Proceedings of the 18th Linear Accelerator Meeting in Japan, Tsukuba, 21-23 July 1993

R F CONTROL OF ICR PROTON LINACToshiyuki SHIRAI, Hideki D E W A , Hirokazu FUJITA, Masanori IKEGAMI,Yoshihisa IWASHITA, Shigeru KAKIGI, Hiromi O K A M O T O ,Akira N O D A and Makoto I N O U E
Nuclear Science Research Facility, Institute for Chemical Research, Kyoto University
Gokanosho, Uji-city, Kyoto 611, JapanABSTRACT
At the ICR Kyoto University, the proton linac has been developed. The R F high power is fed into thecavity from the klystron and the R F pulse width is 65 (isec. The R F amplitude and the phase in the cavity
are affected by the b e a m loading and the pulse shape of the klystron cathode voltage. The fast R F
stabilization system are required to accelerate the high current beam stably.
The stabilization system consists of the auto level control (ALC) and the phase locked loop (PLL). The
designed band width is more than 1 MHz. The main modules of the circuit are the PIN diode attenuator,
the fast phase detector, the phase shifter and the wideband feedback amplifier. The variation of the R Famplitude and the R F phase are 0.5 % with A L C and 5°with PLL, respectively.

京 大 化 研 陽 子 線 形 加 速 器 の R F 制御
1 . はじめにに、加速空胴内部の高周波電場が安定していること

京大化研では、 7 M e V 陽子線形加速器を開#しが求められる。 しかし実際には、共振周波数は温度ており、現在ビーム加速テストをおこなっている。

によって変イ匕し、 また、 ビームローデイングや、高この加速器は、 2 M e V 高 周 波 四 重 極 （R F Q ) 型

周波電源の変動などにより、加速空胴内部の電界強加 速管 、 A / 4 共 振 器型 バ ン チ ャ ー と 7 M e V アル度 、およびその位相も変動する。従って、高周波のバレ型加速管から構成されている [1]。

制御システムが必要となる。

こうした大電流用線形加速器では、 ビームを失うことなく加速し、出力ビーみの質を一定に保つため

2 .京 大 化 研 L i n a c の高周波系
この加速器は運転周波数として、通常の陽子線形加速器よりも 2 倍以上高い 、 4 3 3 M H z を採用しBeamlineている。 それにより、高周波電源としてクライストロンが利用可能となり、従来に較べ、電源システム

表- 1

クライストロン電源の主要パラメ一夕一

Klystron
R F frequency
Peak power
Pulse width
Duty factor
Cathode voltage
Gain
Efficiency
図- 1

L i n a c の局周波系

L-5773 (Litton)
433.3 土1 M H z
1.1 M W (Max.)65 (iSec
1 % (Max.)
90 k V
41 dB (typical)
56 % (typical)

共振 周波 数の 変 動は 主に 、室温の変動と運転のの単純化をはかることが可能となっている。

バーとして出力 3 0 0 W の固体高周波増幅器が用いDuty Factorの変化よって引き起こされる。 その変位 量 は R F Q 、 アルバレ型加速空月同で1 0 k H z 以内であり、バンチャーで 8 0 k H z である。R F Qられている。 クライストロンの出力は導波管 （WR型加速空胴の場合、 その共振周波数に高周波の発振2 1 0 0 ) で 伝送され、導波管型のサーキユレーターを通して加速管に供給される。 クライストロン

周波数を追随させて補正している。バンチャ一、 ア
ルバレ型加速空胴については、チューナーを用いての 主要パ ラ メー ター を 表 1 に示し、図-2 にクライ共振周波数の補正が行われる。

ストロンの入力電力と、出力電力のおよび増幅率の関係を示す。周 波 数 は 4 3 3 . 3 M H z である。実際

高 周波電 力の 強度 、位 相 の 変 動 原 因 の 一 つ は 、ビームローディングである。 アルバレ型加速管の場に加速空胴で必要な電力は、 ビーム電流 3 0 m A の合 、空胴による高周波電力の消費が 3 4 0 k W であ時に、 R F Q で 6 0 0 k W 、 アルバレで 4 9 0 k W

るのにたいし、 ビームローディングによる電力の消であるため、十分な出力の余裕を持っている。バン

費 は 、 ビ ー ム 電 流 3 O m A の と き 1 5 0 k W にな

この高周波電源系を図 - 1 に示す。 クライストロンはリットン社製 L - 5 7 7 3 であり、 そのドライチャーの高周波電源には出力 5 0 0 W の固体高周波る。 これは電界強度、位相の両方に強く影響する

3増 幅器 と 出 力 7 k W の 三 極 管 （Eimac 8438 ) を用が、現状では入力ビーム電流が、 こ の 1 / 1 0 0 程

い て い る [2]。

度と低く、影響はまだ実測されていない。
4別 の 原 因 と して 、高周波電源の変動が挙げられる。 なかでもクライストロンの力ソード電源の変動

4001604が出力に強く影響する。 この変動には電源周波数に{0起因した遅い成分と 、 1 マクロパルス内部で変動す08Mる速い成分とがある。前者の原因はクライストロン

4«p ) BO

02u l ae06.
S004

力ソード電圧のゆらぎで、電圧の変動は 0 . 5 %、 それによる出力 R F 電力の変動は 0 . 7 %、位相変動が2 ° である。後者は、 クライストロンのモジュレ一0量 が存 在す る為 、一 定 の 時 定 数 を も っ て 、 フロー0?3ond

ティングアノ一 ドと力ソード、 コレクタ間に寄生容2010130iii

I I I ■ i i I ■ I I i i I i. ■ ■ ■ I I I . ■ ■ ■ I

6090120150

ティングアノ一 ドの電位が変化するために起こる。

84i 1マ6

この対策として、 2 1 0 p F の補償コンデンサ挿入180

した。 この結果改善されたが、依然として、出力 R

Input RF power (W)

図-2

F 電 力 が 1 % 、位 相 は 1 6 ° も 1 マクロパルス内で変動している。

クライストロンの出力特性

Phase
ShifterPIN
DioふATTPIN
DiodeSW

Klystron(L-5773)

CavityRF Pickup

Phasedetector

図-3

R F 制御回路ブロック図フィ一ドバックアンプには高速〇 P アンプを使用しており、その応答速度は 2 M H z 以上、増幅度は3. A L C , P L L
Auto Level Control (ALC)、Phase Locked Loop(PLL) は R F 電力、位相をそれぞれ、 1 % 、 1 ° 程

2 0 d B 以上にとってある。位相検出器には 、E C
L - D フリップフロップを用いており、 5 M H z で度の変動に抑える こと を目 標と して いる 。 そのブ動作している。

ロック図を図 -3 に示 す [3]。 この回路が 3 個の高周高周波の段階で制御をおこなうもので、空胴のピッA L C 回路において、最も時定数が問題になるのは、振幅変調器である。 これには Pin Diode Mixerを用いている。 図 - 4 は コン ト ロー ル 信号の周波数クアップで検出した高周波信号と基準信号を比較を変化させたときの、通過高周波の位相変化を示しし、 その結果をフィードバックアンプを通して、高たものである。 これから、 2 0 0 k H z 程度で、位周波振幅変調器、高周波位相器にフィ一ドバックを相が回転していることが分かる。 これは主に、 このかけている。高周波のパルス幅が 6 5 fiS であるたは、 A L C 、 P L L のループ内の各要素には、バンP I N ダイ才ードの特性によるものである。
P L L 回路では、高周波位相器が時定数を決めている。 これは、 9 0 ° ハイブリッドとダイオードでド幅1 M H z 以上の高速な応答が求められる。 しか構成された受動素子であるが、内部にコンデンサーし、加速空胴は、 Q 値が高く、応答速度が遅いのはを持つため応答速度に限りがある。 この応答速度

波空胴それぞれについている。 この回路は低レベルめ、発振せずに安定したフィ一ドバックをかけるにや むをえないため、 その次に応答速度の遅い素子が、 図-5 に示してあるもので、 ポ ー ル が 2 M H zが、制御系全体の時定数を決めることになる。

程度に存在している。
実際に A L C 、 P L L を動作させたときと、 させないときの、 R F Q 加速空胴に取り付けられたピッ8で測定している。 図 の上 部 分 に あ る T T L パルス

ル ス の フラットトップを拡 大 し て 、 才シロスコープ^2- 040(sap)sqs asBS000 64

ク アップ モ ニ タ ー の 出力を示したのが、図- 6(a)、(b)である。 図-6 (a)は、高周波出力を検波して、パ

0-は、 A L C が動作しているタイミングを示している。 A L C - O F F の時に、 1 . 5 %であったパルスの傾きが 0.5 %程度まで小さくなっていることがわかる。

1801101001000

Frequency (kHz)図-4図-6 (b)はピックアップ出力を基準 R F と共に、位相検出器を通し、位相出力をモニターしている。

振幅変調器の周波数特性

図の上部分にある T 丁 L パルスは 、P L L の動作タイミングを示している。 パルス内の位相の傾きは

h ljh _nmat ma^ m m —は、 P L L - Q F F で 1 6 ° であったものが 、P L

jbw iは、到達していない。

4 . R F ブースト
アルバレ加速管は、 Q 値 が 4 万と高いため、ノ、。
ノレ

6(sap)sqs ascqj

OO C
1 O2O O
3 O O 4O 5

L - Q N で、 5 ° 程度になった。 この値は、実際の運転上 は許 容範 囲内 であ るが 、 1 ° という目標にスの 立上 り に 2 5 パ S 程度を要し、 ビーム加速に用7いることの出来るパルス幅は、残 り 4 0 芦 S 程度と8なる。Duty factorを増やす点からは、少しでもこ1C

図- 5101001000

Frequency (kHz)

位相器の周波数特性10000の幅が 長 い ほうがよ い。 A L C をパルスの立上り部分でも動作させて、立上りを早めることは、可能ではあるが、発振しやすく不安定で ある。 そこで、ビームローデイング補償等に用いられる、パルスの(a)一部分の高周波レベルをひきあげる R F ブーストの手法を、 パルスの立上りに適用することにした。
図- 7 が、 その結果を示している。 図- 7( a) 、 (b)ともに、上側が入力高周波電力、下が加速空胴内部の高周波レベルである。 この結果から、 ビーム加速に利用できるフラットトップのパルス幅が 、 1 0 &

S 増加して 、 5 0 卢 S になっていることがわかる。
(b)5 . 結論と今後の課題
A L C 、 P L L によって加速管内の高周波電力の変 動 は 0 . 5 % 以内となり、位相変動も 5 ° 以内におさまるようになった。 これは、通常の運転には十分な値である。 パルスのフラ ットトップに関しては、パルスの 立上り時点で働く R F ブ ー ス ト回路に より、 5 0 バ S が得られるようになった。

S50.

750.(

今後の課題としては、 さらに位相変動などを抑制するために、各要素の高速化をはかる必要がある。

図- 7

特に 、 PIN diode attenuator、 Phase shifter の高(a)速化が必要である。 また、現状では、加速器の入射RF B oost Circuit

Boost ON; (b) B oost OFF

ビーム電流がd 、さいため、 ビームローデイングの存在しない状況でのテストしか行っていない。 その影響が顕著になった段階で、再度調整(a) with ALC(a) without ALC

I (b) with PLL(b) without PLLが必要になると思われる。
参考文献[ 1 ] M.Inoue et a l” ”Status ofthe Kyoto University
Proton Linac andDevelopment of the 4-Rod
RFQ Ion Implanter",these proceedings.
[2] H.Dewa et al., "Study ofDouble Gapped Buncher
for the Proton Linac",these proceedings.
[3] Y.Iwashita et a l .,M7 MeV
Proton Linac”, Proc. of .90
Linear Accelerator Conf.,
Alburquerque, 746 (1990)
図- 6

A L C 、 P L L の 動 作 （1 0 |is e c /d iv , 4 7 d iv )(a)

RF Amplitude with ALC and without ALC.
(b)

RF phase with PLL and without PLL.