Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

R & D Plan of RF Source in KEK GLCTA
S. Fukuda1,A), M. AkemotoA), H. HayanoA), T. HigoA), H. HonmaA), S. MatsumotoA), H. NakajimaA) , T. SaekiA),T. ShidaraA) , N. TerunumaA), S. TokumotoA) , M. YoshidaA), K. WatanabeB) , T. SueharaC)
A)
High Energy Research Organization(KEK) , 1-1 Oho, Tsukuba, 305-0801
B)
Tohoku Gakuin University, 1-13-1 Cyuuo, Tagajyo, 985-8537
C)Tokyo University, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033
Abstract
R & D plan of GLCTA(Global Linear Collider Test Accelerator) is now under progressing. It is a three-year plan andthis year is the second year. Mission of this plan is to built the one-unit system comprised of two 75-MW PPM
klystrons, an SLED-II type pulse compressor and high gradient X-band accelerator structures: to demonstrate the highpower generation, the high gradient test of the structure and the beam acceleration by this RF source. We have
manufactured the pulse modulator, which has a capability of an applied voltage of 500kV, a pulse width of 2.5 µs (halfwidth) and a repetition rate of 150pps in maximum. In this spring an operation of the X-band PPM klystron started. In
this paper, R & D plan of GLCTA RF source is described.

KEK GLCTAにおけるRF源のR＆D計画
年間で、GLCで必要とされるSLED-IIを用いて、Xバンド帯の大電力RFパルス600MWを導波管に通す実証試験までは行うことを必須の目標としている。本稿
では、KEK GLCTAにおけるRF源のR＆Dということで、GLCTA-第3号ステーション、第4号ステーションに関する、現状と計画について述べる。

１．はじめにKEK で は 、 2003 年 よ り GLCTA (Global LinearCollider Test Accelerator)を3年間で整備しようという計画を実施中である。これはKEKのアセンブリーホール(ATFが現在展開されている)にRF源を集約し、Xバンド加速管の試験まで行おうとするものである。これに関する最初の計画と意義については
２．GLCTA 3 及び４号ステーションの概要
文献[1]に述べられている。概要としては、(1)今までKEK-AR南棟に設置されていた2台の大電力パルス
ここではGLCTA-3号及び4号ステーションの概要に電源と電磁石集束Xバンド50MWクライストロンを、ついて述べる。GLCTAはKEKアセンブリーホール内でアセンブリホールに移設する｡その後、2台のクライATFに隣接するエリアに位置し、将来はATFからの引ストロン電力を合成し加速管入り口でGLC計画の仕き出しラインで、GLCTAにビームが引き込むことが様である65MWを投入できる試験ベンチを作ること。
可能な場所になっている [1] 。図１に更にGLCTA部分(2)新たに4台の大電力クライストロンを運転できるの詳細図を示した。現在GLCTA-No.3のクライストロベンチを2ヶ所作り、それぞれクライストロンのプン1台分が出来ており、今年度同ステーションのもロセッシングやSLED-IIの試験を行う。(3)その後、
う1台のクライストロン分及びGLCTA-No.4のクライ所定のRFを加速管にフィードし、ATFリングからのストロン1台分が製作される。今年度はXバンドPPMビームを用いて加速試験を行う、という3つの計画
クライストロン2台を少なくとも出力50MWまでエーからなっている。(1)に関しては、GLCTA試験ステージングを行う。SLED-IIのコンポーネントも同時にション1号機、2号機と称して、整備が終わり2台の今年度製作を行い、2005年度春にはこのクライストクライストロンからの合成電力を加速管に供給し、既にプロセッシングを開始している [1] 。(2)に関し
Kly #6Focus P/Sては、GLCTA試験ステーション3号機を新規で製作すMOD #4
Kly #5Local
ることになり、電源の半分(クライストロン１台分)
MOD #1
Control
Kly #1
DCPS
Roomがまず着手された。2004年4月から組み立て開始、5
Kly #4
Kly #2
MOD #2
MOD #3
月中旬には、GLCの常電導か超伝導かいう技術選択
Focus P/S
Kly #3を 勧 告 す る 役 割 を 持 つ ITRP
(InternationalTechnology Recommendation Panel) のKEK査察に向SLED II
け、運転を開始した。(3)に関しては、とりあえず、X-band Structure
3年計画でベンチの整備を行った後で、出来る所までやろうということなると思われる。少なくとも3
CAMAC Cont.
for Modulator& RF Control

Low Level
Control

Low Level
ControlComputer
Control

Water Header

Low Level
Control

Water Header
Water Header

Water Header

AC Breaker Box
420V, 200V, 100V

図１
1E-mail: shigeki.fukuda@kek.jp

75

Low Level
ControlSLED IIWaveguideControlPower Supply Panel

GLCTAの配置図(アセンブリーホール)

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

表１

GLCTA-＃3

電源の仕様

モジュレータタイプ
ラインタイプパルサー
クライストロン印加電圧550kV（Max）
パルス幅(電圧)
2.5 µs(平坦部)
パルス幅(RF)1.6 µs
パルス繰返し150pps（最大時; 4台の32kJインバータ電源駆動）
最大平均電力約190kW
パルストランス昇圧比
1:24
使用サイラトロン
CX2410X(又は同等品)
1台の筐体あたり、8台のインバータ電源、2台のサイラトロン、2台のPFNで2本のクライストロン駆動。

では開発目標である75MWピーク出力が達成されている[3]。現在の目標は、長時間の安定した運転であるが、そのためには解決しなければならない点がいくつかある。ひとつは、50MWを越えるとパルス幅が欠ける不安定な現象が観測されること、また出力のセラミック窓がエージングによっては破損する事があることなどである。また、定格のRF出力を出そうと思うと、そのRF電力を吸収する無反射終端の開発も必要である。これらは現在進行中である。
今年度の目標としてはすでに製造されたPPM-4号機と称される2本の未試験のクライストロンをGLCTA-3号ステーションでエージングしてクライストロンとして仕上げることである。ビーム管としては印加電圧500ｋV,電圧パルス幅2.5μs、繰返し150ppsを、RF出力としてはRF先頭電力50MW以上、RFパルス幅1.6μs、繰返し50ppsを目標としている。
ここで仕上げたクライストロン2本を2パックとして、来年度SLED-IIの試験に供する予定である。
GLCTA-4号ステーションも、3号ステーションと基本的に同じ思想と同等の仕様で製作を行う。ただしGLCで目標とするクライストロンの最大出力は75MWであるので、これを安定に達成させる為には90MW程度の出力までのエージングが必要であろうということで、それに対応できるように最大クライストロン印加電圧は600kVまで可能なように仕様変更した。3号ステーションと同じ方針で、クライス
トロン1台分の電源とソケットを今年度製作する予定である。ここは将来にわたってクライストロンのエージングステーションとして稼動する。

ロン2本を用いてSLED-IIでRF電力の圧縮試験を行う予定である。図２にGLCTAにおけるスケジュールを示す。
このGLCTAでは、クライストロンへ電力を供給するパルス電源は通常のラインタイプ型パルス電源を用いている。これは、GLCで提案されているIGBTを用いたInduction型のパルス電源は現在のところR&D的な段階であり、クライストロンやRFコンプレッサーの評価とは分けて試験すべきであるという考えから来ている。電源の仕様は表1に示す。この表からもわかる通り最大電力は大きいが、クライストロンのコンディショニング段階では小さいデューティの運転で十分である。
以上を考慮し、DC電源部は、現在入手しやすい、32ｋJ のインバータ電源を必要に応じて段階的に増強し、最大8台並列で運転することにより、最大定格を得ることを考えている。インバータ電源の選定
３．GLCTA-3号ステーション現状はKEKで共通のリソースであることが故障時に有効
GLCTA-3号ステーションは2004年4月から組立がであると考え、KEK電子陽電子ライナックのCバンド始まり、5月中旬からPPMクライストロン5号機を据化計画で使用された東芝製の32kJインバータ電源をえ付けて試験を開始した。図3に据え付けたPPM5号採用した[2]。
機の写真を示す。最初はシステムの虫だし等も兼ね2台のクライストロンを駆動するには1ステーショ
ンあたり2台のPFNとサイラトロンを持った電源を製て ビ ー ム 試 験 か ら 始 め た 。 当 初 は 繰 返 し を 12.5作する。これも段階的に増強する。クライストロ
25pps程度にして、インバータ電源1台駆動でクライン･ソケットとしては、SLED-II用２パックを考え、ストロンへの印加電圧を500kVまで通電した。モ
2台のクライストロンが並んでセット出来るタンク
ジュレータのチェック、制御系のチェック、低電力となっている。サイラトロンは、故障時に予備品がRF系のチェック等すべて同時進行で行い、5月下旬すぐ準備できるようにKEK電子陽電子ライナックでのITRPの視察に向けて準備を行った。この間24時間使用されているものと同等のものを使用する。その連続運転で2週間ほど、クライストロンの２極管と結果パルストランスの昇圧比は1：24となっている。
しての試験、大電力RFによる導波管系のプロセッ
これにより最大550ｋVまでクライストロンに印加可シング等を行った。
能である。
Xバンドクライストロンは電磁石収束による電力
ここで使用したインバーター電源は第2章で述べが膨大になるために、それに変わる周期構造永久磁
たように、KEK電子陽電子入射器Cバンドステーショ
石収束型（PPMクライストロン）を開発中である。
ンで既に1年間の長期連続運転の経験があるが、こモデル1号機から5号機まで製作され、短時間の運転

#3-1
#3-2
#4-1
#4-2

FY
month
Modul ator#3-1
High Powe r RF
Modul ator#3-2
High Powe r RF
Modul ator#4-1
High Powe r RF
Modul ator#4-2
High Powe r RF

2003
4--6O rde r

7--92004

10--121--3Manu facturi ng

4--67--9Kly. Test
Man .

2005
10--12

1--3

4--6

7--9

SLED-II 1-75MW KLY S LED-II

SLED-II

Kl y. Te st

50MW+50MW

75MW+75MWSingle Hight

Over Hight

10--121--3

Fe e d Powe r FromS LED-II to S tru ctu re

Man ufactu rin g
Kly. Te st
Man.

Kly. Te st
Kly. Te st

図２

2003年からの3年計画スケジュール
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図５
図3

GLCTAにおけるPPMクライストロン＃5号機と接続された導波管負荷新クライストロンのプロセッシングを９月から開始する予定である。の間さまざまなトラブルが発生し、しばしばこの電源内部で用いられているIGBTが短絡する現象があった。この解決に1年間メーカーと協同で対策を行ってきた。その改良版がGLCTAの立上げ過程で採用されている。また並列運転制御はGLCTAで始めて試験された。最近の運転では、4台のインバータ電源を並列運転することにより、1台のクライストロンで印加電圧約450kV、印加電圧パルス幅2.5μs、繰返し150ppsの運転が達成された。図4に4台並列運転用にインストールされた電源の正面写真を、図5にこのときのパルス電源の充電波形(マスター電源、スレーブ電源)及びPFN充電電圧を示した。なおこの試
験での、電圧の上限は負荷であるクライストロンの耐圧によって規制されている[4]。
PPMクライストロン5号機の運転に関しては、当初AR-南棟でエージングされていたものが耐圧的に問題があるために再度GLCTAで試験を開始したという経緯があったことと、試験装置が立ち上がったばかりということで十分に試験がなされたとは言いがたい。再開後やはり耐圧上の問題が見出され、電子銃放電によるFault Rateが高いこと、またRF的な
不 安 定 (Pulse Shortening) が 観 測 さ れ て い る 。
GLCTAにおける試験については文献[5]に報告されている。現在の所、印加した最大電圧は506ｋV, RF出力では50ppsで47.5MWまで確認した。今後は、7月まで不安定に関する調査を行い、前述の通り2本の

図４4台並列、150pps運転時の充電電流波形及びPFN電圧波形。

４．GLCTA-SLEDII
来年度春から目標としているSLED-II試験は現在、2段階による試験を考えている。第一段階はシング
ルハイト導波管を用いた50MW+50MW合成である。
これは導波管への大電力投入がKEKで始めてである
事、安定なクライストロン出力としては初めは50MWが妥当であろうということ、及びダブルハイト導波管の開発に時間を要することが背景にあるためである。この試験と平行して必要な開発は進め、第二段階として定格である75MW+75MWの合成をダブルハイト導波管で進める予定である。また、KEKで提案されたDLDSについても同時に検討を進めたい。

５．まとめ
KEKにおけるGLCTAは3カ年計画の2年目に入り、昨年開始された加速管の大電力試験に続き、RF源の試験ベンチが稼動し始めた。また、今年度拡充分も進行中である。実用的なクライストンの安定運転、SLED-IIの構築に向けてR&Dが進んでいる。

参考文献[1] 明本光生, 他, “GLC XバンドRFシステム開発の現状”,
Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting inJapan, Tokai, July 30-Aug.1, 2003, pp.42-44.
[2] 中島啓光, 他, “小型パルス電源の特性と今後の課題”,
Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting inJapan, Tokai, July 30-Aug.1, 2003, pp.48-50.
[3] Chin. Y. H. and GLC Development Group, “Status of the
GLC X-Band Power Source R&D”, Proc. of the 2003 PAC,
May 12-16, 2003, pp.479-481.
[4] 明本光生, 他, “GLCTAのXバンドクライストロン用パルス電源”, presented in this meeting.
[5] 佐伯学行, 他, “GLCTAにおけるPPMクライストロンの運転”, presented in this meeting.

4台のインバータ電源がインストール
された電源の内部写真

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