Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

RF SOURCE DEVELOPMENT OF SUPERCONDUCTING RF TESTFACILITY (STF) IN KEK
Shigeki Fukuda１）, Mitsuo Akemoto, Hiroaki Katagiri, Tesuo Shidara,Tateru Takenaka, Hiromitsu Nakajima, Katsumi
Nakao, Hitoshi Hayano, Hiroyuki Honma, Syuji Matsumoto, Toshihiro Matsumoto, Shinichiro Michizono, Yoshiharu
Yano, Mitsuhiro Yoshida, Andrei Lounine*)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
Since ITRP chose a superconducting accelerator as the LC’s technology, KEK made a plan for the super-conducting
rf test facility (STF) at KEK. STF comprised phase-I and phase-II; the former is a plan for two years from FY2005, andis aimed at the quick construction of a test facility to evaluate 4-35MV/m cavity structures and 4-45 MV/m cavitystructures with a beam. Phase-II is the next plan of the test facility to extend two 16m cryomodules. RF source of theSTF will start operating from November of 2005 to evaluate the coupler of the superconducting cavity. In this paper,
phase-1 status of the rf source including the a modulator, a klystron, a power distribution system and a low level rfsystem is described.

KEK超電導RF試験装置(STF)のRF源の開発
Phase-1に対しては、5MWのクライストロン(周波数1.3GHz、rfパルス幅1.5ms、繰返し5Hz)2台、PhaseKEKでは、リニアコライダー(LC)技術としてXバ2に対しては10MWのクライストロン(同)1台であるンドを採用して長年R&Dを行ってきたが、2004年に(図1)。当面の課題としては、超電導空洞のカップITRP(国際LC技術勧告委員会)がLCとして超電導技ラーの評価試験が2005年末から予定されているため術を選択したことに伴い、超電導技術に基いたLCにRF源としては早い立上を要求される。しかしながの 開 発 に 方 向 転 換 し た 。 KEK で は ト リ ス タ ン ・らRF源をすぐ立上るのは技術的にも費用的にも困難
KEKB・J-PARCと超電導技術を用いた加速器の実績である。又、年度を跨ぐために予算執行上も困難ながあることが背景にある。2004年度後半にKEKでの面が大きい。Phase-1を立ち上げる際に念頭に置い取組みについて議論した結果、KEKでは超電導RFたのはKEKが持っているLバンド関係の資産である。
試験装置(STF)を立ち上げることを決めた。このSTF
具体的には10年前に展開されたJ-PARCの前身でありは2期計画からなっており、Phase-1では2005年から周波数1.296GHzを採用していたJHPの資産[2]、及び2006年にかけ、2個の5mクライオモジュールを作り、 KEKに移管された核燃料サイクル機構(PNC)の加速器
一方には4台の35MV/m空洞を、もう一方には4台の資産(周波数1.25GHz)[3]である。
45ＭＶ/m空洞を組込む計画である。Phase-2はそのPhase-1のモジュレータの最初の一台はPNCのモ後2007年から2009年にかけて、2台のフルサイズジュレータを改造し、クライストロンは10年以上倉(16m)クライオモジュール(各々35MV/mの空洞10個庫入りしていた旧トムソン社のTH2104Aを再利用すから成る)を製作する[1]。
ることにした。Lバンド導波管系は両計画で使用さ
このSTF計画に対して要求されるRF源としては、れたWR650導波管コンポーネントを全面的に利用することとした。又、低電力系の半導体増幅器などもJHPのものを利用することで費用的・期間的問題を少なくすべく試みた。一方この方針は、TESLA装置等と比較して最適化した設備からは程遠く、試験装置立ち上げと同時に2台目のRF源をなるべく最適な設計にすることも平行して要求される。
RF源を立ち上げる母体となるのは、KEKB入射器ライナックのRFグループである。現在パルスRF源を担える部門として指名されているが、複数の業務を抱えているので計画的に仕事を遂行する必要がある。
ここでいうRF源には低電力RF(LLRF)も含まれる。超図1 STFレイアウト
電導加速器では長パルスであることからフィード

１．はじめに１）*)

Shigeki.fukuda@kek.jp
現在 PSI in Switzerland-150-

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表 1 Specification of Modulator
ItemUnit
Modulator No
Phase-I-1 Phase-I-2 Phase-II
Klystron
TH2104A TH2104C MBK
Klystron applied voltage
kV140
130
115
Klystron beam current
A107
96
132
Pulse width(70%-70%)
ms17001700
1700
Rise timems200
200200Pulse flat top(90%-90%)
ms
1370
1370
1370
Flatness within pulse duration %
0.5
0.5
0.5
Repititiom
Hz555duty
0.00850.00850.0085
Step-up Ratio of PT
1:6
1:12
1:12
Pimary Voltage
kV
23.3
10.8
9.58
Primary Current
A642
1152
1584
Primary Impedance
Ω
36
9.4
6.05
Peak Power of Modulator
MW15
12.5
15.2
Average Power of Modulator kW
128106129が合わないのでかなりの改造が必要である。図2に改造電源のブロック図を示す。赤色部分は新規追加部、青色部分は変更して使用する部分である。一次側電圧が22ｋV なのでパルス幅1.7ms(Max)にするた
めにはStorage Capacitorの容量を増加する必要がある。150µF追加しても1.7msのパルス幅内でのサグは15%にもなるので、そのサグの補正はBouncer回路で行い最終的に1%程度のサグに抑制する。SW素子のIGBT は 元 の も の を 使 用 す る 。 Crowbar 回 路 のIgnitronは電圧が下がるので、元の６直列を２直列にして使用することを考えている。SWやKlystronの保護シークエンスは現在再検討中である。
この電源に用いるPulse TransformerはJHPで使用した140kV 600µsのもの(昇圧比1:12)を鉄芯を増強して昇圧比を1;6にして使用する。鉄芯は25個から39個に増加する。旧鉄芯を流用するため必ずしも設計上最適化されておらず、長さ1.7ｍ、重量4トンぐらいになる。
２台目の電源は新規として、現在DC電源部、SW部、Crowbar回路の有無等について検討中である。一次側 は TESLA 設 計 と 同 様 11 ｋ V 程 度 と し て 、 Pulse
Transformerの昇圧比は1:12にする予定である。

バック技術が重要な位置を占める。特に現在はディジタルフィードバックが主流となっておりこの方面の成否が加速運転の死命を制する。ここではJ-PARCで成果を上げた技術を取り込んで構築することを考えている。
Klystron
TH2104Storage
Capacitor

IGBT

22kV
130kV

132µF

420V
3φ

150µF

Main
DC PS
CrowbarCircuit

Clipper
circuit

1:6

2kV

2µF

HeaterTransformer

２.２ クライストロン

Pulse
Transformer
0.33mH

Bouncer
Circuit

図2 改造モジュレータ・ブロック図

２．Phase-1計画のRF源
前述の通り、Phase-1の最初のRF源は2005年末にはカップラー試験に供されるために早い立上が要求されている。その為にKEKの手持ちの資産を利用する方針は前に述べた通りである。2台目は2006年度末のビーム試験に間に合わせる必要があるが、最適化した設計による新規製作を考えている。特にモジュレータは重要な部分である。なお、表１にPhase-1とPhase-2で用いられるRF源をまとめた。

Phase-1では2台のクライストロンが使用される。
1 台 は JHP で 使 用 さ れ て い た TH2104A( 運 転 周 波 数1.296GHz)であり、もう1台は新規購入のTH2104Cである。前者は15年前に購入したものであり、周波数が異なるので短パルスにて評価試験を行った。その結 果 ヒ ー タ ー 特 性 は 正 常 で あ り 、 RF パ ル ス 2µs ･135kV前後の電圧において５MW出力(1.3GHｚ)を確認した[5]。この試験によりソケット関係や励振系の基本的な評価も無事終了した。2台目は納期11カ月なので先行的手配をかけ試験時までに間に合わせる予定である。

図4 クライストロン(左)、ソケット(中央)及び短パルス試験風景(右)２.３ 電力分配系(立体回路システム)[6]

図3 PNC電源(左)及びJHPパルストランス(右)２.1 モジュレータ[4]最初の電源はPNCのモジュレータを改造する。この電源は3つのモード(DC60kV、90kV･4msパルス、140kV･100µsパルス)からなるが負荷クライストロンがModulating Anode型であり、又電圧やパルス幅等

図１からも分る通りPhase-1とPhase-2で電力分配系は異なる。ここではPhase-1に限って説明する。
費用節約のためにこの部分は基本的に前述のKEKの資産を最大限利用する。各コンポーネントの周波数測定を行い、使用できるもの、改修が必要なものを調査中である。2005年末から予定されているカプ
ラーの試験は最大１MW程度の出力RF電力をカップ-151-

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Modulatorfor 5MWKly

２.４ LLRF(低電力RF系) [7]

Arc Sensor

Modulator
for 5MWKly

Arc Sensor
5MW5MW

DCDC
Circulator

DCDC

Coupler

Coupler

Short

High PowerDummy

図5 カップラー試験のレイアウト
ラーを通して整合負荷に供給する試験と、可変短絡端で反射させてカップラーの耐性を見る試験を予定している(図5)。後者の場合は大電力サーキュレー
タが必要であり、TESLAと同様に５MW、1.5msのRF幅に耐えうる低損失サーキュレータ(ロシア･フェライト社)を使用する。

2004年末に予定されているカップラー試験に対す
るLLRFは発振器、500Wパルス増幅器等最低限のシステムで行う予定である。VSWR及びアークセンサーは速い制御でパルス内でrfをoffするように考えている。この準備と同時にディジタルフィードバックを含めたLLRFを準備している。2005年はディジタル
LLRFを空洞模擬器で試験する。2006年末のビーム試
験までに完成を目指している。ディジタルLLRFのブロック図を図7に示す。

324 MHzMax. 2 cav.
IF=12 MHz
LO=312 MHz
Sampling=48 MHz

Circulator

Modulatorfor 10MW
Kly

STF phase-2

1300 MHz
Max. 8 cav.(rocketIO)
IF=10 MHz
LO=1310 MHz
Sampling=40 MHz

1300 MHz
Max. 36 cav.
IF=10 MHz
LO=1310 MHz
Sampling=40 MHz

Digitalcavity simulator

Arc Sensor

5MW

STF phase-1
JPARC linac LLRF

Tuner control

図8 J-PARCからSTFへのLLRFの技術的流れ

Monitor DC

Penetration(10m)3dB

TESLA Type-PDS

3-dB Hybrid-PDS
3dB

3dB

1:4

1:3

1:2
Power Distribution
DC

3dB

Monitor DC

Monitor DC

3 Stub TunerφφφCirculator

φφ

4 Cavities Cryostat-1

φφφ

4 Cavities Cryostat-2

図6 クライオモジュール電力分配系ブロック図
クライオモジュールへの電力分配系は図６に示す
ように2種類の分配系(3dBハイブリッドを用いた分配系とTESAL同様の線形分配系)を併用する。これで同じ3dBハイブリッドだけの系でサーキュレータを使用しない場合のクロストーク等の影響を調べる予定である。超電導空洞ではパルスの立上りと立下りでrfが全反射され、更に空洞をOvercoupleで動作させると常時一定の反射が存在するのでこの問題は重要である。その他３スタブチューナ型の移相器の使い勝手、SF6ガス使用が要求されている導波管系の雰囲気に関しても調査する必要がある。

図7 LLRFのブロック図

KEK で は 周 波 数 が 324MHz で あ る J-PARC 陽 子 ラ イ
ナックのディジタル制御LLRFを進めてきた[8]。この経験を最大限取り入れることは効率的である。図8にJ-PARCからSTFへの技術的応用の道筋を示した。
これらは3段階からなっている。コンパクトPCI,RFクロック、ミキサー及びIQ変調器はJ-PARK LLRFを改造する。制御IOとDSPはJ-PARC LLRFを元に製作する。空洞数などが両者で違うのでFFGAボードは新規に開発する。このシステムでの目標は振幅及び位相の安定度がそれぞれ±0.1%及び±1度である。

６．まとめ
KEKにおけるSTF計画Phase-1は2005年度から始まり 2 年 間 で 4 つ の 35MV/m空洞と4つの45MV/m空洞を持ったクライオモジュールを開発しビーム試験で行う計画である。この計画に要求されるRF源についての現状を述べた。現在2005年末に予定されるカプラーの試験に向けて準備中である。

参考文献[1] H.Hayano, “Superconducting RF Test Facility (STF) forILC”, presented in this meeting.
[2] JHP Design Report), JHP-10/KEK Internal 88-8(1988)[3] T. Emoto et al., “PNC high power CW electron linac status”,
Linac1994, KEK, Tsukuba, Japan, pp.181-183, (1994).
[4] M.Akemoto, et al., “Pulse Modulator Development for Lband Klystron in the Superconducting RF test Facility(STR) at KEK”, presented in this meeting.
[5] K.Nakao, et al., “High Power Test of L-band Klystron in
KEK klystron Test Hall”, ibid.
[6] T. Takenaka, et al., “Plan of the Power Distribution Systemfor KEK Superconducting RF Test Facility(STF)”, ibid[7] T. Matsumoto, et al., “Low Level RF System in KEK-STF”,ibid.
[8] S. Michizono, et al., “Digital LLRF Feedback Control
System for the J-PARC Linac”, ibid.

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