The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

JAERI ERL-FELのための高周波基準信号ケーブルの安定化
永井良治、沢村勝、菊澤信宏、羽島良一、西森信行、峰原英介
日 本 原 子 力 研 究 所 光 量 子 科 学 研 究 セ ン タ ー g 由 電子 レ ーザ ー研究 グル ープ〒319-1195 茨 城 県 那 珂 郡 東 海 村 白 方 白 根 2-4

概要
原 研 エ ネ ル ギ ー 回 収 型 リ ニ ア ッ ク 駆 動 自 由 電 子 レーザ
一 (JAERIERL-FEL)の安定性向上のために、高周波基準信号分配用ケーブルの電気長を室温および大気圧の変動に対して安定イ匕した。室温の変動に対しては、一般的に電気長温度安定性の高いことが知られている同軸ケーブル(絶縁体に高発泡ポリエチレンを使用したケーブル） に温調を施すことにより安定化を行った。大気圧の変動に対しては、温調の設定温度を適当に選ぶことで、その影響を小さく出来ることが分かった。その結果、当初の目標通りにす べ て の 高 周 波 回 路 間の位相の変 化を ±0.1deg.以下に出来ることが分かった。

1

はじめに近年の高輝度ビーム用加速器では、加速空洞内の高周波電場の非常に高い安定性が要求される。この高周波電場の安定性は短時間のみならず年間を通しての安定性•再現性が要求される。加速空洞の高周波電場はそれぞれのロ一レベル 制御回路により制御されているので、加速空洞間の位相の相関は各ロー レベル 制御回路に分配される高周波基準信号により保証される。この高周波基準信号と加速空洞からの高周波電場モニタ信号は同軸ケーブルによりロ一 レベル 制御回路へ導かれているので、同軸ケーブルの電気長の変化の影響で各空洞間の位相の相関にずれを生じてしまう。大きな加速器であればこれらのケーブル長は数km に及ぶので、高周波基準信号の分配方法については十分に配慮しなければならず、安定化した同軸ケーブルや光ファイバーを用いた高周波基準信号の分配方法についての研究がなされて Vヽる[1-6]。
JAERI ERL-FELでは安定な自由電子レーザーの出力を得るためには、加速器の位相安定度は年間を通じて少なくとも±ldeg.以下の値が要求されており [7]、FEL 光の利用
実 験 で は よ り 高 い安定度が求 められること から ±0.1deg.
以下の位相安定度を目標としている。しかし、長時間での位相ドリフトのために、運転の度に位相の再調整が必要であるのが実状であった。この長時間での位相ドリフトのー
因は、ローレベル制御回路に用いているミキサー、検波器および位相器の温度依存性であることが既に分かって Vヽる[8]。 この対策として、すべての素子を恒温槽内に収めたローレベル制御回路を現在試作中である。長時間位相ドリフトのもうひとつの原因が、環境の変化による高周波基準信号用同軸ケーブルの電気長の変化である。本報告においては、室温および大気圧の変動に対しての同軸ケーブルの電気長の安定化について報告する。

2ケー ブ ル 電 気 長 の 変 化 の 計 測

実際の加速器室内の環境でのケーブルの安定度を試験するために、加速器室内に実際と近い状態で試験ケーブル(Heliax-FSJl、13.7m)を敷設して、加速器室内の環境の変化による同軸ケーブルの 499.8MHzに対する位相の変化をDouble-Balanced Mixer (DBM)で測定し、汎用レコーダを用いて室温、大気圧、DBM の出力を記録した。測 定 は 図 1に示すように、発振器からの出力を分岐して二つの DBMでより行った。一 方 の DBMではケーブルの電気長の変化による位相の変化を計測し、 もう一方の DBMは DBM 自身の温度特性の補正に用いた。ケーブルの温度特性を測定
す る 方 の DBM では、位相の測定精度を高くするために、出力が 0V 付近になるように位相をトロンボーンで調整した。 DBM の 温 度 特 性 正 用 の DBM は出力が最大になるように位相を調整した。 トロンボーンは長さ lm 程度の中空の同軸管であるので影響は少ないが、その温度係数として 銅 の 線 膨 張 率 16.2ppm/°Cを用いて測定結果から差し引いた。発振器からの出力は実際の使用状況を模擬するよう+10dBmで行った。
Oscillator
499.8 MHz, +10dBm

3

室 温 変 動による電気長の変化

一般的な同軸ケーブル（
RG-217/Uなど） では絶縁体の誘電率 は負の温度係数をもち、導 体 の 線 膨 張 係 数 よ り 1桁以上大きいために、電気長の温度係数は -100ppm/°C程度であることが知られている。また、絶縁体として高発泡ポリエチレンを 使用した ケ ー ブ ル (Heliax-FSJlなど） では
導体の温度係数と絶縁体の誘電率の温度係数が正負反対で同程 度と な る た め に 数 ppm/°C程度以下の電気長温度安定性が得られることが知られている。 図 2 に Heliax-FSJlに温調を施さずに加速器室内に敷設した場合の計測結果を示す。室温に対する位相の変化の様子をプロットし、ケ一 ブ ル 電 気 長 の 温 度 係 数 を 求 め た 結 果 、 Heliax-FSJlの499.8MHzに対する位相の温度係数は -3.69X l(T3deg/m°Cであった。 Heliax-FSJlの 波 長 短 縮 率 は 84%であるので電気長の温度係数は -5ppm/°Cである。

The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

0130o8p°w 28g24o

H

40Qo

包 26o.

茂2BPhase (deg.)

638 22o土2003/5/11

03/5/12

03/5/13 03/5/14
Time03/5/15

03/5/160.0

03/6/603/6/703/6/8Time03/6/903/6/10

0.50

-0.35

ぶ( 9P ) 3SBs qf 9D )9-0.40

OH -0.50

2udb

-0.45

25.0

25.5

26.0
26.5
27.0
27.5
Room TemDerature ( C )

5
3.

cdo
4*

OT

0.30
24.0 24.5 25.0 25.5 26.0 26.5 27.0 27.5 28.0
Room Temperature (°C )28.0

図 2 ： Heliax-FSJl の安定度

図 4 ：温 度 調 節 し た Heliax-FSJl の 安定度( 上 ：時 間 変 化 の 様 子 、 下 ：室 温 と 位 相 の 相 関 ）( 上 ：時 間 変 化 の 様 子 、下 ：室 温 と 位 相 の 相 関 ）室温の変動にたいする安定度を向上するために

H eliax-F S Jl に 図 3 に 示 す よ う な 温 調 を 施 し し た 。 この温イ ル と 断 熱 材 で 覆 い 、冷 却 水 は 恒 温 循 環 水 槽 に よ り 温 度 調
節 す る と い う 非 常 に 安 価 で 簡 単 な も の で あ る 。アル^ミホイ
ルは輻射による熱の出入りを最小にし銅パイプと同軸ケ
一 ブ ル を 同 じ 温 度 に 保 つ た め に 巻 か れ て い る 。ま た 、断熱材は冷却水管の結露防止に用いられている安価なものを用いこれにより伝熱による熱の出入りを抑えている。

Heat Insulator

Aluminium Foil

大 気 圧 変 動 に よ る電 気 長 の 変 化

4

調機構は冷却水の通つた銅パイプとケーブルをアルミホ

室温以外にケーブルの電気長に影響を与える環境要因と し て は 大 気 圧 の 変 動 が 考 え ら れ る 。即 ち 大 気 圧 に よ り ケ
一ブルの外導体が変形しケーブルの電気長が変化することが 考 え ら れ る 。図 4 の 測 定 を 行 っ た 時 の 大 気 圧 と 位 相 の時 間 変 化 の 様 子 を 図 5 に示す。こ の 図 か ら 、位相の変化と大 気 圧 の 変 動 に は 相 関 が あ る よ う に 見 え る 。そ こ で 、室温と 大 気 圧 の 位 相 変 化 に 与 え る 影 響 を み る た め に 、重 回 帰 分
析によりそれぞれの偏回帰係数を求めた6室温と大気圧のそ れ ぞ れ の 偏 回 帰 係 数 は - 1.39 X 10_4deg./°Cm (-0.2ppm/°C)と- 6.86X10_4deg./hPam (-0.96ppm/hPa) で あ る 。 即 ち 、ケ
一 ブ ル に 温 調 を 施 す こ と で 、室 温 の 変 動 に 対 す る 安 定 度 は
向 上 さ れ た が 、室 温 変 動 の 影 響 の 影 に 隠 れ て 見 え な か っ た
大気圧変動の影響が顕著になってきたということである。

cd

Cooling Waterter(1/2” Copper-Pipe)

1030

PHぶ

Coaxial Cable0> 1025

図 3 ：同 軸 ケ ー ブ ル 温 度 調 節 機 構

1020

温 調 機 構 の 設 定 温 度 を 20°Cに し た 場 合 の 温 調 試 験 ケ ーブ ル の 測 定 結 果 を 図 4 に示す。室 温 の 変 動 が 位 相 に 与 え る1015

影 響 は 非 常 に 少 な い こ と が 分 か る 。試 験 ケ ー ブ ル の 室 温 変
動 に 対 す る 499.8MHzの 高 周 波 に 対 す る 位 相 温 度 係 数 は 相1010

関 図 よ り 7.15Xl(T4deg./°Cm (l.0ppm /°C ) で あ っ た 。 しかし、相 関 図 に お い て 相 関 係 数 が 0 .2 6 で あ る こ と か ら 位 相の変化に室温以外の要因が強く寄与していると考えられ、
正 確 な 温 度 係 数 を 得 る た め に は 、室 温 変 動 以 外 の 要 因 の 寄与についても考慮する必要がある。

03/6/603/6/7

03/6/8Time03/6/903/6/10

図 5 ：大 気 圧 と 位 相 の 変 化 （設 定 温 度 ：20°C)
大 気 圧 の 年 間 の 変 動 を ± 3 0 h P a と す る と JAERIERL-FEL で 使 用 す る 最 長 の ケ ー ブ ル は 23m で あ る の で 、
大 気 圧 変 動 に よ る 位 相 の 変 化 は 土 0.5deg.になって し ま うThe 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003の で ±0.1deg. の安定度を達成するためにはケーブルにかかる大気圧の影響を何らかの方法で緩和する必要がある。
0.0 10°百 -1.0 10"4免 -2.0 10"4^ -3.0 10"4fe* -4.0 10"4U -5.0 10"4xA
A
H - 6.0 10'4

Oh-7 0 10"4182022242628Set Temp. (°C)

3032

図 6 : 設定温度による大気圧の影響の変化

ぶ ) 3Jnss3J0U3H SOSJV(d参考文献«Jeu

CU03/6/2003/6/2103/6/2203/6/23

Time
図 7 ：大 気 圧 と 位 相 の 変 化 （設 定 温 度 ：30°C)
そこ で 、ケーブルの温調機構の設定温度を変えて 、 大気圧の影響を調べてみた結果を図 6 に示すように、設定温度 を 30°C程度にすることで大気圧の影響を緩和することが出来ることが分かった。30°Cに設定した時の大気圧と位相の変 化の様子を 図 7 に示す。大気圧の変動の影響が図 5と比べて小さくなっていることが分かる。また、この時の室 温 と 大 気 圧 の そ れ ぞ れ の 偏 回 帰 係 数 は -1.86 X
10"4deg./ °C m ( -0.3ppm/ °C ) と -1.02 X 10"4deg./hPa m(-0.14ppm/hPa)であった。 この結果から室温の変動を土3°C、大気圧の変動を土 30hPa とした場合の各高周波機器間での位相変化量を表 1 にまとめて示す。ただし、機器間の接続のために温調をかけられな Vヽ部分があるので、この長 さ を 2m として全体の位相変化量を見積もった。
表 1 : 高周波基準信号ケーブルの安定度5器およびロー レベル制御回路を加速器近傍に配置し、一般的に電気長温度安定性の高いことが知られている同軸ケ一 ブ ル （こ こ で は Heliax-FSJlを使用した） を用い、簡易な温度調節を施すことで各高周波機器間での位相変動を±0.1deg.以下にすることが出来ることが分かった。 また、温調により室温の変動の影響を小さくしていくと、大気圧の変動による影響が見え出すが、温調の設定温度を適当に選択することで、大気圧の変動の影響を緩和できることが分かった。
今回得られたケーブルの安定度は JAERI ERL-FELでは十分なものであったが、同軸ケーブルがより長くなった場合 （数 100m程度）であっても、断熱材や恒温循環水槽を強化し、気圧変動などの要因を排除することで十分な安定度が得られるものと考えられる。

機器

ケ 一 ブ ル 長 （m)位相変化量 （土 deg.)

電子銃

120.06

SHB120.06

SCA#160.04SCA#260.04

SCA#3230.10

SCA#4230.10

まとめ高周波基準信号分配ケ一ブルおよび空洞内電場モニタ用ケーブルを出来るだけ短くするよう考慮して、基準発振[1]H. Hayano and E. Ezura, Proc. of the 1987 Part. Accel.Conf.
(1987) 1663-1665.
[2] A. Krycuk, et al., Proc. of the 1991 Part. Accel.Conf. (1991)
1470-1472.
[3] K. Crawford, et al., “The CEBAF Fiber Optic Phase
Reference System”, Proc. of the 1995 Part. Accel.Conf.
(1995).
[4] A. Gamp, et al., Proc. of the 1998 Linear Accel.Conf.
(1998) 204-206.
[5] T. Naito, et al” Proc. of the 2001 Part. Accel.Conf. (2001)
791-793.
[ 6 ] 小 林 鉄 也 、 他 、 Proc. of the 27th Linear Accelerator
Meeting in Japan (2002) 302-304.
[7] T. Shizuma, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 475 (2001)
569-573.
[8 ] 沢村勝、他 、Proc. of the 25th Linear Accelerator Meetingin Japan (2000) 201-203.