原研 972MHz ＲＦテストスタンドの現状
ＲＦテストスタンドの現状
山崎正義1、千代悦司、菅沼和明、小林鉄也、堀利彦、鈴木浩幸、長谷川和男、吉川博
日本原子力研究所

大強度陽子加速器施設開発センター〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方白根 2-4

RF テストスタンドは、定格出力（3MW(max)、600μs(RF 出力)、50pps）の高周波源を評価するものである。図１に RF テストスタンドのブロック図を示す。
原研 972MHz RF テストスタンドは、2001 年 9 月
１）クライストロン駆動用直流高圧電源[2]より陽子加速器開発棟で 972ＭHz クライストロン
直流高圧電源は、実機で使用するクライストロン 4（初号機）を含めた RF コンポーネントの大電力試験台を駆動できるものであり、カソード直流高圧電源などを開始した。各種特性試験（高周波特性試験、（平均出力-110kV、6.3A）と M・アノード変調器お出力電力のカロリメトリック測定、励振系の自動振よび電源制御盤から構成される。M・アノード変調
幅制御回路の試験など）にてデータ取得を行い、そ器は、FET 素子を用いた高圧半導体スイッチ[3]を採用して本年 2 月より超伝導空洞用の長パルス化試験調している。現在のところ運転時間は 800 時間程度で整を行ってカプラエージングに必要な出力パラメーあるが順調に稼動している。
タ（パルス幅 2.5ms 出力 350kW）が得られた。
２）クライストロン部
クライストロン部は、クライストロン本体、集束１．はじめにコイル、オイルバスから構成される。972MHz クライ
大強度陽子加速器施設の線形加速器では、2 種類のストロンは、３極管構造でボディ−カソード間には高周波源（324MHz、972MHz）を使用する。高エネ
最大-110kV(DC)が印加され、他方 M・アノード電極
ルギー加速部（190〜400MeV に常伝導 ACS 空洞、400に-90kV（±10％の電圧タップ切替可能）、パルス幅〜600MeV に超伝導空洞）では、周波数 972MHz の600μs、最大パルス繰返し数 50pps のパルス電圧が印
モジュレーティング・アノード（M・アノード）型加される。クライストロンは、ＲＦ出力 3MW、パーパルスクライストロン[1]を高周波源として使用する。 ビアンス：1.37μPerv. が選定され電源構成や電子銃
972MHz で使用する RF コンポーネントの大電力試験、 など 324MHz との共有化が図れた。出力窓は、ピル直流高圧電源等の性能を評価するため 972MHz RF テボックス型（セラミックス窓の直径 30cm）を採用しストスタンドを 2001 年 8 月に陽子加速器開発棟た。
（B2F）に設置した。本報告では、972MHz RF テス
３）高周波伝送系トスタンド構成機器について述べ、これまで行って大電力試験のための高周波伝送系には、WR-975 のきた各種動作特性試験の概要、そして長パルス化試各種部品（方向性結合器、3 スタブ移相器、ダミーロ験調整の結果について報告する。
ード、E ベンド、フレキシブル導波管など）が用いられている。RF 励振系のローレベル制御は、A.G.C
２．972MHZ ＲＦテストスタンド（Automatic Gain Control）回路を含め原研で作製した。
２．
ＲＦテストスタンドの構成
テストスタンドの構成
今後 324MHz で開発が進められている高周波制御系

概要

図１ ＲＦテストスタンドブロック図
1

E-mail: yamazaki@linac.tokai.jaeri.go.jp

の高速コンポーネントシステム[4]を 972MHz に置き換えたものを評価する予定である。
４）冷却水系
クライストロン各部分（コレクタ、ボディ、集束コイル、ＲＦ出力窓）の冷却やダミーロード及びＭ・アノード変調器の冷却に水冷を使用する。冷却水の温度は、個別温調ヒータを使用し 27℃±0.1℃の精度でコントロールされる。また、温度は 25℃〜29℃の範囲で任意に設定可能であり、精度は±0.1℃である。
５）エージング制御盤
パルス幅、パルスの繰返し、RF レベル、その他各種タイミング信号等を総合的に取り扱うエージング制御盤を新たに作製した。エージング制御盤にて各種インターロックによる表示・停止制御等を行っている。
表１に現在までに RF テストスタンドで実施した主な試験と結果について示す。
表１：RF テストスタンドでの主な試験内容
・972MHz クライストロンの管内エージング
10pps,100us,低電力から徐々にカソード電圧を上昇し、最大出力まで 5 日で完了した。
・972MHz クライストロンの RF 特性試験
クライストロンパービアンス、ゲイン、効率測定、並びに入出力電力特性と周波数特性測定など。
・クライストロン出力のカロリメトリック法による絶対値測定
方向性結合器＋検波器での計測データと比較してカロリメトリック法が約 1.5%高い値で計測された。高精度の流量計（F.S：±0.02%）を調達し、今年度も継続して行う。
・WR-975 導波管の表面温度測定
実機での導波管壁冷却の基礎データとして計測を行なう。冷却水なしで表面上昇温度の最大値は43℃。
・クライストロン出力 RF 窓の温度上昇試験
出力 RF 窓はピルボックス型で、窓外周部を間接冷却方式（４L/min）をしている。測定の結果、窓中心部の最大温度は 60.8℃で、間接冷却方式でも十分に熱除去が可能なデータが得られた。
・実機 972MHz 系クライストロンギャラリー配置のための立体回路と架台の設計、評価
・長パルス幅動作パラメータ試験

7 月に予定している超伝導空洞用カプラ試験を前にパルス幅 2.5ms, RF 出力 350kW の動作パラメータを取得した。パルス幅及び繰返しを制限する要因としてクライストロンのコレクタ損失など各コンポーネントの最大定格を調査したところ M・アノード変調器の分圧抵抗の電力容量がデューティを制限していることがわかった。そこで要求を達成するため、ビーム電圧を下げ、350kW で安定に動作するパラメータを選定した｡また、M・アノード変調器筐体内の絶縁油温度を監視しながら動作確認を行った｡その結果、カソード電圧は 75kV、パルス繰返し数は 25ppsと決定した。

図２

A.G.C-OFF 時のクライストロン動作波形
時間軸(400us/div)（上）ビーム電流波形（8A/div）（下）出力電力波形

600
Klystro n In pu t/O u tp ut Characteristics
With ou t A.G.C
500
RF Power (T 3)
RF Pow er (T 2)

400
350kW

RF Power (T 1)

300

200
Catho de Vo ltag e:75kV
RF Pulse W id th: 2.54ms
Pulse Repetitio n Rate : 25p ps

100005101520253035

Drive RF P ow er(W )図３

クライストロン出力電力パルス内電力相違

3.2 長パルスのサグ評価
３．長パルス化試験調整
3.1 デューティの制限
本 RF テストスタンドは、常伝導 ACS 空洞用の高周波源（高パワー、低デューティ）であるが、超伝導空洞の試験（低パワー、高デューティ）に本テストスタンドを利用することを計画している。そこで、

長パルス運転を行うとクライストロン出力のパルス平坦部でのサグ量が大きくなる。そこで、クライストロン出力サグを補償する A.G.C 回路を動作しない条件でサグ量を評価した。図２にこの条件で得られたクライストロンビーム電流波形とクライストロン出力電力波形を示す。ここでクライストロン出力波形のパルス立ち上がりでの出力を T3、パルス中央を T2、パルス立ち下りを T1 とし、この３点の RF 電力をプロットしたものを図３に示す。図２、３よりサグの最大値は 22.6%であり、この時の電力差は110kW であった。実測したカソード電圧、電流のサグから算出したクライストロン出力サグは 10%（計算値）であり、実測データは約 2 倍も大きい結果であった。この相違に関しては現在検討中であるが電源側の原因ではなく、クライストロンのパルス内ゲインや効率が変化しているためと考えている。
12W ith A .G .C
10S et Level
8４．おわりに

64D e lta D riv e P o w e r
20050

10 015 020 025 030 035 040 0K L ys tr on O u t pu t R F P o w e r (k W )図４ある。図４は、パルス幅 2.5ms でのクライストロン出力に対するドライブ電力設定値とパルス内変化量を示す。図４から A.G.C の設定値の設定範囲は、0W〜12W であり、パルス内変化量も含めると A.G.C のダイナミックレンジは 12W+8W＝20W（43dBm）必要である。また、以上の結果から A.G.C の PIN スイッチ及び後段アンプの応答性、ダイナミックレンジ並びにリニアリティに注意したコンポーネントの選択および調整を行い A.G.C 制御ユニットを製作した。
図５は、その結果を示す。クライストロン出力を一定にするため A.G.C 回路によりドライブパワーは、パルス先頭から後部にかけて 8W 変化しており、良好な動作を確認した。

クライストロン出力電力値と２パラメータ
電力レベル（ドライブ電力、パルス内変化量）

972MHz RF テストスタンドは、当初の予定していた試験等を順調に実施している。クライストロンは、ガンオシレーション等の問題もあるが今後予定している次号機を含め各種の試験、検討を行う。今年度は以下の試験を予定しており、実機での運用・保守性の改善並びに全体制御系への統合に関して継続的に検討を行う予定である。
・サーキュレータ、空洞反射用ダミーロードの大電力試験
・超伝導カプラのエージング試験
・ACS 空洞の大電力試験
・972MHz クライストロン次号機の RF 特性試験

謝 辞

図５ A.G.C-ON 時のクライストロン動作波形
時間軸(400us/div)（上）ＲＦ出力電力波形（下）ＲＦ入力電力波形

3.3 A.G.C 回路調整
A.G.C 回路は、入力信号レベルが変化しても出力信号レベルが一定になるよう、増幅器の利得を可変する回路である。ローレベル出力波形は、設定値（SetLevel）とパルス内変化量（Delta Drive Power）との２つのパラメータで決定される波形である。例えば、
図３において出力を 350kW 一定とすると設定値はT3 時点のドライブ電力 11W であり、パルス内変化量は T1 と T3 の差のドライブ電力 19.5W-11W＝8.5W で972MHz クライストロンの設置、調整、RF 各種試
験等に際して東芝ディスプレイ・部品材料社の坂本光徳氏、浦方弘人氏に御努力頂きました。また、直流高圧電源の調整と運転に関しては日立製作所の久保宏氏、市川雄一氏に御協力頂きました。
最後になりましたが、本 RF テストスタンドの設計や製作に関して御教授、御指導を頂いた高エネルギ
ー加速器研究機構の穴見昌三氏、福田茂樹氏、小野正明氏、山口誠哉氏、川村真人氏、福井佑治氏に感謝いたします。

参考文献[1] A.Yano. et al., “Development of the Klystrons for the HighIntensity Proton Accelerator Facility”, Proc. of the APAC
2001, Beijin, China, pp.44--pp.48[2] 川村真人 他,” KEK-JAERI 統合加速器計画ﾘﾆｱｯｸ用クライストロン電源システムの開発 , Proc. of the 26TH
Linear Accelerator Meeting in Japan, 2001,Tsukuba,
Japan, pp204-206[3] T.Nakamura et al., “HIGH VOLTAGE TRANISTORSWITCH FOR KLYSTRON MODULATING ANODE
MODULATOR”, Proc. of the 25TH Linear Accelerator
Meeting in Japan, 2000, Himeji, Japan, pp219-221[4] 道園信一郎 他,” KEK-JAERI 大強度陽子加速器ﾘﾆｱｯｸ高周波源のﾃﾞｼﾞﾀﾙﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸｼｽﾃﾑ , Proc. of the 26TH
Linear Accelerator Meeting in Japan, 2001,Tsukuba, Japan,
pp85-87