RF Characteristics of Spoke Cavity Model for ERL
Masaru Sawamura1, Ryoji Nagai, Nobuyuki Nishimori, Ryoichi Hajima
Japan Atomic Energy Agency
2-4 Shirakata-Shirane, Tokai, Ibaraki 319-1195
Abstract
We are proposing non-destructive assay system of nuclear materials with laser Compton scattering combined with anenergy-recovery linac (ERL) and a laser. Since constructing accelerator system for nuclear safe guard and security
requires small cavities, spoke cavities have many advantages. ERL cavities are also required to have good properties ofhigher order modes (HOMs) against BBU (beam break up) as well as good accelerating properties. A spoke cavity
model of aluminium was fabricated to estimate rf and HOM properties.

ＥＲＬスポーク空洞モデルの高周波特性
１．はじめに２．スポーク空洞モデル

エネルギー回収型リニアック（ERL）の低エミッ製作したスポーク空洞モデルは、アルミニウム製
タンス、大電流の特徴を生かせば、レーザーと組みで、Fig.1のようにスポーク、円筒、エンドノーズ合わせたレーザーコンプトン散乱(LCS)によって発および端板に分割され、スポークおよびエンドノー生させるX/線の輝度および単色性を大幅に向上さズを容易に変更できるようになっている。この空洞せることができる。このLCS-線を使った核共鳴蛍モデルのパラメータをTable 1に示す。
光法(NRF)によって使用済核燃料中のウランやプルトニウム、さらには長半減期のマイナー・アクチナ
Table 1 スポーク空洞モデルのパラメータイド(MA)などを非破壊で測定することができ、保障材質アルミニウム措置にとって有用な技術となると考えられ[1]、ERL
周波数650MHzとレーザーを組み合わせた核物質の非破壊核種分析
スポーク数2
検査システムを提案している
セル数3
このシステムの実用化には、ERLを小型化するこ
セル長230.6mmとが必要になり、加速空洞のコンパクト化が重要に円筒内径274mmなる。従来の楕円型超伝導空洞では、高調波(HOM)ボア径40mmを減衰させるためのHOMカップラー又はHOMダンパー、さらには高周波入力カップラーなどをビームパイプに設置するため、ビームパイプを含めた加速器全体の長さが長くなる傾向にある。
一方、スポーク型超伝導空洞は楕円空洞に比べて空洞全長を短くできること、空洞間隔を短くできること、マイクロフォニックスによる空洞周波数の変動も小さいこと、セル間のカップリングが強く電界分布調整が容易なことなどERL加速空洞として用いる利点が大きい[2]。そこで電磁波解析コードを用いて多目的最適化の手法でERLスポーク空洞の設計計算を用いて行ってきた[3]。
Fig.1 スポーク空洞モデル組立
ERLではHOMによるビーム不安定性(BBU)によってビーム電流の上限が制限されるため、ERLに用いるためには加速モードの特性が優れているだけでなく、３．高周波特性測定高調波モードも優れた特性を持つ必要がある。そこ
で空洞の高周波特性を調べるためにアルミニウム製
モデル空洞内の電磁場分布は、ビーズプル法を用のスポーク空洞モデルを試作し、加速モードをはじいて測定した。測定系のセットアップをFig.2に示
めHOMなどの高周波特性を調べた。
すが、2つのリニアステージと1つの回転ステージを
1

E-mail: sawamura.masaru@jaea.go.jp- 1201 -組み合わせることにより、ビーズは加速軸方向とその垂直平面内の3軸を自由に動くことができる。軸上分布だけでなく、垂直平面での電磁場分布を測定することにより、各モードの極性を特定することができる。ビーズが動いた時の周波数変化はネット
ワークアナライザを用いて測定した。高周波の入出力用のカップラーは空洞の中央セルに取り付けた。

Q (calc)
Q (meas)105

Q0104103

空洞モデル
102600

800

1000
1200
1400
Frequency (MHz)1600

Fig.4 各モードのＱ値の測定値と計算値

Fig.2 スポーク空洞測定セットアップ

４．高周波特性結果

S21

スポーク空洞モデルの500MHz～1500MHzの周波数スペクトラムをFig.3に、Ｑ値の測定値とMW-STUDIOによる計算結果をFig.4に示す。Ｑ値は計算値の60～80％程度の値となっている。これはスポークと円筒の接触不足が原因と考えられる。モデル空洞はスポークと円筒をそれぞれ組み合わせて1つの空洞になるように設計されているが、最初、加速モードのＱ値は計算の1割程度であった。これはスポークと円筒の間に隙間があり、その部分で表面電流が切られたためと考えられた。そこでスポークと円筒の間にインジウム線を挟み込みことにより、加速モードのＱ値を計算値の8割程度にすることができた。しかし、インジウム線はスポークを円筒が両側から抑え込む方向には十分な接触を確保することができるが、それと90度方向では円筒がスポークを抑え込む方向ではないため、インジウム線を十分挟み込むことも困難であり、モードによってその部分に流れる表面電流の分布の違いによってＱ値が大きく影響されるものと考えられる。
0-10-20-30-40-50-60-70-80Fig.3
ラム

600

800

1000
Frequency (MHz)

1200

1400

スポーク空洞モデルの周波数スペクト

Meas.
Calc.

1.2

1.0

1.0
0.8
0.6
0.4

0.8
0.6
0.4
0.2

0.2
0.0

Meas.
Calc

1.2

Field strength

垂直ステージ

0100

200

300 400Z (mm)

500

600

700

0.0

0100

200300 400
Z (mm)

500

600

700

Meas.
Calc.

1.2
1.0
Field strength

水平ステージ

Field strength

回転ステージ

Fig.3の周波数スペクトラムの各ピークについて、加速軸方向と垂直平面での電磁場分布の測定を行い、これにより各ピークの高周波モードを特定することができる。
加速モードであるTM010-likeπモードとその高調波である2π/3とπ/3モードの軸上分布の測定値と計算値をFig.5に示す。πモードは１セル目と２セル目はほぼ計算通りであるが、３セル目が低く、対称性が悪くなっている。一方、2π/3およびπ/3モードはほぼ計算通りで、対称性も良いため、両端セルの対称性はいいものと考えられるので、中央部のアンテナを端のセルに移動させたが、分布に変化はなかった。加速モードの対称性が悪い原因については現在調査中である。

0.80.60.40.20.0

0100200300 400Z (mm)500600700

Fig.5 TM010-likeモードの軸上分布。
(上左)πモード、(上右)2π/3モード、(下)π/3モード
その他のモードに関しても同様にモード特定を行った。例として1020MHzのモードの軸上と垂直平面での電磁場分布の測定結果をFig.6に示す。測定
結果は1セル目と2セル目のフィールドが強く、垂直平面内では鉛直方向が水平方向に比べて周波数変化が大きいことから、Dipoleモードと考えられ、計算においても同様の分布を持つモードが求められている。

- 1202 -各モードをMonopoleおよびDipoleモードで区分したものをFig.7に示す。
加速モードである650MHzの2倍付近にはMonopoleモードが存在しないことが分かる。
1.2

Field strength

1.00.8

うな特異なモードはなさそうである。これはスポー
ク空洞が楕円空洞と違ってIrisモードやセル内に閉じ込められるモードが立ち難いためである。また
QuadrupoleモードはDipoleモードに比べてかなり低くなっている。これはスポークが直交しているのでQuadrupoleモードが立ち難いためである。

Y0.6(m0.4m)

11100.20.00100200300 400
Z (mm)

500

700

10X (mm)

10ExEyEz

1.21.00.8(R/Q)Q/f

Field strength

600

0.60.41091081071061050.20.00100

200300 400
Z (mm)

500

600

Diploe (R/Q)Q/f (Ω/cm2･GHz)
Quadrupole (R/Q)Q/f (Ω/cm4･GHz)

700

Fig.6 軸上分布と垂直平面分布によるモード特定。(上左)軸上分布の測定値、(上左)垂直平面内での周波数変化の測定値、（下）軸上分布の計算値

0.6

0.8

11.2
Frequency (GHz)

1.4

1.6

Fig.8 ス ポ ー ク 空 洞 の Dipole モ ー ド とQuadrupoleモードの(R/Q)Q/fの評価計算

６．まとめ
Fig.7 スポーク空洞のMonopoleモードとDipole
モード分布

５．HOM特性の評価計算
スポーク空洞のHOM特性の評価計算を行った。計算条件として、① HOMカップラーがない状態で計算を行う。
② 2KでＱ値が1010となる1.3GHzの楕円空洞と同等のニオブの残留抵抗をスポーク空洞でも用いる。
③ 運転温度を2Kとし、周波数に応じたBCS抵抗を加える。
HOMの評価として、次の値R/Qを用いる。
Dipoleモードに対しては

 E (r  r ) e dz
R / Q ( / cm ) jkz

2z

20

Ur0 2スポーク空洞モデルを製作し、加速モードおよびHOMの高周波特性を調べた。HOMの内、Monopoleモードは加速モードの2倍付近には存在しない。Dipoleモードには特に危険なモードはなさそうである。またQuadrupoleモードはDipoleモードに比べて安全である。これらよりスポーク空洞は楕円空洞よりHOM特性が優れているといえる。
今後の予定としては、HOMカップラーの設計を行い、空洞HOMをどれくらい減衰できるかを調べ、さらにより高い周波数のHOM特性を調べて、ERL空洞としての性能評価を行う予定である。

参考文献
R.Hajima et al., Proceedings of 8th Annual Meeting ofParticle accelerator Society of Japan, TUPS040, 2011[2] F.Krawczyk, Proceedings of 11th Workshop on RFSuperconductivity (SRF2003), Sept. 8-12, 2003, WeO05[3] M. Sawamura et al., Proceedings of 8th Annual Meeting ofParticle accelerator Society of Japan, TUPS148, 2011
[1]

Quadrupoleモードに対しては

 E (r  r ) e dz
R / Q ( / cm ) jkz

4z

20Ur0 4
ここでEz(r=r0)は半径r0での軸方向電場、kは波数、
ωは角周波数、Uはstored Energyである。計算結果
をFig.8に示す。他に比べて(R/Q)Q/fが高くなるよ- 1203 -