Proceedings of the 20th Linear Accelerator Meeting in Japan ( September 6—8,1995,Osaka, Japan ^© - 52
DESIGN AN D M ANUFACTURING THE 60-KW KLYSTRONDRIVING THE 50-M W KLYSTRON FOR KEKBSHIGEKI F U K U D A
National Laboratory for High Energy Physics (KEK )1-1 Oho, Tukuba, Ibaraki 305, Japan.

ABSTRACTT he KEKB-project (B-Factory project) requires an energy upgrade of the K E K linac from 2.5
G e V to 8.0 G e V and n e w 5 0 - M W klystrons have been developed for this rf source. In order tofeed a drive power to these 8 tubes which are used with S L E D cavities, a 6 0 - k W sub-boostei
klystron (SBK) has been designed in K E K and manufactuied under the collaboration of K E Kand M H I. A proto-type tube was tested and a 6 0 - k W output power was obtained at the beam
voltage of 25 kV, which is produced by the S B K modulator using semiconductor switching
device.

K E K B -50M W タ ラ イ ス ト ロ ン 励 振 用 60kW
クライストロンの設計と試作
1. 序 論kFig.l-aOld Systemloy

一クライストロンの変更を考えている[ l] o 従来は市販

Klst
B
6A

lOkW
Klystron
TH-2436

本 あ る 50M W クライストロンを励振するサブブース夕w

現 在 進 行 中 で あ る KEK B 計 画 で は 1 セ ク 夕 一 当 た り 8

TH品 で あ る 出 力 10kWの ク ラ イ ス ト ロ ン TH-2436を 2 本 並
列 に し て 図 ⑴ aの よ う に 使 用 し て き た 。 しかし今後はSLED を併 用す る ため にビ ー ムと R F の夕イミングの関係

か ら 図 (l)b の よ う に 使 用 す る 。 こ の 時 は 伝 送 ラ イ ン の 損v v w

このようなクライストロンは市販品としてはないので

60KW
SB Klystron

K E K で設計を行い、 三菱重工の三原製作所に製造を_してI式作品を開発した。本 レ ポ ー ト で 仕 様 、 設 計 お よ び

50MW
Klystron

VVVV

2.

vvvv

<1wj—jO/Ei

失 も あ っ て 最 低 で も 40 k W 以 上 の 出 力 電 力 が 必 要 で あ る 。

プロトタイプの試験結果について報告する。

30MW
Klystroi
PV3O30A3

Fig.l-b
New Systemvvvv

サブブースタークライストロンの仕様

現在言愐されているサブブースター用パルス電源のスイッ

図 （l ) a 旧 シ ス テ ム 及 び 図 （l ) b 新 シ ス テ ム 。

チ素子の半導体化！
十画によると、 最 大 36 k V ま で 使 用 できるものをチ采用している。 ク ラ イ ス ト ロ ン へ 印 加 さ れる
定 格 電 圧 を 2 5 k V とし、 か つ 電 子 銃 の マ イ ク ロ パ ー ビ アン ス を 2 0 と す る と 、効 率 30% で 約 60 kW 程 度 の 出 力 電力が期待でき、 そうむずかしい設計は必要ない。 表 1 にサブブースタークライストロンに関するイ士様をまとめて示した。
トムソンのクライストロンとの変更点としては以下の点が上げられる。
( 1 ) 集束磁石を永久磁石から電磁石へ変更C( 2 ) 各 空 洞 は 外 部 同 調 可 能 型 か ら 固 定 型 に し た 。 また利得 を考 えて 空洞 数を 4 空 洞 か ら 6 空洞にした。

0 ) 内蔵のイオンポンプを取り付けた。
( 4 ) 各 空 洞 の 周 り を 水 冷 す る こ と で 、温 度 的 な 安 定 度 を良くした。
(5 ) 入力用の給電同軸ラインは上部から入力空洞に_に入り、内導体が そのま ま空 洞壁 面と の間 で直 線状 ルー プ を 形 成 す る 構 造 と し た 。 これに よ り 集 束 磁 石 等を

表 1.

サブ ブ ー ス タ ー ク ライス ト ロ ン の 仕様
項目

単仕位

様 値

印ヵ_電圧

kV

25.0

麵 職
マイクロパービアンス

A
バA/V3/2

7.91
20pps

>6.0100

パ ル ス 幅 （ビーム）繰り返し（二重パルス）

表 2 . 空洞関係のパ ラ メ ー タ ー空洞

周波数m

番号

MOFfe
1(A力)
2

全空洞

ギヤツプ

Qとの距離

長mm

mm

2858

67.5

2860
2861

97.5
105.0

30
35

2886

97.5
100.0
85.0

4060

450

5.0

5000

5.050005.050005000755.05.05.0

パルス幅（マイクロ波）//SQC

4.034麵

r f 勒

kW>605平均r f® *24>406(出力） 2856

効率W%

利得dB57た。 この計等結果では1W 弱の入力電力を必要とし、何入力勧mW

100らかの増幅器が必要となるが、位相や振幅の安定度の面mm

約690からはなるべくアクティブな素子の多用は避けたいとこ

全長ノBI力 ソ ー ド雛

放冷却方式
イオンポンプ
空洞数

電磁石棘. 水冷却

1 リッターポンプ内蔵6個

289135ろである。利得を上げるために前述のとおり、6 空洞配置で同様に再龍を行ない、最終的な設計値を決めた。

JPNDSKによるミュレ一シヨンによれば、計算上は印加電圧が 25kVの時に、効 率 58.0%、利 得 6I8dB を得た。
よりリアリスティックなシミュレ一シヨンであるFCI コ

出力導波管

39D同軸管- ドによる計算結果では、印加電圧が25kVの時に、効出力フランジHA 規 格 39D用フランジ率 58.9%、利 得 622dB と同様な結果を得ている。 この結果をそのまま信用すれば、出力電力はピーク100kWコンパクトにすることができた。

( 6 ) 全^ 冓造としてSLACのサブブースタークライスト
ロンを参考にさせていただいたHo

以上可能な結果を与えているが、一般的にマイクロパービアンスが2 0 前後のクライストロンでは効率が50%以上となるのはきわめて難しく、現実的には 60 kW 程度以上を期待している。表 2 に最終的に決めた各空洞のパラ•3 .

サブブースタークライスドロンの設計メーターをまとめて示した。出力の同軸管は従来と同様設計丨i 各種 11負:機プログラムを用いてKEKで^亍った。に真横に出ている。 20D から 39D の同軸管に変換した

最初のプロトタイプはすでに完成し、評(而試験を行って後、出力窓が来る。出力フランジは、プロトタイプについる段階である（第五章）。電子敍は口径 1 インチの BI

いては、 トムソンのクライストロンと同様にEIA規格の力ソード（I r コート夕イプ）を使用した。設I 十は電極構バットフランジにしたが、 日本での使い勝手を考慮する造設計については、計算機プログラムEGUN[3] を用いと今後BSX規格に変更することになろう。 ソケット部のた。集 束磁 石 の およ び磁 界の 下 で の ビー ム軌 道の 計

構造としては、クライストロン製^ 時に必要なg 瞭 管 が算については更に POSSCN コード[4 ] を用いて行なっ電子銃部の下部に位置しているために、そのチップオフた。電子4支は、良く知られたピアス式電子銃設計にもと部 ( 真空封じ切部）の 髓 も 兼 ね 、金属の絞り加工によずいた設計となっている。マイクロ波とビームの相互作る保護カバーを下部全体を覆うように取り付ける。 ヒー用 領 域 で の 動 作 撕 に は 、最 初 5 空洞配置について言憤

夕一および力ソード端子はトムソンのクライストロンと機プログラム JPNDSK(—次元ディスク模型 )[5 ]および互換性のある構造にし、サブブ一スタ一電源、側からは旧FCI(2»5次 元 P C コード）[6 ] を用いてシミュレ一ショ型も新型も両方使用可能な構造とた。

ンを行なった。 この_では出力電力や効率では良好な結果が得られたが（一 次 元 デ ィ ス ク 觀 JPNDSKによる

4 .

製作

シミュレーションでは、印加電圧が 25kVの時に、効率製造は機械J D I 的なものは三菱重工の三原製作所に依58.2% , 稍 辱 51.6dB)、稍辱に若干不満が残る結果となっ頼し、排気べ一キングとチップオフ、力ソードの活t生化

等 は KEKで行った。製造上まず問題となったのは入力からなっており、800ガウス 程度で集束する設計となっ空洞のI 吉合度であった。 シミュレーションについて示している。 ク ラ イ ス ト ロ ン の マ イ ク ロ パ ー ビ ア ン ス は 設言十

た結果は入力空洞の負荷Q が 200雛 に し た 時 の 龍 結

値通りであった。試験のセットアッブは簡単であり、出果であるが、 コールドテストではもっと大きな値となっ力電力は 39D 同軸管の無反射終端の前にセット した39てしまった。入力空洞の負荷 Q を変えて再計算をしたと

D 同軸管の方向性結合器をモ ニ タ ー し て 測定した。 まだころ、 この値は200〜 450の範囲で効率はほぼ一定であ完全に評価試験を終えた訳ではないが、出力電力 60kWるという結果を得たので、試作品は表 2 にあるように入程度（A 力電力約 llOmW の時）出ていることが確認さ

力空洞の負荷 Q が 450で製造した。 この場合はJIWSKれている。今回のブロ トタイプは若干寸法が設I 十値とず

コードとP Q コードの予測の差は大きくなっているが、れたところがあり、集束磁界とのマッチングがずれていそれでも_る。 そのこと もあってよりよい重M乍パ ラ メ ー タ ー を 探し

上は両者とも効率 50% 以上の結果を与えている。ているところである。

KEKで行った排気べ一キングの際に二三のトラブルが生じ、製作のスケジュールが大幅に遅れた。その一つは招，の地! ^ 題で、改造を行った。二つ目の問題としては、招瞭管の穷寺構造を新しくした際に雜治具の歪のためにリークをおこし、電子^し処理からやり直したこと か げ ら れ る 。 これらは改善され今^同種のトラブルは避けられると思う。図 2 に排気炉にセットされたクライストロンをチップオフしている写真を示す。
印加電圧が 25kV と低いため特別な電圧エ ー ジ ン グ お
よ び マ イ ク ロ 波的な エ ー ジ ングは 不要で あ つた。

図 3 • 電流 パル ス 波形 （上）、rf 出 力 波 形 （中）、電圧パルス波形（下）。横 軸 は 2 バs，div•である。

6 . 今後の展望
KEKB言十画ではこのサブブースタークライストロンを7 台使用する。そのために昨年度製作した1 号機の評価、そして今年度数台の製作が控えている。安定してminimum 60 kWの出力が得られること、そして故障確率や寿命に関する評価を今後継続して行う必要がある。
参考文献[ 1 ] ••放射光入射器増強計画- KEKBにむけて”
図 2.

SKCの排気炉におけるチップオフの様子。
[2]5.

R. N eal.,•’ The Stanford Two Mile Accelerator", W .
A. Benjam in INC, New York, USA, 1968./A. E Vlieks,

試験とその評価

in private com m unication ( SLAC )■試験は KEKB用に改造された新しいサブブースター電源で行った。 これはスイッチ素子に半導体を用いたハードチューブパノレサ一であり、DC電圧最大 36 kV かけてク
ライストロンには25kV前f麦までの電压を印加できる。
クライストロンビーム^（デザィンレボート ） 、 to be published.

^ 電磁石は 3 つのパンケーキ[3] W . B. H errm annsfeldt, SLAC- Report-226,1979.
⑷

K. H albach et al., Particle A ccel.,7, pp. 213,1976.

[5] H. Yonezawa et al., SLAC - TN - 84-5, May, 1984.
[61 T. Shintake, KEK - Report 90-3, 1992.