20 MWおよび高効率8 MW Xバンド
クライストロンの設計と試験結果

キヤノン電子管デバイス株式会社
電力管技術部
阿武 俊郎（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

発表内容
◼ はじめに◼ 20MWクライストロン
設計と試験結果（11.4GHz管と12GHz管）◼ 高効率8MWクライストロン
1号機の設計と試験結果

2号機の設計と試験結果◼ まとめ（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

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はじめに
1. 近年ハイパワーXバンドクライストロンの需要が高まっている (主に11.4GHzと12GHz)➢ Xバンド加速器に関連する技術が発展➢ コンパクトかつ高勾配な加速器を実現可能
2. 加速器の省エネ化やアップグレードにおいてクライストロン高効率化が求められる

当社は複数のXバンド管を開発
2019～2022年

2018～2022年

20MWクライストロン(11.4GHz & 12GHz)

高効率8MWクライストロン(12GHz, CERNとの共同開発)

各周波数での新たな需要に対応

既存6MW管(43%)を高効率化しCERN Xbox-3をハイパワー化（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

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20MWクライストロン 設計
設計• 市販モジュレータの仕様に合わせた電子銃• 空胴部は既存の6MW管からスケーリング• 11.4 GHz管と12GHz管それぞれを設計• 5空胴, 出力空胴は3セルπ/2モード進行波• 繰り返し数最大400ppsに対応する冷却
コレクタ

電子銃

DCビーム軌道(DGUN, 集束磁界あり)

主な仕様と設計
Parameter
Beam voltage
Beam current
RF pulse width
Pulse rep. rate
Output power
Efficiency
Drive power

Unit
kVA
μspps
MW%
W

Spec.
290 max.
195 max.
1.5 max.
400 max.
20 min.
400 max.

Design265
170
1.54002044120

クライストロン
高さ1.3m
300kg55kV/mm
at 20MW3セルπ/2モード(HFSS)

RF動作時ビーム軌道(FCI)（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

3D CADモデル

集束コイル
直径0.77m
700kg
420MWクライストロン 試験結果
RF output• 11.4GHz管は2021年5月に試験• 12GHz管は2022年2月に試験• いずれも20MW安定動作を確認
Voltage

Current

Xバンドクライストロンの新たな選択肢
RF input

試験結果
Parameter
Unit
FrequencyMHz
Beam voltagekV
Beam current
A
RF pulse width μs
Repetition rate pps
Output power MW
Efficiency%
Drive power
WSpec.
290 max.
195 max.
1.5 max.
400 max.
20 min.
400 max.

* 試験時モジュレータの制約による値** お客様仕様による指定値（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

E37116
E3711811424 11988.889 **
270270183
181
1.5
1.530 *
10 **
20.0
20.0
40.6
40.9
12015620MW動作時波形(11.4 GHz管E37116の例)

クライストロン外観5高効率8MWクライストロン 設計
電気設計はCERNで実施し当社でも確認。当初は全長の長い設計だったが、第二高調波空胴を用いて全長を短くし既存の集束コイルに取り合う設計とした。
設計 1➢ 全長が長い➢ 新規集束コイル

設計 2➢ 第二高調波空胴➢ 設計1より短い➢ 新規集束コイル
設計 3➢ 第二高調波空胴➢ 従来製品と同じ長さ➢ 既存の集束コイル（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

効率：58.6%
効率：56.4%

効率：56.4%
この設計に決定6高効率8MWクライストロン 設計
第二高調波空胴は電子との結合を高めるため3セルπモード。各シミュレーションコードは近い結果を示した。
各空胴での変調の強さ

出力空胴での電子の速度

出力空胴の電子と電界強度分布

出力信号(200 ns)
Eff.=58.1%

電子の速度

FCI

第二高調波空胴(πモード)

最大電界強度87 MV/m

KlyC and CST simulation by J. Cai and I. Syratchev

Parameter

電子のエネルギー（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

KlyC CSTFCIBeam voltage [kV]

154

154

154

Beam current [A]

9494

94

Drive power [W]

80

80

80

Output power [MW]8.31 8.16 8.16

Efficiency [%]57.4 56.4 56.47高効率8MWクライストロン #1試験結果
2021年12月に初号機の試験を実施。低い電圧からダイオード運転(RF励振なし)で発振が起こった。
Voltage [kV]
85 - 125

Frequency [GHz]22.5

92 kVでの22.5 GHz発振の例
第 二 高 調 波 空 胴 の TM01 π/2 モ ー ド(22.5 GHz)が疑われた。

Voltage [kV]
107 - 125

Frequency [GHz]21.9 - 22.0

125 kVでの21.9 GHz発振の例
固有モード解析から複数の空胴で結合したTEモードが疑われた。

不安定が無い70kVでは電子はほとんど集群しないためRF出力は数kW。
（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

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高効率8MWクライストロン 発振対策
シミュレーションによる発振の解析をCERNでスタートした。KlyCとCSTのシミュレーションにより第二高調波空胴のTM01 π/2モードの発振電圧の範囲は測定結果とよく一致した。

発振範囲70～125 kV (Ff=0.8)
実測に近い結果: 大きいビーム径: 通常のビーム径: 細いビーム径:ビーム電流不安定領域

KlyCでの発振開始電流シミュレーション結果(黒線より下が不安定領域)

CSTシミュレーションによる発振による電子ビームの軌道(92kV)※KlyCシミュレーション手法は下記による
J.C. Cai, I. Syratchev and G. Burt, ‘Accurate Modelling of Monotron Oscillations in Small- and Large-Signal Regimes’
IEEE Trans. on Electron Devices, vol.67, issue.4, pp. 1797 - 1803, April 2020.
（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

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高効率8MWクライストロン 発振対策
対策設計
3セルの空胴間隔を短くすることで発振を回避できることが分かった。しかしこの場合はより発振リスクの低い2セルとしても電子の集群効果が変わらず、3セルのメリットがないため2セルに変更した。
空胴間隔3セル
(TM01 πモード)
安定領域

設計変更
2セル
(TM01 πモード)

不安定領域

KlyCでの発振開始電流シミュレーション結果(0モードについて)（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

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高効率8MWクライストロン 発振対策
0 mode107kV以上の発振では複数の周波数があり、固有モード解析から第2～第4空胴で結合したTE11 0、π/2モードと推定。
各モードの安定性を以下の手法で計算し実測とよく一致。

pi/2 modepi mode不安定条件：Q0/Qbeam< -1
Q0 : モードのQ値
Qbeam: ビームローディングQ値

緑丸：測定点-1

Q0 は固有モード解析から求める。Qbeamはそのモードの電磁界分布がある時と無い時でビームパワーをそれぞれ計算し求める。

J.C. Cai, I. Syratchev and G. Burt, ‘Numerical Analysis of Resonant Multipolar Instabilities in High Power Klystrons’, IEEE
Trans. on Electron Devices, vol.68, issue.7, pp. 3617 - 3621, June 2021.

（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

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高効率8MWクライストロン 発振対策
対策設計同じであった空胴のギャップの長さを±20%程度互いに変化させることでTE11モードはほとんど結合せず。
Q0/Qbeam 解 析 で は 155kV ま で 安定。安定領域を広げるためステンレスドリフトを導入(高次モード減衰)。

対策後のTE11モードの電界分布

CSTシミュレーションで174kVでも安定となることを確認。
不安定領域

DC, V=174 kV, Ff=0.69, Bz=0.42 T(Simulation time = 4000 ns)（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

対策：1～5空胴の間にステンレスドリフトを導入
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高効率8MWクライストロン #2試験結果
対策設計を導入した二号機を当社で製作し2022年7月に試験。まずダイオード運転で発振の有無を調査。電圧を上げても発振は見られなかった。
発振対策は有効Signal from klystron output

Beam voltage

Beam current
Signal from klystron input

Spectrum (20–26 GHz)

85 kV, 39 A
（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

154 kV, 94 A

174 kV, 114 A
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高効率8MWクライストロン #2試験結果
RF試験結果
出力8.1MW(効率53.3%)
出力10.1MW(効率51.2%)

従来品より約10%高効率化

Parameter

Unit

Specification

Result 1

Result 2

Frequency

MHz11994.2

11994.2

11994.2

Beam VoltagekV≤ 175

157

174

Beam CurrentA≤ 115

96.8

112.8

RF Pulse Widthμs(Target 4.0)

1.00.5

Repetition rate

pps

(Target 200)

5050

Drive PowerW

≤ 400

12168

Output PowerMW(Target 8.0)

8.1

10.1

Efficiency%(Target 56)

53.3

51.2

Output power

Beam voltage

Beam current

Drive power

8.1 MW operation(157 kV, 1 μs)（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

10.1 MW operation(174 kV, 0.5 μs)
14まとめ➢ 11.4GHzと12GHzの20MWクライストロンを開発した➢ 8MWクライストロンはシミュレーションによる発振対策が成功し効率は従来品より10%アップした

高効率管の共同開発者であるIgor Syratchev, Jinchi Cai, Zaib
Un Nisa, Graeme Burt各氏に感謝いたします。

（C） Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

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