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)

DEVLOPMENT OF S-BAND TRAVELING WAVE RF WINDOW
T.Sakai1,A), I.Sato B), T.Tanaka B), K.Hayakawa B), Y.Hayakawa B), A.Mori B), K.Nogami B),
K.Kanno A), K.Ishiwata A), K.Nakao A), S.Fukuda C), S.Michizono C)
A)
Graduate School of Science and Technology, Nihon University
1-8-14 Surugadai, Kanda, Chiyodaku, 101-8308
B)
Laboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
C)
High Energy Accelerator Research Organization, KEK
1-1 Oho, Tukubashi, 305-0801
Abstract
A cold model of a traveling-wave-in-ceramic (TWC) type S-band (2856MHz) RF window was designed andfabricated. The ceramic in the RF window has the same dimensions as those used in S-band pillbox type windows. The
impedance matching between the rectangular waveguide and the cylindrical waveguide was adjusted with irises locatedon the boundary. The dimensions of the window were determined by calculations using the simulation code HFSS.

Sバンド用進行波型高周波窓の開発
ク内は進行波となる。設計は以下の手順で行った。
初めにアドミッタンスチャートを用いるKEKの竹内保直氏の方法から半解析的に進行波となる寸法を決め[7]、次にHFSSを用いて全体計算、共振モードの計算を行い、各寸法の調整を行った。HFSSによる計算結果から低電力モデルを製作し、周波数特性測定を行った。

１．はじめに日本大学電子線利用研究施設（LEBRA）では0.3～6.0µmまでの紫外領域から赤外領域の自由電子レーザー（FEL）発振、パラメトリックX線放射（PXR）を目標に開発研究を進めている。
現在は0.885~6.0µmの範囲のFEL発振[1,2]、2004年4月にはPXR発生に成功している [3]。特に紫外領域でのFEL発振では利得が低くなるので、長パルスの電２．セラミック部分の選択と共振モード子ビームが要求され、LEBRAではクライストロン
RF パ ル ス 幅 20µs で 運 転 を 行 っ て い る 。 こ れ ま で
通常、進行波型高周波窓に用いるセラミック材の行ってきたクライストロン下流側排気能力強化や[4]、 厚さは、帯域が最も広く取れるように、セラミックの 管 内 波 長 の 1/4 付 近 が 選 ば れ る （ S バ ン ド で はクライストロン内側の排気強化等を行い新しく試作7~8mm程度）。しかし、新たな厚さや純度を変えた
したPV-3040Nクライストロンでは、出力高周波窓セラミック材を用いる場合、セラミック材の接合の一つのクライストロンで20µsのパルス幅での運転に成功している[5]。
問題や、セラミックでの共振モードに関する考慮等を行う必要が出てくる。そこで、セラミック部分に本研究では長パルスモードでのさらなる安定動作は、すでにKEKBのSバンドピルボックス高周波窓を目指すために、高周波窓の構造に関して検討をで用いられ、実績のある日本特殊陶業製の窓部分行った。高周波窓の構造に関する研究はこれまで数（HA-997（純度99.7%）、径84.7mm、厚さ3.2mm）多くなされており、その中でセラミック表面での電界を下げることが出来る、進行波型高周波窓がある。 をそのまま用いた進行波型高周波窓の検討を行う事とした。また現在使用中の窓部分をそのまま使用でこの進行波型高周波窓は、BINPのSergey Kazakov氏きるため、導波管部分の交換のみで置き換えることによって考案されたもので、セラミック中で電界がができるというメリットもある。
進行波となり、セラミック表面での電界を下げるこ設計の前に、使用するセラミックの共振モードのとが可能で、また窓に対して垂直方向の電界が存在確認を行った。計算ではセラミック表面でのフィーしない、といった特徴がある[6]。
ルドマッチングを用いる解析的な計算法から[8]、セ製作する高周波窓は、Sバンドクライストロンに実用できるサイズが望ましく、矩形導波管から円形ラミックに無限長の円形導波管が接続されていると導波管に変換する部分にアイリスを入れるタイプでして、セラミックの局在モードを計算している。結設計を行うこととした。この窓はアイリスとセラ果を図1に示す。これより、運転周波数の2856 MHz
ミックの片面で整合を取ることで定在波が生じるの±100MHzに共振は無いことを確認した。
はセラミックとアイリスの間だけとなり、セラミッ
1E-mail: sakai@lebra.nihon-u.ac.jp84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)

使用セラミック厚1.0j

3.4

2.0j

0.5j

3.3

周波数[GHz]3.23.1ε= 9.735.0j

ε= 9.8ε= 9.92.9(7)(4)5.02856MHz

2.82.7
2.6-5.0j(8)

2.52.95

3.053.15

3.25

3.35(2)(3)

2.00.2j(6) (1)(5) 1.0(10) 0.5

0.2-0.2j

(9)

3.45

セラミックの厚さ[mm]

-2.0j

-0.5j

図1：セラミック局在モードの周波数とセラミック厚の関係。セラミック径84.7mm、誘電率9.7～9.9で
図3：アドミッタンスチャート上での整合解。等価の計算した結果。2856MHz±100MHzに共振は無い。 回路上のそれぞれの番号位置から負荷側を見た時の-1.0jアドミッタンスに対応。

３．竹内法を用いた基本寸法の決定

図2にピルボックス型高周波窓の等価回路を示す。
セラミック
ここで、Bは矩形導波管から円形導波管へのステップで生じるサセプタンス、Y1、Y2、Y3はそれぞれ、矩形導波管、円形導波管、円形導波管内部に誘電率εのセラミックを入れた場合の特性アドミッタンスである。またTはセラミックの厚さ、Lはセラミッ
アイリス
ク表面から矩形導波管までの長さである。伝送モー
図4：進行波型高周波窓の模式図(1/4カット図)
ドは、矩形部分はTE □ 10 モード、円形部分はTE ○ 11モードを仮定する。使用する矩形導波管寸法、円形
計算では透過電力50MW時での従来窓のセラミッ導波管の径、及びセラミックの誘電率が決まっていク 中 心 電 界 3.7MV/m 、 端 部 1.7MV/m 、 最 大 電 界るため、アイリスの長さ等を変化させ整合が取れる
6.0MV/m(HFSSでの計算値)を下回り、パスバンドように決めると、B/Y1 、Y1/Y2 、Y2/Y3 が決まる。
(VSWRが1.2以下の帯域)は過去に製作されている他
Y2/Y3=0.225 は イ ン ピ ー ダ ン ス の 比 か ら 求 め 、の進行波窓での100MHz付近を目標とした[6,9]。計算B/Y1=1.07、Y1/Y2=1.93の値はHFSSを用いて求めた。 より、L=71.7mm、iris=13.2mmのときに、運転周波
T

矩形導波管

セラミック

L(10)

L

アイリス

(4) (3) (2)(9) (8) (7)数でのVSWR1.02、パスバンド68MHz、セラミック
中 心 電 界 2.5MV/m と い う 結 果 が 得 ら れ た が 、2827MHzに図5に示すような体積共振が現れる事がわかった。そこで、電界は2.6MV/mとわずかに上がるが、少しずらした、L=72.5mm、iris=13.1mmを基
本 寸 法とした。これよりVSWR1.06、パスバンド68MHzとなり、共振周波数は2813MHzとなる。

(1)(6)(5)
jB

jB
Y3

Y1
Y2

Y1Y2

図2：ピルボックス型高周波窓の等価回路
図3にアドミッタンスチャート上での整合解を示す。各番号は等価回路上のそれぞれの番号位置から負荷側を見た時のアドミッタンスに対応している。
これより、基本寸法はL=70mm、irisの長さ=14.5mm付近、厚さ3mmとした。この基本寸法を基にHFSSを用いて全体計算を行い、各寸法の調整を行う。

図5：体積共振計算例。L=72.1、iris=13.2のときの周波数2827MHzでの体積共振の様子。

またパスバンドは70MHz程度と狭いが、LEBRAではSLED等を用いる予定は無く、またクライスト
４．HFSSによる計算
ロン、加速管等と比較して広いために、問題は無いと判断した。また基本寸法のL、アイリスの値を±アドミッタンスチャートから求めた寸法を基に0.2mmずらした場合のVSWR特性の様子を図6に示す。
HFSSを用い各寸法の調整を行った。図4に計算に用
この結果より、L=72.3mm、iris=12.9mmでは運転周いた窓の1/4の模式図を示す。矩形導波管から円形波数でのVSWRは下がる傾向にあり、パスバンドは導波管変換部にアイリスを入れた構造をし、また矩200MHz付近まで広がることが分かった。しかし少形から円形のステップ部にはRをつけ計算を行った。 し の 寸 法 の ず れ に よ り 、 折 り 返 し て い る 部 分 の85

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VSWRが1.2以上になり、その場合、パスバンドが半分以下に急に下がってしまうため、それを避けるた
めに全体の精度を±0.1mm程度とし、その領域を避けるようにした。

測定結果

L=72.7,iris=13.31.3

基本寸法
L=72.5,iris=13.11.25
VSWR

2.85

2.8

2.75

1.21.152.7
711.171.5

7272.57373.574

円筒長さ[mm]1.05

図9：共振周波数の測定値と計算結果。計算値とほぼ一致。2737MHzは測定では見つからなかった。

L=72.3,iris=12.9

12800

運転周波数

2.9

周波数[GHz]

運転周波数

HFSS結果2.95285029002950

30003050

周波数[MHz]

６．まとめと今後の課題

図6：基本寸法からL、irisを±0.2mmずらした場合のVSWR特性の比較。

Sバンドピルボックス型高周波窓部分(HA-997(純度99.7%)、直径：84.7mm、厚さ：3.2mm)を用い、Sバンド用進行波型高周波窓の設計、及び低電力テストによる周波数特性の測定を行った。試験の結果、
パスバンドは60MHz程度と狭いが、VSWR等は計算値にほぼ近い値であり、セラミック表面に水平方向の電界は従来のピルボックス型に比べ、30~35%程度低い2.6MV/m@50MWとなることが予想された。
今後はビーズ法により、窓表面での電界を測定し、今回の測定結果と計算値との比較を踏まえ大電力モデルの製作、及び、試験を行っていく予定である。
またこの窓のクライストロンへの実装も検討を行う予定である。

５．低電力試験
HFSSの計算結果を基に図7に示す低電力モデルを製作した。導波管部分は真鍮で製作し、円筒部分は長さ調整用に2つに分離し、パーツの組合せにより基準値±1mmの範囲を0.1mm間隔で調整できるようにしている。アイリス部も基準値±0.2mmずらしたものを3パターン用意した。
SLAC窓
円筒導波管

矩形導波管

参考文献
[1] T.Tanaka, et al., "Operational Status of 125-MeV Linac at
Nihon University", in these proceedings.
[2] Y.Hayakawa, et al., "Analysis of the Gain Saturation inLEBRA FEL Using GENESIS”, in these proceedings.
[3] Y.Hayakawa, et al., "Present Status of the Parametric X-ray
Generator at LEBRA", in these proceedings.
[4] T.Sakai et al., " S-Band Klystron for Long Pulse Operation"
Proc. The XXI International Linac Conference(LINAC2002), Gyeongju, KOREA (2002) p712-714.
[5] T.Sakai, et al., "FEL用Sバンド大電力クライストロンの長パルステスト運転", Proc. 28th Linear Accel. Meetingin Japan, Aug. 2003, Tokai, Japan, pp.351-353.
[6] Sergey Kazakov,: "Development of New Type of HighPower RF Windows", Doctoral dissertation(2003).
[7] Yasunao Takeuchi,: "高周波窓のインピーダンス整合解（ Pillbox 型 、 及 び 同 軸 平 板 型 に つ い て ） ", KEKPreprint
2002-124,December
2002,
A,
4thSuperconducting Linear Accelerator Meeting in Japan,KEK, Tsukuba, Ibaraki, JAPAN, Mar. 12-13, 2002.
[8] M.P.Forrer and E.T.Jaynes,: "Resonant Modes inWaveguide Windows", IRE Transactions on Microwave
Theory and Techniques, Volume MTT-8 March, 1960
Number 2, pp.147-150.
[9] S.Michizono, et al., "High-power Test of Pill-Box and TWin-Ceramic Type S-Band RF windows", 17th International
Linac Conference (LINAC94), Tsukuba, Japan, August 2126, 1994.(KEK Preprint 94-157 December 1994 A).

図7：低電力モデル概観写真。導波管部は真鍮、窓部分は実際に使われていたSLAC窓を使用。
VSWR特性測定の結果を図8に、共振周波数の測定結果とHFSSでの計算結果を図9に示す。Lが計算値から少しずれ、L=72.1mm、iris=13.1mmで計算とほぼ一致し、VSWR1.06、パスバンドは少し狭くなり61MHzが得られた。共振周波数はそれぞれほぼ計算通りの周波数にあることが確認できたが、L=72.1mmと基本寸法から少しずれたため、体積共振が2819MHzとなり、運転周波数に近づいている。
また計算では2737MHz付近での共振周波数を求めていたが、今回の測定では､見つからなかった。
1.30

運転周波数

1.25
VSWR

1.20

61MHz

1.15
1.10
1.05
1.00
2800

2850

2900

2950

30003050

周波数[MHz]

図8：VSWR特性測定結果。L=72.1mm、iris=13.1mm、パスバンド61MHz、VSWR@2856=1.06。
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