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)

PLAN OF THE POWER DISTRIBUTION SYSTEM FOR KEK
SUPERCONDUCTING RF TEST FACILITY (STF)
T.Takenaka1,K.Nakao,M.Yoshida,A.Lunin,S.Fukuda,S.Aizawa A)
KEK,High Energy Accelerator Research Organization 1-1,Oho,Tsukuba,Ibaraki,305-0801,JapanA)
Nihon Koshuha Co.,LTD. 1119,Nakayama-Cho,Midoriku,Yokohama,Kanagawa,226-0011,Japan
Abstract
The power distribution system (PDS) which feeds rf power to the superconducting cavities for the KEK
Superconducting RF Test Facility (STF) and related rf waveguide components are reported. The STF plan will be
performed in the building that was used for the test of the J-PARC proton linear accelerator. A cryomodule has four
superconducting cavities in it, and two cryomodules are fed by a 1.3GHz klystron with a 5MW output. This report also
describes a proposal of electric power distribution system.

KEK－超電導ﾃｽﾄ装置(STF)における電力分配系の試案
約を考慮しKEKにある資産の活用を行っている。
これらの資産とは過去に行われたLﾊﾞﾝﾄﾞ関連の計画、即ちJHP[3]と核燃料ｻｲｸﾙ開発機構[4]からの移管品である。PDSの導波管ｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄに関してもかなりの部分が2つの計画で使用されたWR650規格のもの(写真1,2)を再利用している。移管品の使用周波数は1.25GHz(ｻｲｸﾙ機構)と1.296GHz(JHP)であったので、ｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄの何がILCの周波数1.3GHzで使用できるかを確認するために高周波特性を測定した。表1の様に殆どVSWRは1.06以下で、挿入ﾛｽも少なく、今回のSTF-Phase1計画に使用できることが分った。
一部補正が必要なものはｳｫｰﾀｰﾛｰﾄﾞで、ｾﾗﾐｯｸ窓の前でﾎﾟｽﾄにより整合を取っている構造のもので、VSWRが1.26ありﾎﾟｽﾄ部分の改造を要するものがあった。方向性結合器も比較的広帯域で、較正値を利用すると十分使用できることが確認された。
参考までに60dB方向性結合器の測定結果を示す(図1)。

１．はじめに2004年のITRPの勧告によりILCは超電導技術により進めることになり、KEKでも超電導による技術開発が進められることになった。同時に超電導RF試験装置(STF)のPhase1・2計画[1]が立案された。
STF計画は大強度陽子ﾘﾆｱｯｸ棟で展開され、周波数1.3GHz、出力5MWのｸﾗｲｽﾄﾛﾝから2つの４空洞内臓ｸﾗｲｵﾓｼﾞｭｰﾙに電力を供給し、2年間でﾋﾞｰﾑ試験まで行う。
このSTF-Phase1のRF源[2]に関しては2005年末までにｶｯﾌﾟﾗｰ試験(RF電力１MW程度)を、2006年末までにはｸﾗｲｵﾓｼﾞｭｰﾙまで建設およびRF試験を終えることが要求されている。続いて2007年3月にﾋﾞｰﾑ試
験を行う予定である。RF源は電子陽電子入射器のRFｸﾞﾙｰﾌﾟでﾛｰﾊﾟﾜｰ、ﾊｲﾊﾟﾜｰ、制御、PDSまで受け持っている。ここではSTF-Phase1で行うｶｯﾌﾟﾗｰ試
験及びｸﾗｲｵﾓｼﾞｭｰﾙ試験の電力分配ｼｽﾃﾑ(PDS)について記述する。
表1: PDSに用いる代表的なｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄ高周波特性（NKK測定）
品名
Eﾍﾞﾝﾄﾞ
Eﾍﾞﾝﾄﾞ覗穴付
Hﾍﾞﾝﾄﾞ
Hﾍﾞﾝﾄﾞ覗穴付
ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ導波管
ｳｫｰﾀｰﾛｰﾄﾞ（ﾊﾞﾘｱﾝ）
ｳｫｰﾀｰﾛｰﾄﾞ（NKK）
方向性結合器 Pf
方向性結合器 Pr

左から 1,2,3

1,-59.237dB

1.25GHz2,-59.44dB
1.3GHz3,-59.045dB
1.35GHz

VSWR
1.02
1.05
1.03
1.03
1.06
1.02～1.06水温30～40℃
1.21～1.26水温30～40℃
結合度 59.8dB/ 方向性26dB
59.6dB/ 方向性36dB

図1:60dB方向性結合器の周波数特性
移管品のｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄは、直管、Hﾍﾞﾝﾄﾞ、Eﾍﾞﾝﾄﾞ、3dBﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ、60dB方向性結合器、ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ導波管、3ｽﾀﾌﾞﾁｭｰﾅｰ、ﾀﾞﾐｰﾛｰﾄﾞ、可変短絡板、ｶﾞｽ導入管など309点がある(表2)。大電力水負荷（ﾊﾞﾘｱﾝ製、日本高周波製）は平均電力75kW、先頭値2.5MWでの使用実績がある。可変短絡板はｸﾗｲｽﾄﾛﾝの出力特性

２．PDSのｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄと移管品利用
RF源の建設に際して、予算的な問題や時間的制
1E-mail:tateru.takenaka@kek.jp-275-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)

表2数が若干異なるので、ﾁｪｯｸのためにTH2104Aｸﾗｲｽﾄ
ﾛﾝの出力特性試験を電子陽電子入射器ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ準備室において行った。Sﾊﾞﾝﾄﾞ試験装置のﾓｼﾞｭﾚｰﾀとﾊﾟﾙｽﾄﾗﾝｽを利用し5.34MWの出力を得た。その時のﾊﾟﾗﾒｰﾀはﾊﾟﾙｽ幅2µs、繰り返し1Hz、ﾏｲｸﾛﾊﾟｰﾋﾞｱﾝｽ2.30であった[5]。
STFのｶｯﾌﾟﾗｰ試験におけるｸﾗｲｽﾄﾛﾝの後のPDSの順序は方向性結合器、ｶﾞｽ導入ﾊﾞﾙﾌﾞ、大電力ｻｰｷｭﾚｰﾀｰ、rf窓、方向性結合器、ｱｰｸｾﾝｻｰ、ﾊﾟﾜｰ切り替えｽｲｯﾁ、ﾋﾞｭｰﾎﾟｰﾄ、試験ｶｯﾌﾟﾗｰ、方向性結合器、可変短絡板、大電力ﾀﾞﾐｰﾛｰﾄﾞ等で構成される。大電力ｻｰｷｭﾚｰﾀｰは購入品で、最大出力5MW/平均85kW/ﾊﾟﾙｽ幅1.7ms/繰り返し10Hzの仕様でSF6ｶﾞｽを用いるﾛｼｱ・ﾌｪﾗｲﾄ社製である。この特徴は非常な低損失で挿入損失は0.1dBである。
ｶｯﾌﾟﾗｰ試験では整合負荷による透過試験の他に、全反射などを想定して可変短絡板で全反射の場所を変えて起こし、ｾﾗﾐｯｸ上での耐電圧性を調べることも試験項目に入っている。この試験では出力１MW程度を想定している。全反射させて試験をするのでｸﾗｲｽﾄﾛﾝ保護のためにも大電力ｻｰｷｭﾚｰﾀｰが必要である。ｱｰｸｾﾝｻｰ・VSWR等は制御に組み込まれ高周波出力のﾊﾟﾙｽ間でrfを止める早いｲﾝﾀｰﾛｯｸを採用する。
ﾊﾟﾜｰ切り替えｽｲｯﾁはUﾘﾝｸ導波管を手動で付け替えて電力の流れを変えるものである。大電力ﾀﾞﾐｰﾛｰﾄﾞはJHPにおいて600µs、50pps、5MW試験に使用した水負荷ﾀｲﾌﾟのもの(図２)が在るのでそれを使用する。ﾀﾞﾐｰﾛｰﾄﾞの窓が破損し水が漏れた場合も想定し仕切り板付導波管(既に所有)を付ける必要があることを考えておく。この辺の鳥瞰図的な配置は図4に示した。

PDSに使用する移管品ｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄﾘｽﾄ

品名直管(100～3000mm)
ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ導波管
Eﾍﾞﾝﾄﾞ
Hﾍﾞﾝﾄﾞ
3dBﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ

員数10737505212品名
60dB方向性結合器
水負荷(中電力)
水負荷(大電力)
3ｽﾀﾌﾞﾁｭｰﾅｰ
可変短絡板・他
合計

員数14204310309を測定する目的で製作されたもので、最大5MWで使用できるように設計されている。ﾌﾗﾝｼﾞはCPR650FまたはCPR650Gであり、その組み合わせによりﾌﾗｯﾄ板ｶﾞｽｹｯﾄ又は片面溝ｺﾞﾑｶﾞｽｹｯﾄを使用する必要がある。

３．STFのPDSに対する検討事項
STFにおけるPDSは3dBﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞによる電力分配と比例配分的結合度をもつ方向性結合器で電力を分配するTESLA方式による２つの方法を併用し比較検討をする予定である。超電導加速器では定在波型なのでrfﾊﾟﾙｽの立ち上がりと立下りは全反射である。また空洞との結合をｵｰﾊﾞｰｶｯﾌﾟﾘﾝｸﾞにするため、常時一定の反射があるので、3dBﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞを介したｸﾛｽﾄｰｸの影響が問題である。又反射があるのでｻｰｷｭﾚｰﾀｰを使用したくなるが各空洞に付けるとILCでは膨大な数になる。もしSTF-Phase2でTESLA方式を採用すると36個のｶｯﾌﾟﾗｰに電力を供給するために35種類の結合度を持つ電力分配ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞが必要である。ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ出力部からﾊｲﾊﾟﾜｰ用ｻｰｷｭﾚｰﾀｰまではSF6ｶﾞｽを使用するようにｸﾗｲｽﾄﾛﾝﾒｰｶｰから要求されているが、SF6ｶﾞｽを使用しない場合の耐圧評価の試験が必要である。

５．STFｸﾗｲｵﾓｼﾞｭｰﾙ・大電力ﾃｽﾄのPDS

図２ 移管導波管の例。右上より3dBﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ､ﾌﾚｷ
ｼﾌﾞﾙ導波管、3ｽﾀﾌﾞﾁｭｰﾅｰ、可変短絡板、方向性結合器とHﾍﾞﾝﾄﾞ。

４．ｶｯﾌﾟﾗｰ大電力ﾃｽﾄのPDS
当面2005年末に行なわれるｶｯﾌﾟﾗｰ試験では15年ほど前にJHPで購入したTH2104Aｸﾗｲｽﾄﾛﾝを使用する。10年以上倉庫に保管されていたのと使用周波-276-次のSTFｸﾗｲｵﾓｼﾞｭｰﾙ・大電力試験の時はRF源から途中で給電の切り替えを行い、長い直管により大強度陽子ライナック棟の地下部へ導かれる。地下のﾋﾞｰﾑﾗｲﾝﾄﾝﾈﾙに設置されたｸﾗｲｵﾓｼﾞｭｰﾙに組み込まれている8個の超伝導空洞に高周波結合器を通して給電を行い、ﾋﾞｰﾑを加速する。2つの４空洞内臓ｸﾗｲｵｽﾀｯﾄに電力を供給する方法は3節で述べた通り
2通り考えており、5MWのｸﾗｲｽﾄﾛﾝ出力を35MV/m4空洞用と45MV/m4空洞用に3dBﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞで2分割した後の1系統は3dBﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞを3個用いる方法で、まず2分割し、再度それぞれを2分割し、4個のｶｯﾌﾟﾗｰに500kWを入力し空洞を励振する。もう1系統は、1:2、1:3、1:4の3種類の電力分配器を用いてｶｯﾌﾟﾗｰに500kWを供給するTESLA方式である。
RF源の高周波のﾊﾟﾗﾒｰﾀは周波数1.3GHz、出力5MW、繰り返し5Hz、ﾊﾟﾙｽ幅1.5msである。
位相調整はTESLAと同じように3ｽﾀﾌﾞﾁｭｰﾅｰを用いて行なうがQeを変えてしまうので大幅な位相調

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)4に示す。ﾄﾝﾈﾙ部は地上から下床まで9000mm、横幅 は 5000mm で あ る 。 ﾋ ﾞ ｰ ﾑ ｾ ﾝ ﾀ ｰ は 横
2600mm/2400mmの振り分けで、床から1200mmの位置である。
ﾋﾞｰﾑﾗｲﾝﾄﾝﾈﾙには約12000mmのｸﾗｲｵﾓｼﾞｭｰﾙが据え付けられ、ﾋﾞｰﾑｾﾝﾀｰが導波管側壁から2400mmのところに設定され、8個のﾄﾞｱﾉﾌﾞに導波管が結合される。8本並んだ導波管の上にはｱﾙﾐ製のﾌﾘｰｱｸｾｽが置かれ自由な往来と作業性を考えている。ｻｰｷｭﾚｰﾀｰなどの設置も考慮するとこのｱｸｾｽ通路の床高は400mm位が必要と思われる。

5MWｻｰｷｭﾚｰﾀｰ
水負荷

ｸﾗｲｽﾄﾛﾝｶｯﾌﾟﾗｰ

７．おわりに

図3: RF源とｶｯﾌﾟﾗｰ大電力ﾃｽﾄのPDS

今回のSTF-Phase1計画におけるPDSは移管品の利用と陽子ﾘﾆｱｯｸ棟の冷却水・設備等が利用できるので安価で早い立ち上がりが可能である。3dBﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞを用いて電力分配を行う方法とTESLA方式で電力分配を行うことで利点・欠点を明らかにし、PDSﾊﾟｰﾂに何が必要か評価をすることが出来る。

整は望ましくない。そのために第０近似として必要な位相は導波管のﾗｲﾝ長であわすことが出来るようにUｶｯﾌﾟﾙ部を作っている。ここに短い2本の直管を挿入することで大きな位相のずれは合わせ込
み、前述のように空洞からの反射が無視できないので、それを上流に戻さない簡単な手段として500kWｸﾗｽのｻｰｷｭﾚｰﾀｰを4および8個用意する予定である。が、将来的なILCを考えるとｻｰｷｭﾚｰﾀｰを用いない工夫が必要かもしれない。WR650導波管系からへは 同軸導波管変換機(ﾄﾞｱﾉﾌﾞ)を介して行なわれるが、機械的なｽﾄﾚｽからｶｯﾌﾟﾗｰを保護するためﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ導波管を介して結合する。全体で8個の空洞が配列されるので電力を８分配された後、全て同じのｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄがその数だけ必要になる。

参考文献[1] H. Hayano, “Superconducting RF Test Facility(STF) forILC”, presented in this meeting.
[2] S. Fukuda, et. al., “RF Source Development ofSuperconducting RF Test Facility(STF) in KEK”,presented in this meeting.
[3] JHP Design Report, JHP-10/KEK Internal 88-8(1988)[4] T. Emoto et. al., “PNC high power CW electron linacstatus”, Linac1994, KEK, Tsukuba, Japan, pp.181-183,(1994).
[5] K.Nakao, et. al., “High Power Test of L-band Klystron in
KEK Klystron Test Hall”, presented in this meeting.

６．陽子ﾘﾆｱｯｸ棟におけるPDS配置
陽子ﾘﾆｱｯｸ棟では地上部のｸﾗｲｽﾄﾛﾝｷﾞｬﾗﾘｰでｸﾗｲｽﾄﾛﾝ試験とｶｯﾌﾟﾗｰ評価を行う。このﾚｲｱｳﾄを図3に示す。地下部に設置されたｸﾗｲｵﾓｼﾞｭｰﾙまでのPDSは図ｸﾗｲｵﾓｼﾞｭｰﾙ

500kWｻｰｷｭﾚｰﾀｰ
導波管Uﾘﾝｸ部

図4:ｸﾗｲｵﾓｼﾞｭｰﾙ用大電力ﾃｽﾄのPDS-277-