AN S-BAND 100MW PULSE KLYSTRONHiroshi Y O N E Z A W A , Setsuo M I Y A K E , Katsuhiro СКЖРШ, Yoshihisa O H K U B O ,Keiji O H Y A , Tadashi O K A M O T O , Hitoshi ВA B A * , Shigeru I S A G A W A *T O S H I B A Corporation, Electron Tube Division* National Laboratory for High Energy Physics, K E KABSTRACT
Development of an S-band 1 0 0 M W pulse klystron is n o w under way. The klystron is designedto generate an output power of 1 0 0 M W in 1 (is pulse duration, or 8 0 M W in 4 [is. The output poweris extracted from a single output cavity via two pill-box type output windows in parallel. Major
parameters of the five integral cavities were optimized by the aid of Field Charge Interaction ccxie(FCI).
The design and the test result of the first prototype klystron are reported.

1 . Й じめに
現 在 Те V 級電子陽電子衝突型加速器が世界中で検討されている。 日本国内においても T R 1 S T A N
加速器の次の加速器として、電子と陽電子をそれぞれ 0. 5 T e V まで加速する全長 1 0 k m の J L C(JapanLinearC o l l i d e r ) [1][2][3][4]が検討されている。 J L Сでは高いルミノシティを実現するために、 1 0 〜 3 O G e V の大強度ライナックを用いた陽電子発生源が検討されており、この R F ソースとして 1 0 0 M W 級 の S バンドパルスクライストロンが必要である。東 芝 で は 1 0 0 M Wの最大出力を持つ S バンドパルスクライストロン E 3 7 1 2 の開発を行なっており、試 作 第 1 号機の設計及び試験結果について報告する。

2 . 設計の概要
表 1 に E 3 7 1 2 の目標性能を示す о E 3 7 1 2 の動作モードには直接加速管を励振する s h о r t
p u l s e動 作 （パ ル ス 幅 1ц s 出 力 1 0 0 M W ) と、パルス圧縮をもちいてより高い加速エネルギーをえ る 1 оn gp uI s e 動 作 （パ ル ス 幅 4 p s 出 力 8 O M W ) がある。
2 — 1 . 電 子 銃 一般的に酸化物力ソードのほうが容易に高い放出電流密度を得ることが出来るが、力ソード分解の際の大量の放出ガスによって電子銃の内部が汚染されて、耐電圧が低下する。一方含浸型力ソードは動作温度が高いため В a の蒸発が多く、電子銃の耐電圧の低下や電極材料と融点の低い化合物を作り放電時の電極表面のダメージを大きくするなどの問題がある。 E 3 7 1 2 では含浸型力ソードのな
かでも動作温度が低く В аの蒸発量が小さいた
表 1 . _ E 3 7 1 2 目標性能めに長寿命の期待できるスカンジウム含浸型力ソードを採用した。電極形状は、電子軌道のシミ ユ レ ー シヨンによる評価と共に電極表面での動作モード電界強度の評価を行なって決定した。電極表面

出力電力での電界強度は当社の S バンドクライスドロン動作周波数

用電子銃で実績のある電界強度と同等以下となるように電極形状を工夫している。電子銃のハビーム 電圧

ウジングやステム部分の形状は電子競の安定動

R F パルス 幅

ビーム 電流(MW)(MH z(к V)(А)

を与える [5]。ЕЗ 7 1 2 では電(Дs)
ビームパルス幅 (М-s)

子 ビーム から見た高圧絶縁タンクを含めた電子

繰り返し周波数 (p P

作に大きく！^

銃回路全体のインピーダンスを計算し、特定の励振電力(W)周波数で共振を起こさないようにしている。

効率

(%)

0 n g
8 0
8 5 6
3 7 54 6 0
4 00 r t
10 0
8 5 64 5 0
6 0 45 0
3 0 0
4 65 03 7 53 9.

入力空胴

出力空胴2 — 2 . 空 胴 部 各空胴の位置や共振周波数は、ま ず 1 次元ディスクモデルシミュレーション [6]によりШ し、最終的にはリングモデルによるシミュレーションブログラムで’あ る F С I [7]を用いて検討した。
F C I では電子ビームの分布が 3 次元的に計算されるので、特に集束磁界の分布による利得や効率の変イ匕を知ることが出来る。 図 1 にP C I によって出力された大振幅動作時の電子ビームのスナップシヨット図の一例を示す。空胴の高周波電圧によって電子ビームが軸方向だけではなくビーム半径方向にも変調を受けているこどがわかる。計算の結果、 ビーム電圧 3 7 5 кV に て 9 9 M W 、 ビーム電圧 4 5 0 кV にて、

1 4 O M W の出力が期待できる事がわかった。
2 — 3 . 出 力 回 路 現在のピルボックス形出力窓で実現可能な最大電力は、 S L A Cの 5 0 4 5 形グライストロンの実績などから
検 討 す る と 5 O M W 程度と思われる。 また安сл

定なクライストロン増幅動作を行うためには出力空胴の中での電磁界分布が対称的であることが望ましい。 このため E 3 7 1 2 では出力 空 胴 に 2 つの独立した出力導波管をそれぞれ 1 8 0 度対向した位置に取付け、 1 出力空胴 2 出力導波管 2 ピルボックス形出力窓の方式を採用し、 T 回路を用いた出力合成器によって 1 ポート出力としてある。出力窓セラミックスには 9 9.

5 %高純度アルミナセラミックスを用いた。マルチパク夕放電による加熱

RESONANTRING PEAK

POWER(MW)

図 2 . 出 力 窓 の 温 度 上 昇 （レゾナントリングによる試験結果一 samt)leA, В, Сの膜厚は夫々 60Д0,40А)_を防止するためT i N 薄膜Иを両面にコーティングし、その耐電力性がレゾナントリングによる大電力試験で確認された出力窓だけを装着している。 図 2 に別途行われたレゾナントリングによる耐電力限界評価試験の結果を R

F パルス電力とセラミックス外周部での温度上昇との関係で示す。 2 0 0 M W 入力に対しても温度上昇はたかだか 5 度 0 程度であり問題ないことがわかる。

3 . 実験結果
ЕЗ 7 1 2 試 作 1 号 機は 本 年 3 月に完成し
K E K - N I ККО実験楝のクライストロン試験セットを使用して試験を行なった。 図 3にビーム電圧が 3 7 0 кV の場合の入出力特DRIVE性を示す。利得はほぼシミュレーションどおりであるが、飽和効率は実験値の方が低い。

図 3.

POWER(W)

入 出 力 特 性 （ビーム電圧 3 7 0 кV)8デ一タを取得できた最大の出力電力は7 2 M W であった。 この時の動作条件を 表 2 に示す。 図 4 には飽和レベルで
6л{%)огз2о

不安定性が生じている兆候は現在のとш

ころ認められず、極めて安定に動作す4) Nlvo

滑らかで自然な波形であり、何らかのmp性 、入出力パルス波形などはいずれもQ:
3M0d Jmdmo

1 0 0 M W の出力はほぼ確実に得られると考えられる。E3 7 1 2 の入出力特)高くなるにつれて出力電力は次第に増大しており、 ビーム電圧 4 5 O k V で{м2の出力電力、利得、効率のビーム電圧に対する依存性を示す。 ビーム電圧がることが確認できた。動作中の出力窓

われる極く弱い青白い発光力項忍められ4

図ラミックスからの脱離ガスの発光と思300
ш

からは、出力電力数 M W のレベルでセ320

3 40360

BEAMVOLTAGE(kV)

380. 出力電力、利得、効率のビーム電圧に対する変イ匕

たが、数 1 0 M W 以上の場合にはほとんど発光は認められなかった。今回施した Т i 凡コ
表 2.

一テイングは出力窓におけるマルチパクタ放電を十7 2 M W 出力時の動作条件

ビーム 電圧к A分抑制出来たと考える。

V4 . 結論

ビーム 電流リニアコライダ用 S バ ン ド 1 0 0 M W クライスト
ロンの試作第 1号機の実験結果について報告した。

バービアンス

1

繰り返し周波数p

残念ながらソケット部の高圧絶縁油が不足していた

パ ル ス幅ために、 ビーム電圧 3 8 5 кV 付近において電子銃出力電力

d

電力利得

p =LM

セラミックスにピンホールを生じて、 クライストロ0в

3 8 0.
4 7 2.

09

2. 0 220

1. 1 4 27 2.
5 4.

ン内の真空度が劣化してしまった。 目標とする動作
電圧、出力電力の確認は出来なかったが 、 7 2 M W という従来当社比 3 倍 、従来の日本最高に対し 2 倍であるのみならず、従来の実用機世界最高の 6 7 M W をしのぐ出力電力が確認できた。現在製作中の試作第2 号機で当初の目標性能の達成を目指している。
謝辞

本クライストロンの実験に当たっては K E K J L C スタディグルーブおよび放射光入射器グルーブの各位に大変便宜を払っていただいた。深く感謝します。
参考文献[1]Y.Kimura : K E K Internal 88-2 (1988) pp.l1[2] K.Takata : Proc. of the Second Meeting on Physics at T e V Energy Scale
K E K Report 88-10 (1988) pp.330[3] G.Horikoshi, Y.Kimura, and M.Yoshioka : K E K Reprint 88-73 (1988)[4] Y.Kimura, K.Takata, and M.Yoshioka :Proc. of the 1 9 8 7 I C F A Seminar on Futute Perspectives in High Energy Physics, 232(1987)[5]米澤、 岡崎、渡 部 、電 気 通 信 学 会 研 究 会 資 料 ：ED85-115 (1985) pp.7
[6] H Y o n e z a w a and Y.Okazaki • S L A C TN-1984-5 (1984)[7] T.Shintake :19 8 9 Particle Accelerator Conference (Chicago) 1989 D-3[8] 斉藤芳男、他 ：真空 29 (1986) pp.149