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 L-BAND, 10MW MULTI BEAM KLYSTRON
M.Irikura1, S.Miyake, A.Yano, Toshiba Electron Tubes & Devices Co., Ltd., Japan
S.Kazakov, A.Larionov, V.Teryaev, BINP, Russia
Y.H.Chin, KEK, Japan
Abstract
A 10-MW, L-band multi beam klystron (MBK) for TESLA linear collider and TESLA XFEL has been underdevelopment at Toshiba Electron Tubes & Devices Co., Ltd.(TETD) in collaboration with KEK. The TESLA requires
pulsed klystrons capable of 10 MW output power at 1300 MHz with 1.5 ms pulse length and a repetition rate of 10 pps.
The MBK with 6 low-perveance beams in parallel enables us to operate at lower cathode voltage with higher
efficiency. The design work has been accomplished and the fabrication is under way. We are going to start
conditioning and testing of prototype #0 in the middle of July 2004. The design overview will be presented.

Lバンド,10MW

マルチ・ビーム・クライストロンの開発

１．はじめに
東芝電子管デバイス株式会社は高エネルギー加速器研究機構と共同で、DESYが計画中のTESLA計画[1]およびXFEL計画 [2] に使用するLバンド10MWのマルチ・ビーム・クライストロン(MBK) E3736を開発中である。MBK E3736の設計パラメーターを表１に示す。
Litton 社 の Symons に よ る RF へ の 変 換 効 率 η とビームパービアンス P (I/V3/2)の関係を以下のようなスケーリング則として報告している [3]η (%) = 90 − 20 × P ( µ perv .)通常のクライストロンで1本の電子ビームを用いた場合は、パービアンスが3.4x10-6 I/V3/2 となるため30%以下の効率しか期待できない。動作電圧を上げることでパービアンスを下げ効率を向上させることが可能であるが、電子銃の耐電圧等を考えると実現可能な効率は最大50%程度と推定される。MBKでは複数の低パービアンスの電子ビームを用いることで、低い動作電圧で高効率動作が行えるのが最大の利点である。本クライストロンでは6本のパービアンス
表１．東芝E3736の設計パラメータ
Operating Frequency
1300
MHz
Peak Output Power
10MW
Average Output Power
150
kW
Beam Voltage
115kV
Beam Current
132AEfficiency>65%
RF Pulse Duration
1.5-2.0ms
Repetition Rate
10pps
Saturation Gain
47dB
Number of Beams
6
Number of Cavities
6
Cathode Loading<2.1A/cm2
Solenoid Power<4kW
が0.56x10-6 I/V3/2 の電子ビームを用いることで65%1以上の効率を目指している。本論文では以下にこのような特性を得るための設計の概要について述べる。

２．電子銃部の設計
MBK E3736は円周上に等間隔に配置された6個のカソードを有している。通常のクライストロンのように中心軸上を電子ビームが通過しないため、以下に示す検討が必要である。
・個々の電子銃にとって磁極形状が軸対象でないため、他の電子銃部ビームトンネルからの漏れ磁界の影響
・他の電子銃の電子ビームが作る磁界の影響
・個々の電子銃にとって電極形状が対象でないための電界分布の偏りと、他の電子ビームが作る空間電荷の影響以上を検討した結果、これらの影響は無視できるほど小さく、個々の電子ビームの軌道は2次元モデルでの解析で十分である。図１に2次元モデル(DGUN[4])で計算したシングルビームの電子軌道シミュレーションの例を示す。リップルの少ない良好な電子ビームが得られている。電子銃部に設置したバッキング･コイルによってビーム軌道を改善している。また、電子銃と入力空胴とのあいだに位置するマッチング･コイルによって軌道を調整可能である。

図１．E3736の電子銃設計
構造設計ではさらに、熱膨張による電子銃そのものの軸方向、径方向への移動、集束電極の非対称な

masao.irikura@toshiba.co.jp260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)

膨張がMBKでは問題となる。単一ビーム管と異なることは、各カソードが中心軸からずれているので、実際の動作温度における位置が組み立てるときの位置と異なるためである。そこで、ANSYSにより熱解析をおこなうことによって室温における寸法を決定した。図２はANSYSによる熱解析結果の例である。カソードが動作温度(約1000℃)に達した場合には、径方向で最大1.1mm、軸方向には最大1.7mm膨張することがわかった。そこで、この熱膨張による寸法変化を見込んで電子銃の部品および組み立て寸法を決定した。

図３は入力空胴と出力空胴をHFSS[5]で計算したモデルと結果を示している。空胴のQextは相互作用シミュレーションからの要求を満足するよう空胴カップリングを調整した。
空胴配置はビーム電圧の変化に伴う位相感度の要求を満たすために、第3空胴を高調波空胴とし全長を短くしている。空胴の相互作用のパラメータはFCI(2+1/2次元 PICコード)[6] にて最適化した。シミュレーションによれば、励振電力150Wにおいて効率は75%が期待できるという結果が得られている。
また、このときの出力空胴のギャップ電圧は115kV/cmで実用上問題ない値である。図４にFCIでのシミュレーション結果を示す。出力空胴部で逆行する電子も認められず安定した動作が期待できる。

図２．ANSYSによるシミュレーション結果

３．中間空胴設計ＦＣＩシミュレーション
E3736は6空胴をもつクライストロンである。各空胴 は 各ビームに共通なリング形状をした、TM010モードで動作する同軸空胴を採用した。同軸構造をとることで空胴径を大きくとれ、6本のビームを空胴内に等間隔に配置したことで、ビーム管の間隔を大きくすることができ、その結果、カソード･ローディングを2.1A/cm2 以下とすることができた。カ
ソードローディングは電子銃の寿命を決定するとなる重要なパラメータであり、2.1A/cm2以下に低減できたことで、要求される期待寿命40,00時間を達成できる値である。
0-0.5-1S12 (dB)

-1.5-2-2.5-3-3.5-4-4.5-51.298

1.29851.299

1.29951.31.3005

1.301

1.3015

1.302

1.32

1.325

f (GHz)0-0.5-1S11 (dB)

-1.5-2

図４．FCIによるシミュレーション例

４．出力窓
E3736はパルス幅が長く平均パワーが高いので、電圧のピーク値を半減させるために2つの出力窓を備えている。
出力窓はpillbox窓とし、出力導波管はWR650である。空間配置の制限から、出力空胴とは扁平導波管で結合させている。また、扁平導波管側にポストを設けて反射が最小になるよう調整した。図５は出力部のHFSSでのモデルと計算結果を示したものである。

-2.5-3-3.5-4-4.5-5
1.275

1.281.285

1.29

1.295

1.3

1.305

1.31

1.315

f (GHz)

図３．入力空胴および出力空胴のモデル

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外観写真で2004年7月中旬より試験を開始する予定である。試作管の全長は2.2m、重量は約330kgである。

扁平- 標準導波管 Pillbox のStad付とCe ra偏心の比較
1.50
Ox=6.85cm, Oy=6.03cm, eps98

1.45

Ox=6.7cm, Oy=6.03cm, eps96

1.40

Cera偏心窓

1.35
1.30

ＶＳＷＲ

参考文献
[1] TESLA, “The superconducting Electron-PositronCollider with Integrated X-ray Laser Laboratory,
Technical Design Report, DESY 2001-011, ECFA
2001-209, TESLA report 2001-23, TESLA-FEL
2001-05, March 2001
図５．出力部のモデルと計算結果[2] TESLA XFEL, First Stage of the X-Ray LaserLaboratory, Technical Design Report Supplement,
DESY 2002-167, TESLA-FEL 2002-09, October
５．まとめ
2002
以上、MBK E3736の設計をKEKと共同して行った。 [3] R.S. Symons, “Scaling laws and power limits for
各空胴は各ビームに共通なリング形状をした、
klystrons”, IEDM, 1986
TM010 モードで動作する同軸空胴を採用ことで、カ [4] BINP,VLEPP DGUN User's Manual
ソード･ローディングを2.1A/cm2 以下とすることが [5] Ansoft Corporation, HFSS ３ D EM Simulation
でき、これによって長寿命動作が期待できる。通常software for Rf 6 wireless designの単ビームのクライストロンと異なり、中心軸を通 [6] T. Shinkake, KEK Report 90-3, May 1990
らない各ビームの相互作用等の検討から、2次元の計算での十分な精度が得られるよう、磁場設計を行った。カソードが動作温度に達した際の電極の熱変形はMBK設計において重要である。
本設計はDESYとの間で2003年7月にレビューを行い、本設計に基づいてプロトタイプを試作することを合意した。図６は試作したプロトタイプ1号機の
1.25
1.20
1.15
1.10
1.05
1.00

1.2

1.22

1.24

1.26

1.28

1.3

1.32

1.34

1.36

1.38

1.4

周波数 f(GHz)図６．MBK E3736の外観

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