LEBRA クライストロンの位相変動測定横山和枝1,A)、佐藤境武志B)

勇 A)、早川、菅野A)
B)

浩一B)

建 A)、田中、石渡

俊成 A)、早川謙一郎B)、中尾恭史 A)、圭佐 B)

日本大学量子科学研究所

日本大学大学院理工学研究科〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1

電子線利用研究施設

概要
日本大学電子線利用研究施設（LEBRA）[1]では、自由電子レーザー（FEL）光の利用実験のために、電子リニアックの性能改善を行っている。光利用を目的とした FEL に於いては、安定した発振が望ましい。
リニアックに於いても、安定な加速電子ビームが要求される。そのためには、加速高周波を供給するクライストロン出力の安定化が特に重要である。クライストロンの位相や振幅の変動は、ビームのエネルギー変動の要因になるからである。クライストロンの位相や振幅の変動には、クライストロン入力に用いる RF アンプの変動以外の要因も考えられる。本件
は、クライストロン周辺環境温度と位相との相関を調べた結果について報告する。

図１：RF アンプ及びクライストロン RF 出力の位相と振幅測定のセットアップ。

１．はじめにLEBRA の RF 系に於いては、クライストロン RF出力の位相変動は、主にドライブ系の 800Ｗ出力 RFアンプの位相変動に因ることが報告された[2,3]。そこ
で、800Ｗ出力ＲＦアンプの出力位相を関数発生器及びフィードバック方式を使用して平坦且つ安定にしてクライストロン入力に用いることによって、クライストロンで生じる位相変動を調べた。実際には、
RF アンプ出力位相が平坦且つ安定であっても、クライストロンの出力位相には変動が見られる。LEBRA
では、位相がパルス内フラットトップにおいて±0.5°以内の部分が 20µs 以上取り出せる 400WRF アンプ（日本高周波株式会社製）を導入する予定であるので、クライストロン RF 出力位相変動に及ぼす RF アンプに依存しない他の要因を明らかにする必要があると思われる。

２．位相測定位相測定系の概略を図１に示す。位相測定には、ダブル・バランスド・ミキサー（DBM）を用いた。
位相のリファレンスには、マスターである 2856MHz
図２：温度と位相及び振幅の日変化。
発振器の RF 源を用いた。クライストロンモジュレー(a)温度変化。(b)RF 系の位相と振幅。
ターから発生するノイズの影響を減らすために、位①RF アンプ出力位相をフィードバック補償した場相を検出した直後に信号を増幅してから、制御室の合。②クライストロン出力位相をフィードバック補オシロスコープに接続してデーターを取得している。
償した場合。③フィードバック補償しない場合。
このアンプを使用したときには、位相と DBM での1

E-mail: k_yokoyama@lebra.nihon-u.ac.jp

検出電圧は、RF アンプ出力では 0.05°/mV、クライストロン出力では 0.04°/mV に相当する。同時に、室温と RF アンプ、クライストロン窓、冷却水、導波管、クライストロンパルストランスタンクの表面温度をモニターした。

３．測定結果3.1 周辺環境温度の日変化
図２に各々の(a)温度と(b)位相及び振幅の日変化を示す。この結果から、低電圧系統（LV）を通電してからこれらの温度が一定の周期で変化するようになるまでには約 2 時間程度を要することがわかる。この周期は、約 30 分である。クライストロンモジュレーター室は、空調機（定速式）で室温を±１℃にしているが、クライストロン周辺で測定された室温は設定値よりも高めに観測されている。また、クライストロンパルストランスタンクの表面温度は 7 時間以上経っても上昇し続けているが、これは熱容量が大きいためと思われる。

変動の傾向に近い。この変動は、室温に依存して RFアンプ周辺温度が変化することに起因すると思われる。図４に RF アンプ出力とクライストロン出力位相の変化を示す。測定時の印加電圧は 19.5kV である。
このグラフから、RF アンプ出力 100W の変動に対して、位相は 3.5°変化することがわかる。図２(b)の①期間では RF アンプ出力は 3%程度の変動をしている
ので、位相変動は 0.6°に見積もられる。これは室温1℃あたり 0.2°の位相変動に相当する。

図４：RF アンプ出力とクライストロン位相の変化。

3.4 クライストロンの位相変動

図２中の③期間はフィードバック補償をしない場合である。フィードバック補償をしない場合、室温
RF アンプ出力位相にフィードバック補償をかけ、 変化に対して、RF 系の位相変動は、RF アンプ出力変動を±0.2°におさえた状態で、ＲＦ系の位相と振幅では 1.3°/℃、クライストロン出力では 2.9°/℃であを測定した。この結果を図２(b)の①期間に示す。高る。さらに、測定時の RF アンプ出力変動 0.5%を考電圧（HV）のかけ始めでは、クライストロンの印加慮すると、位相変動は 2.5°/℃となるから、クライス電圧は低く設定しており、15.0（×12, 以下省略）kV
トロン単独では 1.2°/℃の位相変動を生じているとである。その後、徐々に 19.5kV まで上げていき、約思われる。一方、RF アンプ出力位相にフィードバッ
18MW 出力にしてビーム加速に使用している。図３
ク補償をして、温度に依存する RF アンプの位相変化に RF アンプ出力を 600W にして、クライストロン印を取り除くと、クライストロンの位相変動は、1.1°
加電圧を 16.0kV から 20.5kV まで変えたときのクラ/℃となる（①期間）。同様に RF アンプ出力変動 0.3%
イストロン出力位相の変化を示す。この測定は、周を考慮すると、クライストロンで生じている位相変辺温度が充分に安定になってから行った。実線は、動は 0.9°/℃となる。したがって、クライストロンでドリフト管長約 405mm、周波数 2856MHz とした場生じている位相変動の値として、①と③の両期間に合の計算値である。印加電圧変化 0.5kV に対して位おいて矛盾しない。
相は約 13 度変化していることがわかる。パルス電圧
3.5 クライストロン窓の温度と位相変動の安定度は 0.3%であるので、印加電圧が 19.5kV であれば 1.5°の位相変動が予想される[4]。これは、温度に図５にパルス幅を変えてクライストロン窓の温度依存しない変動である。
を変えたときのクライストロン出力位相の変化を示す。これは、RF アンプ出力位相にフィードバック補償をして、それぞれ、温度変化の 1 周期分を測定して算出した。この図から、クライストロンの窓の温度変化は位相変化には影響していないと思われる。

3.2 クライストロンの印加電圧と位相変動

図３：クライストロン印加電圧と位相の変化。実線は計算値。

3.3 RF アンプ出力と位相変動
周辺温度が一定の周期で変動するようになってからのクライストロンの位相変動は、RF アンプの出力

図５：パルス幅とクライストロン窓の温度及び位相の変化。

3.6 周辺環境温度と位相変動
その他のクライストロン位相変動の要因を表１にまとめる。これらの変動は小さいので、RF アンプの位相変動に依存しないクライストロンの位相変動を説明できる要因ではないと思われる。
表 1．位相変動の諸要因
要因
変 化 率 温 度 変 位相変（°/℃） 化（℃） 動（°）
冷却水温度変化[5]
0.6
±0.1
0.12
ケーブル（10m）
10-2
3.50.035
ドリフト管長の収縮[5]10-4-3.7 パルス内の位相変動
RF が長パルスの場合、半導体増幅器での半導体ジャンクションの温度の上昇は無視できず、それによるパルス内の位相変動は大きい。パルス内での位相変動の測定では、RF アンプ出力よりもクライストロン出力の方が大きく観測されている[2]。図６に、パルス内の位相変動波形を示す。RF アンプのパルス内位相変動は±0.6°（Ref2）で、クライストロンでは±1.5°（Ref4）ある。関数発生器で RF アンプ出力位相を補償して±0.4°（Ch1）にした場合、クライストロンの出力位相は±1.3°（Ch3）になる。RF アンプで除去された位相変動の±0.2°は、クライストロン出力でも同じように除去されている。この補償の結果から、
RF アンプの位相変動が直接起因していないクライストロン位相変動が、±0.9°あることがわかる。

図７：30 分ごとに測定したパルス内位相波形と位相変動補償した場合の位相波形。

４．考察
以上の結果から、クライストロンで生じる位相変動は 0.9°/℃と見積もることができる。クライストロン出力のこの位相変動の要因は明らかでない。一方、パルス内でのクライストロンで生じる位相変動は±0.9°である。この変動の原因としては、PFN 調整があげられるが、PFN 調整によって位相をどの程度まで平坦にできるかは、今のところは明らかでない。

５．まとめ
クライストロンで生じる位相変動が見積もられたが、今回、この原因の特定はできなかった。クライ
ストロンの位相変動補償はビームの安定化には必要不可欠であり、今回の位相測定結果から、温度変化が主因と考えられる長時間のクライストロン出力位相変動は、フィードバック補償をすることで±0.2°に制御でき（図２②期間）、パルス内の位相変動はフィードフォワード的に関数発生器で平坦部を±0.3°に補償可能であることが明らかになった。しかし、現状ではこの方法では除去できないパルス間の位相変動[6]や電源変動[4]による不安定性があり、加速ビームの安定性は充分でない。

参考文献
図６：パルス内の位相波形。Ch1、Ref1：0.05°/mV、Ch3、Ref4：0.04°/mV。

3.8 パルス内での長時間の位相変動
図７にクライストロンの印加電圧を 19.5kV にしてから、30 分ごとに記録したパルス内のクライストロン出力位相波形を示す。これは、クライストロン出力位相にフィードバック補償をして測定した。パルス内の位相波形は、ほぼ保存されているように見えるが、パルスの後ろの部分はやや変化しているように見える。関数発生器を用いてのパルス内の位相変動補償では、パルスの先頭の 2µs を除けば平坦部は±0.3°である。しかし、pulse-to-pulse では位相の形がパルス内でも変化していることが観測されている。

[1] 佐藤 勇、他., "日本大学電子線利用研究施設の現状と研究計画" Proc. of this Meeting.
[2] 横山 和枝、他., “RF Phase Drift Compentation with aFunction Generator”, Proceedings of the 25th LinearAccelerator Meeting in Japan, p.108, 2000.
URL:http://www-linac.kek.jp/mirror/www.spring8.or.jp/JA
PANESE/conference/li-me00/proc_index.html[3] 横山 和枝、他., “クライストロンドライブ系の位相安定化”, Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meetingin Japan, p.231, 2001.
URL: http://conference.kek.jp/lam26/PosterPr.htm#L5[4] 早川 建、他. , “商用電源変動とビーム不安定性”,
Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting inJapan, p.285, 2001.
URL: http://conference.kek.jp/lam26/PosterPr1.htm#P3[5] K.Nakao. et al., “PHASE VARIATION OF HIGH POWERKLYSTRON AT KEKB LINAC”, Proceedings of the 22nd
Linear Accelerator Meeting in Japan, p.137, 1997.
URL: http://conference.kek.jp/lam26/PosterPr1.htm#P3[6] 境 武志、他., "FEL 用 S バンドロングパルスクライス
トロンの動作安定化テスト" Proc. of this Meeting.