛を調査した。
び)しており、これと同期してｹﾞｲﾝ値も0.7dB増加していることが読み取れる。このような動作曲線を４．測定及び測定結果
我々は'ｸﾗｲｽﾄﾛﾝの出力飛び'と呼んでおり、J-PARCﾘﾆｱｯｸの低ｴﾈﾙｷﾞｰ加速部(～200MeV)のRF源として開発
４-１．ｸﾗｲｽﾄﾛﾝﾋﾞｰﾑ電流の減少された324MHzｸﾗｲｽﾄﾛﾝの開発途上でも観測された現ｸﾗｲｽﾄﾛﾝのﾋﾞｰﾑ電流は、M-ｱﾉｰﾄﾞ変調器内に取り象である(3)。324,972MHzｸﾗｲｽﾄﾛﾝの動作点は電子ﾘﾆｱ付けられた電流ﾄﾗﾝｽ(25mV/A,ﾋﾟｱｿﾝC.T:Model3025)
ｯｸで通常使用される飽和領域では無く、ﾘﾆｱ領域ので測定しており、ｶｿｰﾄﾞ電圧:100kV時のﾋﾞｰﾑ電流波
直線性を利用したﾛｰﾚﾍﾞﾙ系での位相、振幅制御でｸﾗ高値(ﾊﾟﾙｽ中央部)は42Aである。600μsのﾊﾟﾙｽ平坦
ｲｽﾄﾛﾝ出力性能を達成するため、この問題は非常に部には約2%のｻｸﾞが生じているが、これはｶｿｰﾄﾞ電重要である。
圧のｻｸﾞ（電圧ｻｸﾞの仕様は、直流高圧電源とｸﾗｲｽﾄﾛﾝとの構成比が1:4の時に5%以下）が原因である。図2の下図に出力飛び領域(励振電力:4W)でﾓﾆﾀされた代表的なﾋﾞｰﾑ電流のﾊﾟﾙｽ平坦部波形を示す。

３．出力飛び現象と原因

図1. 972MHzｸﾗｲｽﾄﾛﾝ初号機の代表的な入出力特性曲線とｸﾗｲｽﾄﾛﾝｹﾞｲﾝ値
図2. 出力飛び領域での上図:ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ入力反射波波形、下図:ｸﾗｲｽﾄﾛﾝﾋﾞｰﾑ電流波形

３-２．逆行電子と負のﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸ現象
出力飛び原因を製造ﾒｰｶｰと議論したところ、ｸﾗｲｽ
ﾄﾛﾝ出力空近傍からの逆行電子による'負のﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸ’現象が主な原因であると推定した。ｸﾗｲｽﾄﾛﾝｹﾞｲﾝを設計値より大きくとった条件でｸﾗｲｽﾄﾛﾝを動作した時、出力空洞通過後のｸﾗｲｽﾄﾛﾝﾋﾞｰﾑ電流は比較的大きなｴﾈﾙｷﾞｰ損失を受けることによって、正常なﾋﾞ

図2の上図には入力反射波の検波器（HP Model320）波形を示すが、この図の励振RFﾊﾟﾙｽ幅は100μs（通常値は600μs）、励振RFとﾋﾞｰﾑ電流ﾊﾟﾙｽ平坦部との相対的ﾀｲﾐﾝｸﾞをﾊﾟﾙｽ中央に設定した。なお、以上の調整は電流波形をﾓﾆﾀしているｵｼﾛｽｺｰﾌﾟの垂直感度を最高ﾚﾝｼﾞまで拡大することと共に、励振RF有/無213

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)の別による電流波形の変化を識別する際に非常に有用であった。図2のﾋﾞｰﾑ電流ﾊﾟﾙｽ平坦部には、励振RFﾀｲﾐﾝｸﾞとﾊﾟﾙｽ幅に対応した電流値の'くぼみ(ﾃﾞｨｯﾌﾟ)'がﾓﾆﾀされた。CTの極性から判断して、この時のﾋﾞｰﾑ電流値は、励振されていない時と比較して減少しており、このことは励振期間中のﾋﾞｰﾑ電流はﾃﾞｯｨﾌﾟ電流値分だけｺﾚｸﾀ(ﾎﾞﾃﾞｨとも共通のｱｰｽ電位)まで到達していないと解釈できる。
４-２．入力反射波RFの周波数分析
ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ入力ｺﾈｸﾀｰ直前に結合度:-20dBの方向性結
図4. 972MHz初号機ｸﾗｲｽﾄﾛﾝの瞬時帯域特性合器(HP778D,0.1～2GHz）を新たに取り付け、その反射波ﾎﾟｰﾄから得られるRF信号を、直接RG8/Uｹｰﾌﾞ
次に、図2のﾋﾞｰﾑ電流ﾃﾞｨｯﾌﾟ量をﾋﾞｰﾑ電流波高値
ﾙ （ 8m 長 ） で ｽ ﾍ ﾟ ｸ ﾄ ﾗ ﾑ ｱ ﾅ ﾗ ｰ ｻ ﾞ ｰ (HP8595E,9kHz ～(42A)で割り、これを電流減少率と定義した値と励6.5GHz)まで伝送し、その周波数成分を測定した。
振RF電力値との相関を図5に示す。図からﾘﾆｱ領域
図3に中心周波数:972MHzの±8MHz帯域におけるの後半で既にﾋﾞｰﾑ電流の減少が生じていること、励
ﾘﾆｱ/出力領域別の代表的なｽﾍﾟｸﾄﾙ図を示す。結果、
振電力が3.5W以上の出力飛び領域での電流減少率
ﾘﾆｱ領域のｽﾍﾟｸﾄﾙは励振RF波形と相似形であったが、は、ほぼﾘﾆｱに増加していることがわかった。ﾘﾆｱ/出力飛び領域のｽﾍﾟｸﾄﾙには励振RF成分には無い出力飛び領域の境界点の電流減少率は0.1%で、ﾋﾞｰﾑ972MHzの-7MHzから＋5MHzまでの周波数成分がﾓﾆ電流値に換算して42mAである。ただし、この値はｺﾀされ、この周波数成分は出力飛び領域の全域で観ﾚｸﾀまで到達しなかったﾋﾞｰﾑ電流の総和であり、ﾘﾆｱ測された。
/出力領域を決定する負のﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸに関与している逆行電子はこの値よりも十分少ないと考えられる。

図3. ﾘﾆｱ(青)/出力飛び(赤)領域別の入力反射波信号の周波数ｽﾍﾟｸﾄﾙ
図5.ｸﾗｲｽﾄﾛﾝﾋﾞｰﾑ電流減少率と励振RF電力の相関

５．考察
J-PARCﾘﾆｱｯｸの324,972MHzｸﾗｲｽﾄﾛﾝには大電流(～50mA)ﾋﾞｰﾑ加速時のﾋﾞｰﾑﾛｰﾃﾞｨﾝｸﾞを補償するため、帯域(-3dB)が中心周波数:fcの±5MHzを確保出来るよう設計されている。その一例として、972MHz初号機の離調周波数(第2,3,4空洞)を調整した際に得られた瞬時帯域特性を図4に示す。図3でﾓﾆﾀされた972±2.5MHz(主発振器の周波数成分)以外の周波数成分は、この帯域特性が入力反射波信号として観測されたと考えられる。言い換えると、ｸﾗｲｽﾄﾛﾝの入力側で出力特性の一部がﾓﾆﾀされたと言え、これは一度出力空洞まで到達し、その出力特性の情報を有した電子が再度入力空洞まで戻った、と考える以外説明出来できない。以上の考察より、ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ入出力特性の出力飛び領域にはｸﾗｲｽﾄﾛﾝ管球内を逆走する逆行電子が確かに生じていると言える。

参考文献[1]山崎正義, et al., “原研972MHz RFﾃｽﾄｽﾀﾝﾄの現状2”,
thProceedings of the 28 Linear Accelerator Meeting in Japan,
July30-August 1, 2003, Tokai, Japan, P363-P365[2]堀利彦, et al., “原研972MHz RFﾃｽﾄｽﾀﾝﾄﾞの安定動作R&D試験”, KEK Proceedings 2003-16, February 2004.
[3] M.Kawamura, et al., ” DEVELOPMENTS AND HIGHPOWER TEST OF THE 324MHZ PULSED KLYSTRON ”,

Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan,July12-14, 2000, Himeji, Japan, P198-P200[4]東芝電子管ﾃﾞｨﾊﾞｲｽ(株) 林、浦方氏とのPrivateCommunication[5] Z.Fang, et al., ”Investigation of Spurious Oscillation inKlystron Due to Back-going Electrons from Collector”,
Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting inJapan, July 12-14, 2000, Himeji, Japan, P216

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