大強度陽子加速器用超伝導空洞の高周波入力結合器
大強度陽子加速器用超伝導空洞の高周波入力結合器
加古永治1、野口高エネルギー加速器研究機構

修一
加速器研究施設〒305‑0801 茨城県つくば市大穂１ー１

概要
高エネ研と原研との統合計画である大強度陽子加速器では、４００ＭｅＶから６００ＭｅＶにおいて超伝導線形加速器が使用される予定である。この線形加速器に用いられる超伝導加速空洞として、周波数９７２ＭＨｚ， β ＝０．７２５のニオブ製９セル空洞が設計された。この空洞に取り付けられる高周波入力結合器について開発の現状を報告する。

１．はじめに−統合計画において超伝導線形加速器は、H ビームを４００ＭｅＶから６００ＭｅＶまでエネルギー増強するのに用いられ、加速された６００ＭｅＶの H−ビームは、第２期計画で行われるＡＤＳ実験に供給される。この線形加速器には、２台の９セル超伝導空洞を内臓した１１台のクライオモジュールが設置される予定である。超伝導空洞は、超流動液体ヘリウムにより２K まで冷却され、約１０MV／m の加速電界で運転される。この超伝導空洞に高周波電力を供給するのが入力結合器であり、空洞端のビームパイプに取り付けられる。大強度陽子加速器はパルス運転されるため、入力結合器での熱負荷は軽減されるが、一方、放射化に対する配慮を必要とする。ここでは、電磁界計算コード（HFSS）を用いて設計された入力結合器の高周波特性について報告をする。

２．超伝導加速空洞
プロトタイプの超伝導空洞として、図１に示すような β ＝０．７２５（４２４ＭｅＶ）のニオブ製９セル空洞（結合ポートなし）が設計された。このセル形状は、表１に示す加速モードの各パラメーターの最適化およびトラップモードと呼ばれる有害な高調波モードの除去などを考慮して、決定された[1]。

図１：９７２ＭＨｚ（０．７２５）超伝導空洞
表１：加速モードの基本パラメーター
1E-mail: eiji.kako@kek.jp

Esp/Eacc
Hsp/Eacc
R/Q
Geometrical factor
Cell-to-cell coupling

3.03
55.0
496.
206.
2.85

Oe/MV/mΩΩ%

３．入力結合器の高周波特性
3.1 入射電力および外部 Q 値
超伝導線形加速器は、ビーム電流(Ibeam)３０mA、ビームパルス幅１ ２msec、繰り返し２５Hz でパルス運転される。また、この超伝導空洞の加速電界(Eacc)は１０MV／m、同期位相(θ)は− ３０ｏである。この時、ビーム電力(Pbeam)との整合条件下における入力結合器の入射電力(Pinput)および外部 Q 値(Qext)は、次式で表される。

Pinput = Pbeam = Ibeam* Eacc* Lcavity* cosθ
Qext = ωU/Pbeam
ここで、Lcavity は空洞実効長、 ωは共振角周波数、Uは空洞内蓄積エネルギーでωU=(Eacc*Lcavity)2/(R/Q)により与えられる。ビーム電流３０mA において必要とされる入射電力は２５０kW であり、この時の外部 Q値として Qext= 8x105 が得られる。
超伝導空洞のパルス運転時に問題となるローレンツデチューニングによる加速電界の振動を抑制する手段の１つとして、外部 Q 値を下げることが有効である。したがって、Qext=5x105 および Pinput=300kW を本入力結合器の仕様とした。この時、バンド幅は2kHz、フィリング時間は 0.2msec となる。

3.2 高周波結合特性
入力結合器の外部 Q 値は、図２に示すような２つのアンテナを付けた単セルのモデル空洞において、HFSS により計算された。右側のビームパイプは、結合を強めるために拡げられ、φ８０の入力結合器用ポートが接続し、内部に５０Ωの同軸となるアンテナが突き出ている。ビームパイプの直径(φD)、アンテナ中心とセル端との間隔(L)、ビーム軸とアンテナ先端との距離(T)をパラメーターとして計算された。図２に示される結果より、L=95mm，T=35mm，φD=126mm が外部 Q 値として 5x105 を得るために適当な寸法となる。

この計算結果は、実際の銅製モデル空洞において確認される予定である。

４．入力結合器用各機器の設計
９７２MHz 入力結合器に関する機器の設計は、 ト
リスタン用５０８MHz 超伝導加速空洞に用いられた入力結合器[2]での経験に基づき、５０８MHz 入力結合器を参照することにより行われた。

4.1 同軸導波管変換器
９７２MHz 用同軸導波管変換器（ドアノブ）は、WR
９７５導波管と１２０D の同軸線路との間のモード変換を行う。内装されるドアノブ部分の外径および高さ、導波管の短絡板の位置をパラメーターとして最適化を行い、より良い整合条件を得るため、導波管の横幅を標準寸法より狭くした。図４に、設計された寸法形状およびその周波数特性の計算値を示す。
９７２MHz での VSWR の設計値は、1.05 であり、実機製作後の測定値は、1.16 であった。

107
Qext (9-cell)

L=95/120DL=90/120D
L=95/130D
L=90/130D
L=95/126D
Present Design
Initial Design106105010203040506070T [mm]図２：アンテナ寸法位置と外部Ｑ値との関係

3.3 高周波損失
空洞の共振周波数における空洞内部の電磁界分布を図３に示すように HFSS により求めることができる。
この計算結果に、空洞各部の表面抵抗を与えることによって高周波損失よる発熱を評価できる。加速電界１０MV／m のとき、アンテナ先端部での表面磁界は約２０００Ａ／ｍであり、入力結合器との接合フランジ近辺では約８００Ａ／ｍである（図２中、Initial Design の場合）。この時、デューティー５％のパルス運転において、銅製アンテナ先端部での発熱量は約２W、結合ポートの接合フランジ付近の幅3cm を常伝導のニオブとすると 0.2W 程度の発熱量が見積もられ、いずれも強制冷却の必要性の可否の判断に影響を与える値となる。

図４：同軸導波管変換器の周波数特性

4.2 高周波窓

図３：空洞断面電界（左）と空洞内表面磁界（右）高周波窓は外導体の内径を１２０Ｄとし、図５に示すようにセラミクスの両側に深さ 18mm のチョーク構造を有する。チョーク先端部とセラミクスとの間のギャップは、そこでの電界強度を少しでも緩和できるよう 3.5mm とした。セラミクス円板は、純度９５％のアルミナから製作され、その寸法は厚さ 7.mm、内径 32mm、外径 136mm であり、真空側表面のみ窒化チタン処理が行われた。図５に、設計された寸法形状での高周波窓の周波数特性を示す。９７２MHz でのVSWR の設計値は 1.15 である。

4.4 大電力試験
９７２MHz クライストロンを高周波源として、サーキュレーター、ダミーロード、WR９７５導波管などの大電力伝送回路に、図７に示すような入力結合器用テストスタンドを設置して、大電力試験が行われる。整合負荷時に、パルス幅 3msec で 350kW 以上の通過電力の達成を目標としている。

図５：高周波窓の周波数特性

4.3 結合導波管
入力結合器を真空容器に取り付け、大電力試験を行うための機器が結合導波管である。図６に示すように、WR９７５導波管にφ８０の入出力用ポートを開けて、２本の入力結合器を設置する。２本の入力結合器間の距離、導波管を短絡する背板の位置、アンテナの突き出し量をパラメーターとして計算を行った。
２本の入力結合器間の距離を 300mm とするとき、周波数特性に示されるように９７２MHz で ３番目の共振モードとなり、この時の VSWR は 1.05 である。

図７：９７２MHz 入力結合器用大電力試験装置

５．まとめと今後の予定
電磁界計算コードを用いて、９７２ＭＨｚ超伝導空洞に必要とされる入力結合器の仕様および寸法形状が決定された。また、設計された入力結合器用各機器の製作はすでに完了し、テストスタンドでの大電力試験の準備が現在進行中である。

謝辞
本論文の高周波入力結合器の製作に関して、古河電工（株）の川口穣氏、（株）東芝の矢野充教氏、三菱重工（株）の仙入克也氏に多大なご協力をいただきました。また、有意義な議論をしていただいた
統合計画ー超伝導空洞グループの関係者各氏に感謝いたします。

参考文献[1] E. Kako, “Cell-shape Design of 972MHz Superconducting
Cavity for High Intensity Proton LINAC”, Proceedings ofthe 25th Linear Accelerator Meeting in Japan, Himeji,Japan, July 12-14 (2000) p323-325.
[2] S. Noguchi, E. Kako and K. Kubo, “Couplers – Experienceat KEK”, Proceedings of the 4th Workshop on RF
Superconductivity, Tsukuba, Japan, Aug. 14-18 (1989)
p397-412.

図６：結合導波管の周波数特性