DEVELOPMENT OF THE S-BAND fflGH POWER PILLBOX TYPE RF WINDOW
A.Mium*, H. Matumoto, S. Yamaguti and SaTakeda
KEK National Laboratories for High Energy Physics* The Graduate University for Advanced Studies
1-1 Oho, Tsukuba，Ibamki 305, Japan

ABSIEACI
An rf window is under development to handle a tmnsmission power o f up to 100 MW. Dimensionso f the rf window were obtained by a calculation using a computer code MAFIA. The results of MAFIA
calculation is in good agreement with low power mesuements.The high power model will be tested byusing a resonant ring.
S —バンド ピルボ ック ス型大電力高周波窓の開発
はじめにJLC (Japan linear Collider) 計画では S-バンド (2856MHz) 前段線形加速器にお ^ ヽて大電力高周波源（85MW 、パルス 幅 4 .5 //se c 、繰り返し 1 5 0 pp s) を用いて〜 4 0 M V /m で加速を行う予定である o 現在この大電力を長時間安定に透過できる高周波窓の開発が急がれている。大電力用の高周波窓として古くからクライストロンに利用されている ピ ル ボ ッ ク ス 型 個 1 ) を採用し、開発を進めている。大電力透過によるピルボックス型高周波窓の放電破壊は、セラミック（アルミナ）内部 の 焼 結 材 (バインダ一 )、不純物、空孔及びセラミック表面でのマルチパクタ等が大きく関係していることが報告されて I 、るり〜句。今回大電力ピルボックス型高周波窓の_発にあたり以下の項目を新たに試みている。
1 ) 3 次元 電磁場解析コード (M A F IA ) を用いたピルボックス型高周波窓の設計。 これによりマルチパク夕の原因となる電磁場を減少させることが可能となる。
2 ) セラミックの内部空孔を減少させる HIP(Hot Isostatic Presuer)処理を行う。

本稿では M A F IA による高周波窓の設計とその評価及び新型高周波窓の設計について報告する。

2. MAFIA による高周波窓の設計
M A F IA はある境界条件で囲まれた有限空間に共振する固有振動解を計算するコードである。 ピルボックス型

高周波窓を透過する進行波は矩形導波管の両端を開放及び短絡の両境界条件で求めた定在波に、夫々時間因子を掛けあわせたべクトル和から計算できる 5) 。 また同時に整合周波数、帯域特性及びゴーストモ一ド周波数も計算可能である。M A F IA による高周波窓の評価報告は 1 例 し か 無 い 4

そ こ で M A F IA 計算の精度は、低電力ピルボックス型高周波窓（内 径 8 4 及び 85m m ア ル ミ ナ 厚 さ 3.5m m ) の試験結果と比較することで評価を行った。以下に評価した項目について述べる。
2 -1 整合周波数

図 2 にピルボックス長さによる高周波窓の整合周波数を示す。実線と点線は M A F IA 計算結果、丸印は実測値である。 ア ル ミ ナ （H IP 処理済）の誘電率を 1 0 .4 とした時、夫々の内径で実測値と良く一致している 0 H IP 処理したアルミナの誘電率は円筒空胴 TM 0 1 0 モ ー ド （周波数 2835M H z) を用 I 、た摂動法で測定した結果、 9.7 (測定精度3 % 以内 ) であった。誘 電 率 の 誤 差 (6 % ) はM A F IA の計算精度によるものと考えられる。

2 - 2 ゴーストモ一ド周波数

ゴーストモ一ドとはセラミックが誘電体共振器のようになり、高周波エネルギーが蓄積される場合を定義している 6)。 ピルボックス型高周波窓の場合、セラミックが波長に比べ十分に薄いので、運転周波数の近傍には存在しない。 しかし円形導波管部の製作誤差等で円筒空胴共振モードが矩形導波管の伝播モードと結合することがある。 この場合もゴーストモ一ドと考えると、運転周波数に近ずけないことが重要である。M A F IA 計算結果から運転周波数に近いゴーストモ一ドは T E i i i 、T M o i0 、T E o il 及 び TE 2 U であることがわかった。透過波の測定でよく観測されるのは TE 2 1 1 モ — ドで、 その他は伝播モードとの結合が弱いので観測不可能な場合が多い。表1 に内径 84mm 、長さ 24m m についてゴーストモ一ドの M A F IA 計算値及び実測値を示す。実測値は計算値より数

十 M H z 高い周波数である。 この傾向はその他の円形導波管寸法についても同様であった。

TMoiO

雨 11

^211

実測値

(MHz)

283630723146

M A F IA 計算値(MHz)

282530593136

表 1 ゴーストモ一ド周波数 (M A F IA 計算結果と実測値）円 筒 導 波 管 内 径 8 4 mm
反 さ 24 mm

3. ロン グピ ルボックス型及び高次モ一 ド型高周波窓
高周波窓セラミック表面垂直電場がマルチパク夕の原因になっていることは、M A F IA による円形導波管の進行波電磁場分布を解析する ; ：とで明らかにされている4)。 このセラミック表面に垂直な電場成分を除くことができれば、大電力による高周波窓破壊を減少させ透過電力限界を上げることが可能である。 ピルボックス型でこの目的を達成するには次の方法が考えられる。
1 ) 円形導波管部を長くすることにより、矩形から円形変換部エッジの影響を減少させるロングタイプとする。
2 ) 円 形 導 波 管 高 次 I M u モードを利用してセラミック表面に垂直な電場成分を減少させる高次モードタイプとする。
現在、上に述べた 2 つの高周波窓について M A F IA を用いて設計中である。 円形導波管部寸法は最適化されていないが、図 3 にロングタイプの寸法及び電場分布を、図 4 にその周波数帯域特性を示す。 ピルボックス内部を透過する進行波は偶モード及び奇モ一ドが 1 /4 周期毎に現れ、各モードの線形和になっていることから、セラミックに垂直な電場成分が無いことがわかる。

4 . 結論
今までの MAFIA 計算と低電力試験の比較結果から M A F IA による高周波窓の設計が実用上十分であり、 また新型の高周波窓についても威力を発揮するものと思われる。今後は H IP 処理したアルミナの評価及び M AFIA により計算されたセラミック表面の電場強度と放電破壊の関係を調べるために高周波窓の大電力試験が必要である。大電力試験用ピルボックス型高周波窓の寸法は実験的に求め、円形導波管内径 86mm、長さ 24mm 、 アルミナ厚さ3.5m m (表面 T iN コ一ティング）とした。現在レゾナントリングを用いて大電力試験が進行中である。更にクライスト ロ ン 出 力 （200MW 1/^sec ) 及 び SLED 7) 出力を直接用いた大電力試験も予定している。 これらの結果をもとにセラミック表面での電場強度と放電破壊の関係を調べ、新型の高周波窓開発に応用する予定である。高周波窓

のM A F I A 計算は長時間を要する為、 今後は等価回路(各回路定数はM A F I A で計算可能）による設計8)も併用し効率化を図る必要がある。
Diameter 84 mm experiment data
Diameter 85 mm experiment data

11111

DiameterDielectricceram ic

84 mm10.4

Diameter 85 m
Dielectric 10.4■§ 2850

2;00L23. 5

24.024.5

25.025.5

Diameter 84 m
Dielectric 9.7II
Diameter 85 rr
Dielectric 9.7
II26.5

Pill-box lenath (cm\

図 1 ピルボックス型高周波窓

図 2 円形導波管長さによる整合周波数の変化

2.40220| 200(01.801 1601.40a ) ピルポ ックス 内偶 モ一 ド電 場分布

セラミック表面2700.02750.02800.02850.02900.02950.03000.0Frequency (MHz)

図 4 ロングピルボックス型高周波
窓の周波数帯域特性b) ピ ル ボ ッ ク ス 内 奇 モ 一 ド 電 場 分 布 セ ラ ミ ッ ク 表 面

図 3 ロングピルボックス型高周波窓電磁場分布
円 形 導 波 管 内 径 88mm
円 形 導 波 管 長 さ 169mm
セラミック厚さ2.5mm

参考文献1 ) R .H ayes, ” Resrech on M icrow ave W in d ow M ultipacter and its Inhibition, Final Report” ,E itel - M c C u lllo u g h ，In c .， （1962 - 1964)
2 ) 斎 藤 芳 男 他 ，，，レゾナントリングによるアルミナ高周波窓の試験，’ ，第 27 回真空に関する連合講演会プロシー
デ イ ン ダ ス ，（1987)
3 ) 斎 藤 芳 男 他 ，，，レゾナントリングによるアルミナ高周波窓の試験 II” ，第 29 回真空に関する連合講演会プロシ
一 デ イ ン ダ ス ，（1989)
4 ) 山 ロ 誠 哉 他 ， ” Trajectory Simulationo f Multipactoring Electrons in a S —band Pillbox RFW in d ow ” ， Proc. 15th Linear A ccel, m e e t i n g . ， p 300-302 (1990)
5 ) 山 椅 良 成 ， ”M ethod o f mesuerment and calculation o f travering w ave” ，私 信 (1985)
6) M .P.Forrer, E .T Jaynes, ” Resonant M odes in W aveguide W in dow s” ， IRE. Trans” p l 4 7 一 151
7 ) 山 ロ 誠 哉 他 ，” Sバンド SLED 用空胴共振器の開発，’ ，Proc. 16th Linear A ccel, m e e tin g /1991)
8 ) 竹 内 保 直 他 ，” L - バンドピルボックス型高周波窓の _ 発 ” ，Proc. 16th Linear A ccel. meeting ，(1991)