Proceedings of the 20th Linear Accelerator Meeting in Japan (September 6—8,1995.Osaka Japan)mDouble Feed Coupler for the Linear Collider
K.Watanabe, M.Oyamada, T.Nakazato, H.MatsumotoA), H.AkiyamaB) and K.Nishitanic,
Laboratory of Nuclear Science, Tohoku University
I-2-1 Mikamine, Taihaku-kuf Sendai, 982 Japan
A> KCKVNational Laboratory for High Energy Physics
1-1 Oho, Tsulcuba-shi, Ibaraki* 305 Japan
9> Hitachi, Ltd. Hitachi Research Laboratoiy
1-1 Omika-cho, 7-chome, Hitachi-shif Ibaraki, 319-12 JapanQ ATC Co., Ltd.
36-7 Namiki-cho, Hachioji-shi, Tokyo-to,193 Japan

ABSTRACTIn generally, conventional cavity with single coupling iris has asymmetrical accelerating field which is caused by thecoupling effect between a generator and a cavity. It is one of the main reasons to cause a beam deflection and emittance
growth. A double feed type coupler has been proposed to improve the field symmetry which produced by two couplingirises as much as simple structure. The cavity was tested a maximum electrical surface gradient up to 118MV/m with amicroscopic field enhancement factor p of 66 was obtained from Fowler-Nordheim plot It was confirmed that the double
feed type coupler has enough performance to use the high gradient accelerator.
リ ニア コラ イダ ーの ため の ダ ブ ル フ イ ー ド カ ツ ブ ラ ー

1. はじめに
今日では e7e+ リ ニ ア コライダーについての研究が世界各地で行われている [1]。 リニア コライダーでは、今まで以上の高加速電場勾配が要求される。 リニアックにおいてビームは加速管に生じる電界によ つて加速される。その加速エネルギーは主にクライストロンで生成され、伝 送 線 路 （矩形導波管） を通じて加速管に供給される。加速管と矩形導波管の結合部はカッブラーによって 接合される。通常のカッ ブ ラ ー （1 アイリス) では円筒形加速空洞に生じる電界は加速空洞の中心軸に対して対称になっていないことが知られている。
( カップラ一非対称問題） [2] この非対称性は加速ビームに悪影響を及ぼす。

d: the length of the cavity ; d s 30mm
a: the aperture rudius ; as 10mm
E: the electrical field ; E= 30MV/m
X：the wave length ; Xs105mm
AE: the variation of electrical field; AE7E<-0.1%

図 1

カ ツ ブ ラ ー で の 電子ビームの 性質

1 アイリスカツブラーの加速空洞の場合、電界の非対称性が存在すると仮定するとビームは図 1 のように力をうけ加速空洞の中心軸から離れてしまう。 この中心軸からのずれ Ar は運 動 量 を ；?、 ビ ー ム の 進行距離
を L とすると式(1) となる。

Ax = ------- L A0COS0 + — sin 6Arnpc LE.

(1)

ここで、 A(j> は半径方向の位相非対称 量、A E /E は電界非対称率、 0 はビームと高周波の位相角を表す。
ここでは電界強度 E 、 ア パ ー チ ャ 一 半 径 ム 管 内 波 長
义、空洞の長さゴは図 1 に示した値を用いた。右辺第1 項は電界位相の非対称性による項であり、第 2 項は電界振幅の非対称性による項である。高 周 波 位 相 e は、この場合 0 = 冗/ 2 である。計算の結果を図 2 に示す。
ここでは、 L は l m とした。 これはエミッタンス成長、BBU等の原因になり、高加速電界、 ビ ー ム の 低 エ ネルギー領域で特に問題になる

Beam momentum p [MeV/c]
図2

結合空洞電界非対称性とビーム偏位量の関係

この問題の解決策の 1 つとして、 カッブラーを 2 アイリス構造にし、電界を対称にすることである。今日ま で 2 アイリス構造の力ッブラーは幾つか試作されたが 、 これらは複雑な構造であり量産に適していない[3][4]o 今回試作した 2 アイリス構造カップラー「ダブルフイードカップラー」 は可能な限り単純な構造で電界を対称になるように工夫した [5]。図 3 にその形状を示す。図 3 に お い て ム ， Q, は低電力で測定した共振周波数、結合係数、無 負 荷 2 値である。 アイリスは加速空洞の上下に存在し、 これらのアイリス管の距離は導波管の管内波長の整数倍（ここでは 3 倍）になっている。 また下側のアイリスから短絡面までの距離は（1/4波長 ）+ (1/2波長の整数倍 (1倍)）になっている。本論文ではダブルフイードカツブラーの大電力試
験について報告する。

G u i d e w a v e le n g th;又。=153.10mm

3•大電力試験
このカップ ラーは 無 酸 素 銅 （0FC) を使用して製造した。 ダブル フ ィ ー ド カップ ラーの 大電力試験は
KEK-ATFにある高電界発生試験装置を使用して行われ た [7]。この試験は高周波空洞に高電界を発生させ、耐放電性能及び暗電流を調査し、その性能を通常の空洞と比較する事を目的とした。
今回の試験では実験装置を図 5 のように構成した。
試験中、真 空 を IO -10 T o rr 台に保つため 2 00 " s イオン

ん=2851.7 MHz
1.27
Q0=10648

ボ ン ブ 2 台 と 100 ^/ s 高温活性型 NEGボン ブ 2 台を用いた。真 空 度 は 2 台の B-Aゲージで計測した。 また残留 ガス 分 析 器 (RGA)を使用し試験空洞内に存在する気体を分析した。高 周 波 電 力 発 生 装 置 （クライストロン) は、周波数 2851.3±0.1MHz、パ ル ス 幅 （フラットトップ）2/xs 、繰り返し 10Hzで運転した。高周波電力は高周波窓直前の方向性結合器の出力を通じてピークパワーメーターで高周波出力及び波形を測定した。暗電 流 は 2 ヶ所に設置した簡易型ファラデーカップ(F.C-l,F.C-2) に終端した電荷の平均電流をピコアンメ一ターで測定し、時間変化をオシロスコープで測定した。 これらの波形を図 6 に示す。図 6 の(a) は空洞への 入 射 波 （クライストロン出力波）、（b) は空洞からの反射波、（c ) は F.C-1で測定し暗電流の時間変化を表す。

；3Ag = 2 5 9 .3 0 i
図3ダブルフィ一ドカッブラー

2. ダブルフィ一ド力 ッ ブ ラ ー の 基 本 原 理 4
この力ッブラーを等価回路で表すと図 4(A )のようになる。図 4(A )においてアイリスはサセブ夕ンスとして(2)式で表現される [6]。
わ= - 2 tan 氏(2)Cir.; Circulator
W.L; Water Load

R-A

P : 伝 搬 定 数 ；爲= 1 叫、DoubleFeedCouplerz ：伝送線路上の位置
また、伝送線路のアドミッタンスは短絡面で終端されている場合、（3)式で表現される。

y=-；y 0cot^Klystron
3.4 MW(max)2851MHzW.L(3)

RGA ; Rtsidual Qm Analyzer
B-A; B-A Gaug*
I.P;lon Pump

y0 : 特性アドミッタンス
図 4 (A)の回路は⑵ (3)式から (4)式で表現される。

Y = -2 ) tan j3z, - 2フtan pz2 - jYQcot

図5(4)

右 辺 第 1 項 と 第 2 項はアイリス間の距離を考慮すると同じ値になる。 アイリスから短絡面までの距離が(1/4波長) + (1/2波長の整数倍)になっている場合伝送線路のアドミッタンスは無視出来るので図 4(B )のような回路になる。 アイリスの口径、厚さは上下とも同じなので、両方のアイリスから同じ電力が加速空洞に入力される。 このため加速空洞の中心軸付近の電界は対称になることが期待される 。 •00.5

ZiZ2bi:Zi(A)z 2 ベl+m)^g
z 3 ^(l+m-bn/2+1/4) h

図4等価回路(I, mslt 2,....)(n=0.1.2,•.…)

高周波波形

bSZ2(B)

実験装置

11. 52Time [jis]図6^.g)

F.C; Faraday Cup

F.C-1

2.53oo1.

暗電流はそれぞれ Fowler - Nordheimブロツト (F-Nプロット）[8] 及び空洞の最大加速電圧の計測は暗電流の平均値を使用した。F-N プロツトは図 5 のF.C-1で計測ざれた電流と空洞の最大表面電界ち.から求められる。暗電流の運動量は 90° 偏向電磁石を使用し計測され、偏向した暗電流は F.C-2で測定される。 は空洞の蓄積エネルギーから計算し、空洞の入力電力

P u ls e w idth: 2RF c y c le: 1 0 Hz

2sro

各試験は高周波電力発生装置の最大電力 3.4 MWまで行った。 この時、試験空洞に生じるもは⑶式より: 1 .5 3 x 1 0 * 10 Torr

Ea = 1 1 8 M V /mo(5)S u r fa c e field

468VpTmW]oE s [MV / m ] :co6

P を用いて次式で表される。

o8【％】/o r B dar

Total p r e s su r e2030
Mass No.

118MV/mである。本試験ではクライストロン出力の限50界によりもが則限されたため限界性能は評価出来なっかた。 この時の F-Nブロツ卜、暗電流運動量分布、試験空洞内の残留ガスの測定結果をそれぞれ図 7 、図 8 、
図 9 に示す。図 7 の？-1^ブロツトから電界増大係数 Pは 6 6 である。更 に F-Nブロツトは直線であり、 また
図 8 の暗電流運動量分布はなめらかなの^：% 空洞内でマ ル チ パ ケタ リ ングや放電が発生して い な い 事がわかる。 また図 9 より試験空洞中に残留するガスは主に質量 数 2, 2 8 の物質であることがわかる。 これらはそれぞ れ H2，C O または N 2 に対応する。 図 7 、 9 の結果は通常の力ツブラ一と比較しても同様な値であることがわかった[9]。 これらのことから、 このガツプラーをリニアックに導入した場含、電界の対称性の長所が十分に発揮出来ることは明らかである。

図9

残留ガスの存在率

4 . ダブルフィードカッブラーの応用
当初、 ダブルフィードカップラーは、電子ビームのエネルギ一が低ぐ高加速勾配が必要とされる RF電子銃で使用するために開発を始めた。 しかし、 リニアコライダーのように長いリニアックでは、 ビームのエネルギ ー は高くてもカッブラーの非対称性によるビームダイナミッグス上の問題が生じることが考えられる。
このためRF電子銃で使用するだけでなく、 リニアックの加速管に電力を供給する力ッブラーとして導入することも検討している。

5•まとめノ本試験によりダブル フィ 一ド 力 ップラーは リ ニ ア ックのカップラーに適用出来ることが明らかになった。
この力ッブラーは大電力試験の後、摂動法 [10]を用いて電界の対称性を調べる低電力試験を行う予定である。

-66^-67--68#辞m" -69

KEK-ATF グループの皆様には多大なご指導及び貴重な助言を頂きました。 ここに深く感謝します。

I；£-700.8

図7

参考文献

0.9
11/E [10'8 (V/m)-1]

Fowler - Nordheim プロットt alr< u }cejjno epa
6eje><rrent /s6.9 nA£• =118MV/m« width 2//s：ycl« 10HzTo

ゼ
12M o m e n tu m [M eV /c]

図8

暗電流運動量分布3[1]S.Takeda, Proceedings of the 1994 International LinacConference, August 21-26, Tsukuba, Japan, 611-615[2] "The Stanford Two-mile accelerator",(1968)144-148[3] H. Deruyter，et al. ,1992 Linear Accelerator Conference
Proceedings, 1992 August 24-28 Ottawa, Ontario, Canada
407-409[4]N. P. Sobenin, et al.，Proceedings of the 1994 International
Linac Conference, August 21-26, Tsukuba, Japan 74-76.
[5] K. Watanabe, et.al., Proceedings of International LinearAccelerator Work Shop '95, Mach 27-31，Tsukuba, Japan[6] J. C. Slater，’’ Microwave Electronics ", (1950)，112-116[7] K. Nishitani, Proceedings of the 19th Linear Accelerator
Meeting in Japan, July 20-22, 1994, Tokai, Japan[8] J. W. Wang, " RF Properties of Periodic Accelerating Structure
for Linear Colliders ", SLAC-Report - 339, July 1989
[9] H. Akiyama, et a l 本
研究会[10] J. C. Slater, " Microwave Electronics ", (1950), 80-82