J-PARC A C S用 ブ リ ッ ジ カ プ ラ の 開 発
ো 寛幸1、秋川藤志
A)
日本原子力研究所東海研究所 大強度ຨ子加速器施০開発センター〒319-1195 茨城県జ珂郡東海村白方白根2-4

概要

節以降これらの現状をまとめて報告する。

J-PARC用のACS (Annular Coupled Structure) 型加速空洞のブリッジカプラの০‫ڐ‬開発の状況について報告する。実機০‫ڐ‬と平行して、1/2スケールの導波管と空洞の接続൉のӕ析を行い、製作したモデルの測定値との比Ԕを行った。

２．ӕ析

三次元ӕ 析には汎 用஢磁場 ӕ析コー ドであ る
AnsoftHFSSを用いた。導波管と、アイリス൉、中央の１セルの形状を入力し、導波管側からみた、S11を求めた。ӕ析条件は、次節で述べる実際の測定と全く同様である。ӕ析結果からQo、Qextを求め１．はじめにた。
また、開口൉を持たない空洞１セルでのQoの評価
ACS空洞において、導波管はdisk-load型のマルチはSUPERFISHでもあわせてӕ析を行い、妥当性を検セルブリッジカプラ(5または9セル)に接続される[1]。
証した。
導波管との整合は空洞間とのアイリス径によって行いずれの場合もモデル測定を前提に、アルミ材のう。この൉分の০‫ڐ‬を含めて、ブリッジ空洞全体の஢気伝導度を用いてい る。モデル サイズは実 機০‫ڐ‬を最適化する必要がある。まず、その第一段階
972MHzの2倍、1944MHz（π/2-mode）、導波管としとして、この導波管接合൉の検討を行った。
この൉分は、製作時に仮組や空洞組立後にୈ加工、 てWRJ-2を選択した。初期のӕ析形状として中央൉のセルのみとした（図１参照）。このモデルでは境調整を行うことが煩ߙであり難しい。これは、界条件が本来のπ/2-modeと異なるため、共振周波１）各൉品がロウ付けで組み立てられる。アイリ数は1720MHz付‫ؼ‬になっている。
ス൉の൉品は積み重ねてスタックできるセルと異なア イ リ ス ൉ は ସ 方 形 で 短 辺 32.5mm 、 ସ 辺り、仮組の治具等、方法が煩ߙである、45,42.5,40,37.5mmの四種་とした。Ԓ൉はR4を০
２）該当セルには周波数チューナーやモニターけている。導波管からは一旦、短辺32.5mm、ସ辺ポートが取付けられ、測定や測定後の再加工にはこ60mmの凹൉を経て、アイリスへとつながっている。
れらの൉品（もしくは‫ݗ‬周波的な代用品）の取り付
セル中心から導波管端面までは85mmである。これ
け、取り外しが必要、はアルミモデルでの組立性、実機では冷却水路の確
３）接合後の再切削には、工作機械への取り付け、保等のために必要となるアイリス周りのスペースをおよび切削後の洗浄等の工数面の負担が大きい、考慮して決定したものである。
等々の理由による。
いずれにせよ、本来は空洞全体を組立後に整合をとる作業を行うべきである。しかし、ブリッジ൉と加速空洞൉の脱着等の作業内容を考慮すると、‫ݗ‬周波測定と調整作業を繰りඉして最適形状を得ることは大変な作業量である。これらの調整作業は、特に本‫ڐ‬画のような量産時には現実的でない。
また、০‫ڐ‬面の問題では、各空洞のbetaでブリッジカプラ側のセルସが異なるため、各betaに最適化が必要である。また空洞内径の決定に際しては、導波管側への開口൉による共振周波数の低下を、ある程度、補正しておく必要がある。これらの大൉分をモデルによる実測で確認することも、また現実的でない。
これらの問題点を回避するためにも、ӕ析で‫ݗ‬周
図１ ӕ析モデル：対称性より１／４形状である波的な特性を精度よく把握することが必要である。
そのためには早い段階で、ӕ析とモデル測定との結果を比Ԕし、ӕ析の信頼性を確認しておくことが不求められたパラメータ(S11)の一例を図２に示す。
可欠である。昨年末以降、アルミモデル製作、測定
この結果からR+jXの複素インピーダンスにおいて、作業を、実機の詳細০‫ڐ‬と並行して行ってきた。次S11の絶対値が最小となるときにX=0となるように位
1E-mail: aohi@linac.tokai.jaeri.go.jp

相オフセットを加え、R=XおよびX=1となる周波数からQ0、Qextを算出した。それぞれの開口寸法について、ӕ析から求めたQ0、Qextは次節で測定結果と併せて示す。

waveguide-N

Network Analyzer

S11
cavityload(50ohm)

S21

図３

測定セットアップӕ析値と測定値の比Ԕを表１にまとめて示す。

図２

S11ӕ析結果例(開口൉4537.5mm)

３．測定
3.1 単セル測定
製作したアルミセルの表面仕上げを確認するため、アイリスの無い単セル空洞について測定を行った。
ӕ 析 値 f=1735.9MHz,Q0=8100 に 対 し て 測 定 値
f=1735.1MHz、Q0=7500とQ値でӕ析値の92%程度が達成されていることを確認した。

3.2 結合度測定
ӕ析した４通りの開口൉形状について、導波管側にネットワークアナライザを接続し、S11の測定を行った。また、開口37.5mmのモデルについては、S12測定でQLの測定を併せておこない、二通りの素測定結果について比Ԕ検討を行った。
測定時の校正については、N-導波管変換器の手前のN型コネクタ端൉で行っている。従って、変換器の反射分(SWR1.2程度)は空洞側に込みで測定されており、その分の誤差を今回の測定では考慮する必要がある。このとき、変換器の導波管端面での短絡時のS11で֩格化したケースと比Ԕした場合で、誤差はSWRで数%以内の差であった。

開 口 寸 法(mm)
45Q0Qextf(MHz)SWR
42.5
Q0Qextf(MHz)SWR
40Q0Qextf(MHz)SWR
37.5
Q0Qextf(MHz)
SWR
表１

測定値

ӕ析値77151009
1712.847.706500
1361
1715,86
4.797083
1863
1718.46
3.817540
2619
1720.79
2.897781
1188
1711.886.597621
1598
1714.78
4.927632
2146
1717.33
3.667816
3098
1719.702.54

S11測定、ӕ析から求めた各パラメータ

周波数については湿度、温度条件等、正確に補正を加える必要があるが、表１に示したものは無補正の値を示した。本測定ではこの点の比Ԕについては重要視していないため、あくまで参考値である。
Qextについてプロットしたものを図４に示す。ӕ
析と測定値の比を見てみるとほぼ0.85で一定である。
従って表面抵抗分によるQextの低下分を考慮すれば、
ӕ析値は形状変化に対してもほぼ妥当な値を与えているといえる。
導波管൉分のパーツは各モデルとも開口൉（セル൉）を除き、各測定で共通して用いられているものである。従って、モデル間での形状、および表面の‫ݗ‬周波特性の差は、開口൉寸法以外に無いと考えてよい。

3500
3000
2500
Qext

2000
1500

測定値

1000

Ж析値

500
045

図４42.540
開口ಊ੹さ（mm)37.5

Qextの測定値とӕ析値の比Ԕ

一方、Q0については前節でSUPERFISHに対して92%と述べたが、上記の各場合において、ӕ析値との胃で85-99%の幅で変動し、平均93%であった。この変動は組立時のモデル側の端板やセル൉の表面、および各൉のコンタクト等の影‫؜‬ではないかと考えている。
10000

Q0

8000
6000
4000

測定値
Ж析値

2000
045

図５42.54037.5開口ಊ੹さ（mm)Q0の測定値とӕ析値の比Ԕ

次にS21測定の結果を表２に示す。セル側に二本のアンテナを挿入し、透過パワーの反値幅からQLを測定する。導波管側はN型との変換器を介して50Ωで終端する。Q0が別途測定で確認できているとすると、Qextは1/QL=1/Q0+1/Qextの関係式から求められる。
このとき導波管側のସさを36mm、72mmとオフセットさせ、QLの変化を見た。
オフセット(mm)
03672
表２QL
1885
22132337

Qext
247731323386

S21測定で得たQLとS11測定からQ0=7540として算出したQext

この場合は導波管側のସさを変化させることによりQLの値が変化している。これは、導波管側からのS11測定では、明確には見えなかった影‫؜‬である。
この導波管ସさの影‫؜‬については、N-導波管変換器による反射と、変換器から空洞までの‫״‬離が管内波ସ(約300mm)に比べて十分ସくない点(72mmオフセッ
トでも導波管ସさが約100mm)が、現時点で問題として考えられる。今後、延ସ導波管や導波管ロード等の整備を行い、校正方法の見直しなども含めて、より精度を‫ݗ‬めた測定を行っていく必要がある。

４．まとめ
導波管との接合൉分について、まず１セル形状の場合のӕ析とモデル測定を行い、ӕ析の妥当性と測定方法等を測定時の問題点なども含めて確認することができた。ӕ析面ではこれらの手法を、現在製作を進めているバンチャー空洞用の০‫ڐ‬に反映させていく予定である。マルチセルの場合のӕ析、ブリッジセルに取り付けられる周波数チューナーの影‫؜‬などについても、引き続きӕ析を行う予定である。本ࠟ験に用いたハーフスケールモデルは、従来からR&Dを進めているモデルとの互換性を考慮して製作されている。ブリッジ全体でのπ/2-modeに対するカップリング、あるいは加速空洞൉との組み合わせࠟ験についても順次準備を進め、測定をしたいと考えている。
実際の実機製作に向けて検討すべきӀ題もまだ多い。ブリッジ൉分の段階的な測定（加速管としての全体組立前の測定）を行う必要がある。その際、製作工程を考慮して、
１）どのような測定が可能か、２）それによって十分性能が確認できるか、３）測定にはどのような測定器具が必要か、等々である。
972MHzでの導波管(WR975)関係の測定器具の整備にも新֩となるとある程度の時間を要する。また導波管等と異なり、境界条件の異なるセルの測定では、運転周波数の上下である程度広い範囲の周波数帯域に対応するものが必要である。現状準備できているものと、それらで実現できる測定範囲、精度等を含めて検討し、実機製作と測定準備を進めていかなくてはならないと考えている。

参考文献[1] Y. Morozumi, et al., “Multi-Cavity Bridge Coupler”
Proceedings of the Linear Accelerator Conference,Albuquerque, NM, U.S.A. 1990