Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

NEW HOM COUPLER DESIGN FOR ERL INJECTOR AT KEK
Ken Watanabe1,A), Shuichi NoguchiA), Hitoshi Hayano,A), Eiji Kako,A), Toshio Shishido,A),A)
KEK
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
The development of superconducting cavities and cavity package for ILC and ERL project is under way at STF(Superconducting RF Test Facility) in KEK. The cell shape and the geometry of the coaxial HOM couplers for ERLinjector 2-cell cavity were decided by following the basic engineering of the STF Baseline cavity. The STF Baseline
HOM couplers have a problem at CW operation, which it is pick-up probe heating due to the RF load of theaccelerating mode. To control the probe heating for ERL injector, the STF Baseline HOM coupler made improvement
to reduce the RF load of accelerating mode. It is shown as following, (1) A high pass filter between the pickup and thenotch filter, (2) The boss on the probe location of inner conductor.
The designed HOM couplers are two types (Antenna-type and Loop-type). The copper models were made to measure
the RF performance. The fabrication of niobium 2-cell cavity with four HOM couplers was carried out and started theRF measurement in June 2008.

KEKにおけるERL入射器用HOMカプラの開発
１．はじめに
２．ERL入射器のためのHOMカプラの設計

KEK で は 現 在 ERL （ Energy-Recovery Linac ） のR&Dが進められている [1] 。ERL入射器はCWで運転
2.1 CW運転におけるSTF BL HOMカプラのプローブされ、超伝導加速空洞（運転周波数1300 MHz、2セ[2],[3]。 発熱発生電界の評価
ル空洞、目標加速勾配15 MV/m）が使用される
HOMカプラは電子バンチによって空洞に励起され2006年2月から9月の間に行われたSTF BL空洞の縦る高次モード（Higher Order Mode）を空洞外に取り測定でプローブの発熱が観測された[5]。この発熱は出すための装置である。ERL入射器は100 mAの電子加速モード負荷時（ノッチフィルターの構造上、プビ ー ム を 連 続 加 速 す る た め 、 励 起 さ れ る HOMパローブ周辺では磁場が最大になる）にプローブ表面ワーも当然大きくなるので、これを効率的に取り出に流れる誘導電流によるものと考えられる（図１）。
すためのHOMカプラは重要な開発要素である。空縦測定では、プローブと内導体間のギャップを変え洞からHOMを取り出す手段の一つとして、空洞のビームパイプに同軸型のカプラを取り付け、HOM て測定した結果、ギャップ長と発熱発生電界との間に関係があることが分かった。図1に使用したプを空洞外部へ取り出す方法があり、ERLの入射器では同軸型のHOMカプラを採用して開発をスタート
ローブ、図2に縦測定の結果を示す。その測定結果することとした。この方式は、すでにSTF-Baselineを元にSTF BL単セル空洞モデルにて、電界強度に空洞[4],[5]（以下、STF BL空洞）で研究開発の蓄積が対するプローブの表面電流値をHFSSで計算した。
あり、これをベースにHOMカプラの設計、製作をこのときのプローブの材質はニオブ材であり、行った。STF空洞のHOMカプラは構造上CW運転のフィードスルーは京セラ製を使用し、螺子締めでプ
際、加速モードの負荷により、取り出しプローブ先ロ ー ブ を 固 定 し て い る 。 計 算 か ら 、 2K で は 約端に大きな表面電流が流れ発熱する問題があった。
4000A/mの表面電流がプローブ表面に流れると、発ERL入射器用HOMカプラではこの発熱が小さくな[5],[6]熱が起こることが見積もられた。
るような設計として、ノッチフィルターの手前にハイパスフィルターの追加、プローブ部の内導体に突起を設けるなどの対策を施し、アンテナ型、ループ型の2種類のHOMカプラを設計した[6]。設計後、銅モデルを製作し、RF性能の評価を行った。また、2008年6月にHOMカプラ4機を装着したニオブ製2セル空洞が完成し、2セル空洞実機における高次モードの評価を行っている。

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図１：STF BL HOM couplerと使用したプローブ

E-mail: kenw@post.kek.jp-852-

Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

今回、ERL入射器用としてAntenna-type、Loop-Typeの2種類の設計を行った。銅製HOMカプラの周波数特性の測定および計算結果を図４に示す。ノッチ
フィルターのバンド幅（加速モードのQextが>2×1011 に な る 幅 ） の 測 定 も 行 っ た 。 バ ン ド 幅 はAntenna-typeで4.6MHz、Loop-typeで5.2MHzであった。
2.3 プローブ表面電流値の評価
Antenna-typeおよびLoop-typeの表面電流値をHFSSで計算した。計算時にはHOMカプラの回転角（プローブの向き）に対する表面電流値の変化を見た。
計算結果を表1にまとめる。計算モデルを図5に示す。
HOMのダンピングをより強くするために、プローブと内導体間のギャップをSTF BL HOMカプラの2mmから0.5mmと狭くした場合にて評価を行った。
Antenna-typeでは、15MV/mで1000A/mを達成した。
図2：STF BL空洞における縦測定の結果
Loop-typeでは回転角によって加速モードとの結合が変わるため、15MV/mで2050～680A/mの値であった。
2.2 HOMカプラの設計
両モデルとも4000A/mを下回っており、High pass
CW運転下でプローブの発熱を抑制するためには、 filterと突起の効果が分かる。
フィードスルーの熱伝導率を上昇させ、冷却能力を向上させる方法[7]、HOMダンピング能力を損なうことなく、プローブへ掛かる加速モードの負荷を低減させる方法が考えられる。後者の方法を選択した場合、STF BL空洞の試験結果から、15MV/mのときプローブ表面電流値を4000A/m以下になるように設計すればよいことが分かっている。ERL入射器用に設計した同軸型HOMカプラを図3に示す。HOMカプラ
図5：計算モデル・STF Baseline単セル空洞
は空洞内に電子ビーム通過時に励起されるHOMを空洞の外へ取り出すためのPickup部と加速モードの
表1 Antenna-typeとLoop-typeの電界強度に対する負荷を低減させるためのHigh pass filterとプローブ部
表面電流値（単位[A/m]、（カプラ角度[deg]））の内導体に設けた突起およびノッチフィルターで構
[6]
Model
15MV/m20MV/m25MV/m成される 。
Antenna1000 (90)1350 (90)1650 (90)1340 (0)1800 (0)2250 (0)Loop2050 (-30)
2720 (-30)
3360 (-30)
2000 (0)2770 (0)3360 (0)1360 (30)1810 (30)2230 (30)960 (60)
1280 (60)1580 (60)680 (90)910 (90)1120 (90)Target: < 4000 A/m at 15 MV/m
STF BL
4250 (0)5600 (0)7200 (0)プローブ条件：ギャップ0.5mm
先端直径φ12mm
空洞モデル：STF BL単セル空洞

図3： HOMカプラの形状

３．ニオブ製２セル空洞の測定
2008年6月にHOMカプラ4機（Antenna-type×2機、Loop-type×2機）を装着したニオブ製2セル空洞[3]が完成した。以下にLow powerの測定結果をまとめる。
3.1. 加速モードの電界平坦度とモードの同定

図4：ERL入射器用HOMカプラの周波数特性

ビーズ摂動法を用いて、加速モードの電界平坦度と高次モードのモード同定を行った。加速モードの電界平坦度を図6に示す。加速モードの電界平坦度-853-Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

は加工直後で99.8%であった。したがって、プリチューニングを行わずに、HOM測定に進んだ。表2にモード周波数をまとめる。

表2：モード周波数とHOMカプラ4機のQext
ModeFrequency [MHz]Qext (four couplers)
TM010-1
1286.658－TM010-2
1299.369－TE111-1
1557.318
562
1566.676
409
TE111-2
1581.873
148
1588.488
347
TM110-1
1629.101
1010
1638.528
663
TM110-2
1784.929
976
1801.461
3560
TM011-1
2280.790
6150
TM011-22308.947
7740
プローブ条件：ギャップ0.5mm、先端直径φ12mm
温度：室温

図6：ニオブ製2セル空洞とTM010-πの電界平坦度
3.2. HOM Qextの測定
各HOMカプラにおけるHOMのQextの測定を行った。HOMカプラ4機の合計の結果を表3に、各HOMカプラのQextの値を図7にまとめる。TE111-1､-2および
TM110-1 はQextが<1000であった。TM110-2 のみ3560であった。TM011-1,-2では、Antenna-typeが>105と効果が小さく、4機の合計でもQextは6150、7740と不十分であった。測定した全てのモードに対してLoop-typeの方が、強いダンピングを持っていた。TM011 に関しては、Loop-typeが単体でQextが1×104程度あるので、Loop-typeを4機ないし5機装着することで、Qextを1000～2000程度にすることは可能である。

４．まとめ
今回、ERL入射器用HOMカプラの設計からニオブ製2セル空洞の測定まで行った。ERL入射器用
HOMカプラでは、High pass filterと内導体に設けた突起の効果により、加速電界15MV/mにおいてプローブ表面電流値を2050A/m以下にすることが出来た。ニオブ製2セル空洞のHOM QextはTE111-1,-2、TM110-1 で 1000 以 下 、 TM110-2 で 3560 で あ っ た 。
TM011-1,-2ではQextが6150,7740とダンピングは不十分であるが、Loop-typeを4機ないし5機装着することで、ダイポールモードと共に改善することが可能である。ニオブ製2セル空洞の縦測定は2008年度に予定している。

図7：ニオブ製2セル空洞のHOM Qextの測定結果

参考文献[1] H. Kawata, “Present status on ERL project”, Proc. of 4th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,
Wako Japan 2007.
[2] S. Noguchi et al., “Development of 2-cell SC cavity systemfor cERL-Injector at KEK”, in this meeting.
[3] コンパクトERLの設計研究, KEK Report 2007-7, 2.3 入
射器用超伝導加速器, p. 35[4] E. Kako et al., “Construction of the baseline SC cavity
system for STF at KEK”, Proc. Of the 2007 Particle Accel.
Conf. (PAC-2007), June. 25-29, 2007, Albuquerque, NM,
USA, pp. 2107-2109[5] K. Watanabe et al., “New HOM coupler design for ILC
superconducting cavity ”, Nuclear Inst. And Methods inPhysics Research, A, NIMA48580.
[6] K. Watanabe, “New HOM coupler design for ERL injectorat KEK”, SRF2007[7] C. E. Reece et. al., “High Thermal Conductivity-854-

Cryogenic RF Feedthroughs for Higher Order ModeCouplers,” PAC’05, Knoxville, May 2005, p. 4108.