Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEOB1120 MW および高効率 8 MW X バンドクライストロンの設計と試験結果
DESIGN AND TEST RESULTS OF 20-MW AND HIGH EFFICIENCY 8-MW X-BAND
KLYSTRONS
阿武俊郎
Toshiro Anno*
Canon Electron Tubes & Devices Co., Ltd.

Abstract
In recent years, compact and high gradient accelerators using high power X-band klystrons as RF sources have beenused in various places. There were no X-band klystrons that have approximately intermediate RF power of 10 and 50
MW in the market, and 20-MW klystrons were demanded for research and industrial applications. Canon Electron Tubes
and Devices Co., Ltd. has developed 20-MW klystrons at the operating frequency of 11.4 GHz and 12 GHz in 2021 and2022, respectively. Both klystrons have achieved stable 20-MW output power in the tests. Another development has been
started in 2018 in collaboration with CERN to enhance the efficiency of the existing 6-MW klystron and achieve morethan 8-MW power by using a modified bunching circuit. Totally eight cavities including a multi-cell second harmonic
cavity and a multi-cell output cavity were used. Simulations predicted the output power of 8.16 MW and 56.4% efficiency
at the beam voltage of 154 kV and the beam current of 94 A. The first prototype was fabricated and tested in 2021. In thetest, some oscillations were observed in the diode mode operation, and the target output power could not be achieved dueto the voltage limitation. To mitigate the oscillations, the bunching circuit design was modified at CERN. The second
prototype with modified bunching circuit was tested in July 2022. The klystron achieved stable diode mode operations
up to the maximum 174 kV and more than 8-MW RF power was obtained. In this report, the design and test results ofthese klystrons are presented.

1. はじめに2.

20 MW クライストロン

近年 X バンド周波数帯の大電力クライストロンを高周波源に用いたコンパクトかつ高勾配な加速器が各所で使用されている。X バンドでは従来 10～50 MW の中間程度に位置する 20 MW 出力のクライストロンが市場になかったが、研究用や産業用として要求があった。キヤノン
電子管デバイス株式会社では、11.4 GHz と 12 GHz の20 MW クライストロンを 2021 年と 2022 年にそれぞれ開発した。いずれも試験で 20 MW の安定な出力が得られた。
また別の開発として、既存の X バンド 6 MW クライスト
ロンを高効率化し 8 MW 出力を目指す開発を 2018 年から CERN と共同で進めてきた。6 MW クライストロンはCERN の RF コンポーネントテストスタンドの一つであるX-box3 で使用されており[1]、X-box3 で利用可能なピー
ク RF パワーを引き上げることが高効率化の目的である。
相互作用部の設計にマルチセル第 2 高調波空胴とマル
チセル出力空胴を含む 8 個の空胴を使用し、シミュレー
ションでは出力 8.16 MW、効率 56.4%を得た。2021 年に初号機を製作し試験を行ったがダイオード運転でいくつかの発振が観測され、電圧が制限されたため目標出力が得られなかった。発振対策のため CERN で空胴の電気設計を変更した。改良した二号機を製作し 2022 年 7月に試験した。その結果、最大仕様の 174 kV まで発振は無くなり、8 MW 以上の出力が得られた。
本論文では、これらのクライストロンの設計と試験結果の詳細について報告する。

2.1設計___________________________________________* toshiro.anno@etd.canon

まず電子銃と集束コイルの設計を行った。電子銃を設計するにはまずビーム電圧と電流、すなわちパービアン
スを決定する必要がある。市販のモジュレータの電圧・電流の制限、そして 20 MW 動作での効率が 40%程度となることを想定し、パービアンスを 1.25 μA/V1.5 とした。動作点のビーム電圧 265 kV でビーム電流が 170.3 A となるように電子銃を設計した。電子ビームの軌道計算は
DGUN で行い、集束コイルの磁界と電子銃各部の電界の計算は LANL Poisson [2]で行った。集束コイルの中心軸上磁束密度は出力空胴の位置で 0.42T となる設計とした。Figure 1 に電子銃からコレクタまでの電子ビーム軌道のシミュレーション結果を示す。コレクタはビームパル
ス幅 4 μs、繰り返し数 400 pps での DC 動作に対応する設計としているため、全長に対する比率が大きい。目標パービアンスにおいてリップルの小さい電子ビーム軌道が得られた。電子銃の電界強度は 265 kV において金属部 19.2 MV/m、セラミック表面 3.9 MV/m でいずれも設計基準とした 25 MV/m と 5 MV/m をクリアした。電子銃、集束コイル、コレクタは両クライストロンで共通である。
相互作用部の設計は既存の X バンド 6 MW クライスト
ロンからスケーリング則に基づき変更し、シミュレーションで詳細なパラメータを決定した。利得の高いクライストロンは帯域を広くすることができないため、11.4 GHz と 12GHz のそれぞれ相互作用部を設計した。シミュレーションは二次元軸対称の PIC (Particle-in-cell) コード FCI を用いて行った[3]。空胴数は 5 とし、出力空胴は電界強度- 106 -

Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEOB11を下げるため 3 セルπ/2 モード進行波型空胴とした。出
力空胴の 3 次元形状の設計は HFSS コードで行った[4]。
3 セル出力空胴はこれまでに開発した C バンド 50 MW
クライストロンや X バンド 6 MW クライストロンでも使用しており実績がある[5-6]。11.4 GHz クライストロンについて、Fig. 2 に FCI による RF 動作時のビームシミュレーション結果を示す。Table 1 の通りいずれの設計も目標 20 MWの出力が得られる見込みを得た。なお 12 GHz クライストロンの周波数は顧客要求によるものである。構造設計を行ったクライストロンは全長約 1.3 m、質量約 300 kg となった。

Table 2: Test Results of 20-MW Klystrons

Table 1: Design Target and Results of 20-MW Klystrons
Parameter

TargetE37116E37118

Frequency [MHz]-11424

11988.889

Beam voltage [kV]

290 max.

265

265

Beam current [A]

190 max.

170.3

170.3

Drive power [W]

400 max.

120

120

Output power [MW]20 min.

2020

Efficiency [%]40 min.

44.3

44.3

RF pulse width [μs]1.5 max.

1.5

1.5

Repetition rate [pps]400 max.

400

400

Figure 1: DGUN simulation result of DC beam trajectoryfrom electron gun to collector under focusing magnetic
field at beam voltage of 265 kV.

Parameter

Target

E37116

E37118Frequency [MHz]-11424

11988.889

Beam voltage [kV]

290 max.

270

270

Beam current [A]

190 max.

183

181

Drive power [W]

400 max.

120

156

Output power [MW]20 min.

20.0

20.0

Efficiency [%]40 min.

40.6

40.9

RF pulse width [μs]1.5 max.

1.5

1.5

Repetition rate [pps]400 max.

30

10Figure 3: Waveform of 11.4-GHz klystron E37116 at 20MW operation.

Figure 2: FCI simulation result of beam trajectory in RF
operation at beam voltage of 265 kV.
2.2

試験結果

まず 11.4 GHz クライストロン E37116 を製作し 2021 年5 月に試験した。繰り返し数は試験電源の制約により 30pps で行った。クライストロンは電圧 270 kV で目標の 20MW を達成し、RF 出力波形は安定であった。Figure 3 に20 MW 動作時の波形、Fig. 4 に電圧に対する飽和出力特性を示す。12 GHz クライストロン E37118 はその後製作し 2022 年 2 月に試験を行った。繰り返し数は顧客要求によるものである。このクライストロンも同様に 20 MWの安定動作を達成した。Table 2 に 2 つのクライストロンの試験結果を示す。

Figure 4: Saturated output characteristics of 11.4-GHz
klystron E37116 as a function of beam voltage.

- 107 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEOB113.

高効率 8 MW クライストロン

3.1設計

高効率クライストロンの電気設計は CERN が開発したシミュレーションコード KlyC [7]と市販の 3D シミュレー
ションコード CST Studio Suite [8]を用いて CERN で実施し、当社は FCI でその設計を確認した。なお KlyC は空胴の電磁界を 2 次元軸対称とし、半径の変わらない多層のリング(一層の場合はディスク)による電子ビームとの相互作用を計算するリングモデルシミュレーションコードである。
プロジェクトが始まった 2018 年に、まず長い相互作用部 を 用 い て 電 子 を 徐 々 に 集 群 す る COM (CoreOscillation Method)による高効率設計を行った。この設計では合計 9 空胴で出力空胴を 4 セルとし、ビーム電圧154 kV において約 58%の効率が得られた。各コードによるシミュレーション結果を Table 3 に示す。また FCI のビーム軌道を Fig. 5 に示す。この結果から、3 つのシミュレーションコードで近い効率が得られることが確認された。

ム電流 90 A を用いていたが、設計 2 では既存 6 MW ク
ライストロンの実測値に基づき 94 A に見直した。
設計 2 で相互作用部の長さは短くなったものの依然として従来の 6 MW クライストロンより約 12%長く、既存の集束コイルを使用できない設計であった。その後 CERNとさらに全長短縮化の検討を進めた結果、設計 2 の空胴間の距離をさらに短くしても、空胴の共振周波数を調整することで効率を維持できることがわかった。その結果
6 MW クライストロンと同じ長さで既存の集束コイルを用いても KlyC と FCI で設計 2 と同じ効率が得られた。この電気設計に決定しクライストロンを製作することにした。
Table 4: Simulation Results of Second Design by Three
Different Simulation Codes

Table 3: Simulation Results of First Design by Three
Different Simulation Codes
Parameter

KlyC

CST

FCI

Frequency [MHz]11994.2

11994.2

11994.2

Beam voltage [kV]

154

154

154

Beam current [A]

90

90

90

Drive power [W]

100

100

100

Output power [MW]

8.25

8.05

8.12

Efficiency [%]

59.5

58.1

58.6

Parameter

KlyC

CST

FCI

Frequency [MHz]11994.2

11994.2

11994.2

Beam voltage [kV]

154

154

154

Beam current [A]

94

94

94

Drive power [W]

80

80

80

Output power [MW]

8.31

8.16

8.16

Efficiency [%]

57.4

56.4

56.4

Figure 6: KlyC simulation results of second design at beam
voltage of 154 kV. Modulation depth at longitudinal
position (left) and electron velocity at output cavity (right)
are shown.
Figure 5: FCI simulation result of beam trajectory of first
design at beam voltage of 154 kV.
設計 1 は相互作用部の長さが従来管の 2 倍強あり、集束コイルの大型化によるコストと消費電力の増加が欠点であった。そこで更に短い相互作用部で 8 MW を目指す設計の検討を CERN と行った。相互作用部を短くするためには第二高調波空胴を用いてバンチの中心から外れた電子を集群させることが有効である。電子の集群効果を高めるため、3 セルの第二高調波空胴を用いることにした。マルチセルの第二高調波空胴を用いたハイパ
ワークライストロンは過去に例が見られず、新たな開発要素として取り入れた。この設計 2 では効率は約 56%に下がったものの出力 8 MW が得られ、また相互作用部の長さは設計 1 の約半分と劇的に短くなった。各コードによるシミュレーション結果を Table 4 と Fig. 6-8 に示す。なお
設計 1 では CST のビーム軌道計算ソルバーによるビー

Figure 7: FCI simulation result of beam trajectory ofsecond design at beam voltage of 154 kV.

Figure 8: CST simulation result of beam trajectory inoutput cavity of second design at beam voltage of 154 kV.

- 108 -

Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEOB113.2

初号機の試験結果初号機を製作し 2021 年 12 月に試験を行った。クライストロンの試験ではまず電子銃の耐電圧処理のため DC運転 (RF 入力なしの運転)を行う。この運転の最中、クライストロンの RF フランジに接続した方向性結合器に取り付けたダイオード検波器によりある波形が観測され、その信号強度はクライストロンの電圧によって変化した。この現象からクライストロンが発振していると判断し、ビーム電圧を変えながらスペクトラムアナライザにより発振周波数を調査することにした。
調査の結果、発振は主に 2 つに分けられることが分かった。一つは周波数 22.5 GHz の発振であり、およそ 85～125 kV の電圧範囲で生じた(タイプ 1 とする)。もう一つの発振は 21.9～22 GHz の発振であり、およそ 107～125kV の電圧範囲で発生した(タイプ 2 とする)。タイプ 2 は集束コイル電流とビーム電圧の組み合わせによっては21.9～22 GHz の範囲で 2 つの周波数ピークが同時に現れることがあった。発振の測定結果を Fig. 9-10 と Table5 に示す。

ことと、相互作用部の固有モード解析から空胴間で結合する TE モードが疑われた。
RF 試験も行ったが、発振のため RF 波形が安定するビーム電圧が 70 kV 程度に制限され、RF 出力は数 kWしか得られなかった(シミュレーションでも同様)。
3.3

発振の解析と対策設計

CERN でシミュレーションによる発振の詳細な解析と、発振対策のための相互作用部の設計変更を行った。タ
イプ 1 の発振について推定した第二高調波 3 セル空胴の TM01 π/2 モードの発振開始電流を KlyC に実装されたモノトロン発振解析機能によりシミュレーションした[9]。
その結果実測とほぼ一致する電圧範囲で発振することが分かった。ビーム電流を示す黒線を下回ると発振することを意味する。CST による PIC シミュレーションでも発振によりビームが変調を受けることが確認された。
Figure 11 にそれらのシミュレーション結果を示す。
対策として、3 セルの空胴間隔を短くすることで発振を回避できることが分かった。しかしこの場合はより発振リスクの低い 2 セルとしても電子の集群効果が変わらず 3 セルのメリットがないため 2 セルに変更した。

Figure 9: Frequency spectrum and waveform of type one
oscillation measured at beam voltage of 92 kV. Red circles
indicate oscillation.

Figure 11: Oscillation threshold currents of TM01 π/2mode of second harmonic 3-cells cavity by KlyC
simulation in different beam filling factors. Beam
trajectory is simulated by CST at 92 kV.

Figure 10: Frequency spectrum and waveform of type two
oscillation measured at beam voltage of 125 kV. Red
circles indicate oscillation.
Table 5: Frequency of Two Types of Oscillations
Measured by Spectrum Analyzer at Different Voltages
Type

Beam voltage [kV]Frequency [GHz]185 – 12522.52107 - 125

21.9 – 22.0
(single peak or double peaks)

タイプ 1 のモードについて、第二高調波 3 セル空胴のTM01 π/2 モード(共振周波数 22.5 GHz)が疑われた。またタイプ 2 のモードについては、2 つの周波数が現れた

タイプ 2 の発振は固有モード解析から第 2～第 4 空胴で結合した TE11 0 モードと π/2 モードと推定した。各モードの安定性をモードの Q 値 Q0 とビームローディング Q 値
Qbeam から計算する手法[10]で計算し、Q0/Qbeam < -1 となり発振リスクのある電圧範囲が実測とよく一致した。
Figure 12 にそのシミュレーション結果を示す。
対 策 と し て 、当 初 の 設計で は 同 じ で あっ た 空 胴 のギャップの長さを±20%程度互いに変化させ、RF 特性が変わらないように共振周波数を調整した。その結果
TE11 モードは空胴間でほとんど結合せず、Q0/Qbeam 解析で 155 kV まで安定となった。さらに安定領域を広げるため高次モードに対して減衰効果の大きいステンレスを入力～第 5 空胴の間の 4 つのドリフトに導入した。CSTによる PIC シミュレーションの結果、Fig. 13 の通り電圧
174 kV で発振がないことが確認された(仕様最大電圧
175 kV)。

- 109 -

Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEOB11

Figure 12: Q0/Qbeam as a functions of beam voltage for 0and π/2 of TE11 mode. Here, ‘+’ and ‘-’ signs indicate thedifferent rotation directions of the modes.

Figure 14: Saturated output characteristics of highefficiency klystron as a function of beam voltage (left) andwaveform at 8.1-MW and 10.1-MW operations (right).

4.

まとめX バンドクライストロンの新たな選択肢となる 20 MW ク
ライストロンを 2 つの周波数で開発した。また CERN と共同で高効率 8 MW クライストロンを開発した。高効率クライストロンの開発では初号機で発振が生じたが、対策設計により二号機で安定化に成功し目標の 8 MW 出力を達成した。
Figure 13: Particle trajectories in modified bunchingcircuit at 174 kV, beam tunnel filling factor of 0.69 andmagnetic field of 0.42 T after 4000-ns simulation time.
3.4

二号機の試験結果

発振対策を導入した二号機を製作し、2022 年 7 月に試験を行った。まずダイオード運転でシミュレーション通り 174 kV まで発振がないことを波形と周波数スペクトラム(ピークなし)で確認した。
その後 RF 試験を行った。出力と効率の確認が目的であるため目標より低いディーティで試験を行った。157 kV
で出力 8.1 MW、効率 53.3%が得られた。また 174 kV では出力 10.1 MW が得られた。これらの動作において RF波形は安定であった。試験結果を Table 6 に、飽和出力特性と 8.1 MW および 10.1 MW 動作時の波形画像を
Fig. 14 に示す。
Table 6: Test Result of High Efficiency Klystron
ParameterSpec.

Result 1

Result 2

Frequency [MHz]11994.2

11994.2

11994.2

Beam voltage [kV]

175 max.

157

174

Beam current [A]

115 max.

96.8

112.8

RF pulse width [μs](Target 4)

1

0.5

Repetition rate [pps](Target 200)

50

50

Drive power [W]

400 max.

121

68

Output power [MW](Target 8)

8.1

10.1

Efficiency [%](Target 56)

53.3

51.7

謝辞
高効率 8 MW クライストロンの共同開発では Igor
Syratchev, Jinchi Cai, Zaib Un Nisa, Graeme Burt 各氏にご協力をいただきました。ここに感謝いたします。

参考文献[1] N. Catalan Lasheras et al., “Commissioning of XBox-3: Avery high capacity X-band test stand”, in Proc. of 28th LinearAccelerator Conference, East Lansing, Michigan, USA, 2016.
[2] https://laacg.lanl.gov/laacg/services/download_sf.phtml[3] T. Shintake, “FCI field charge interaction program for highpower klystron simulation”, Proceedings of 1989 IEEE
Particle Accelerator Conf. (PAC89), Chicago, USA, pp.9496, 1989.
[4] https://www.ansys.com/ja-jp/products/electronics/ansyshfss[5] T. Anno et al., “Efficiency Enhancement of C-band 50-MW
Klystron”, Proceedings of the 11th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Online, 2020.
[6] Y. Okubo et al., “Development of an X-band 6 MW pulsedklystron”, Proceedings of the 11th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Aomori, Japan, 2014.
[7] J.C. Cai, I. Syratchev, “KlyC: 1.5D Large Signal Simulation
Code for Klystrons”, IEEE Trans. on Plasma Science, vol.47,
no.4, pp.1734-1741, April 2019.
[8] https://www.3ds.com/ja/productsservices/simulia/products/cst-studio-suite/[9] J.C. Cai, I. Syratchev and G. Burt, “Accurate Modelling ofMonotron Oscillations in Small- and Large-Signal Regimes”
IEEE Trans. on Electron Devices, vol.67, issue.4, pp. 1797 1803, April 2020.
[10] J.C. Cai, I. Syratchev and G. Burt, “Numerical Analysis ofResonant Multipolar Instabilities in High Power Klystrons”,
IEEE Trans. on Electron Devices, vol.68, issue.7, pp. 3617 3621, June 2021.

- 110 -