DESIGN OF ACCELERATING STRUCTURE TERMINATED WITH
KANTHAL-COATED COLLINEAR LOAD
Fusashi Miyahara #,A), Kazuyoshi SaitoB), Yoshio ArakidaA) , Kazuhisa KakiharaA) , Takuya KamitaniA) ,Hiroaki SakurabataC) ,Yasuo HigashiA), Shuji MatsumotoA) , Toshiyasu HigoA)
A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
Hitachi, Ltd., Hitachi Research Laboratory
7-2-1 Omikacho, Hitachi, Ibaraki, 319-1221
C)
Hitachi, Ltd., Power Systems Company
3-1-1 Saiwaicho, Hitachi, Ibaraki, 317-8511

Abstract
We have been developing L-band accelerating structure with Kanthal-coated collinear load, consisting of 5 cells, forSuperKEKB. We have measured surface resistance of the Kanthal layers coated by various thermal spraying techniques.
We also evaluated the reduction of the resistance under high magnetic fields. Numerical simulation and theexperimental measurement show that the L-band accelerator structure can be designed with collinear load consisting ofKanthal-coated cells.

カンタルコリニアロード終端型 L-band 加速管の設計
1.

はじめにSuperKEKB ではルミノシティが KEKB の 40 倍の3528x10 [1/cm /s]を目標としている。このため入射器には低エミッタンス、大電流の電子、陽電子ビームが要求される。電子ビームに関しては新たに開発した フォトカソード RF 電子銃を用いる。陽電子ビームは 3.5 GeV、10 nC の電子ビームをタングス
テ ン 標 的 に 入 射 し 、 発 生 し た 陽 電 子 を Flux
concentrator（FC） [1]とソレノイドの巻かれた大口径の加速管で構成される陽電子捕獲セクションで捕らえ、ダンピングリングで低エミッタンス化 して得る。陽電子捕獲セクションは 2014 年の SuperKEKB
リングへの入射では 2 m の大口径 S-band 加速管6 本の構成で始める。大電荷運転でのダンピングリングにおける放射線バックグラウンドと陽電子の収率に問題がある場合は、FC の後には２本の 2.4m-Lバンド加速管と４本の大口径 2m-S バンド加速管を配置する事を検討している。L-band を用いた場合、縦方向と横方向の捕獲効率を高くする事と主加速周波数である S バンドの 5/11 倍の周波数 1298.1818
MHz の L バンドを選択し、両周波数の加速管群間で の位相スリップを利用する事で、ダンピングリングに入射されるべきバケット以外のサテライトのバンチを抑制する事が可能となる。ダンピングリン
グの RF バケットから外れたサテライトバンチは放射線バックグラウンドの原因となる。数値シミュ
レーションでは２本の L-band 加速管を用いずに全て S-band 加速管とした場合、バックグラウンドが２倍になる事が分かっている。現在、加速管本体と40 MW L-band クライストロンも同時に開発中であり、今年７月に高電力試験を終えた [2] 。しかし、両端にカプラーを有する L バンド加速管を導入 す
ると導波管部分のソレノイド磁場の落ち込みによる収集効率低下とソレノイドの径が大きくなる事によるコスト、電力、水冷要求の増加という問題がある。
そこで出力カプラー部を加速管と同一線上の RFロード（コリニアロード）に置き換える事とした。
加速管への入力電力は約 10 MW、パルス幅 1.5 s、繰り返し 50 Hz であり、ロード部での電力損失は1 kW 以下である。
コリニアロードの候補として炭化珪素セラミックス（SiC）を用いたタイプと通常の空胴にカンタル（Fe-Al-Cr 合金）粉末を溶射したものを検討した。
前者は SiC ディスクをセル内部に備えたタイプ[3] や砲弾型のタイプ [4] で導波管ロードとしては実績があり、十分な性能が期待できるが、大きな温度依存性をもつ問題がある。カンタルは大きな電気抵抗率（直流抵抗で銅の約 86 倍）を持ち、温度依存性は小さく、SLAC や他の加速器施設のダミーロードにも用いられている。カンタルを用いたコリニアロー
ドは 1965 年に J. Haimson によって開発された[5] 。
S-band では DESY の LINAC II で実績もある[6] 。但し、今回陽電子キャプチャー部に用いるためには、カンタルの諸特性を調べ直す事が必要であると認識して、本稿に関する試験研究を進めてきた。カンタル部の表皮抵抗や強いソレノイド磁場（~0.4 T）中での振る舞いや空胴への溶射方法の技術的な問題もあった。本稿では、カンタルの電気的な特性評価結果とそれを用いた加速管の電気的設計を報告する。

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fusashi.miyahara@kek.jp- 150 -

2.と仮定すると空胴の Q 値はカンタルの電気特性

カンタル被膜は溶射によって銅表面に形成する。
溶射とは材料を加熱し、溶融または半溶融状態にすると同時に運動エネルギーを付与して高速で飛行する液滴状態にし、これを基材表面に衝突させて被膜を形成する方法である。これまで実用にされている
カンタル溶射方法では、銅の下地に適当なアンダーコートを行っているが、我々の試験では銅面に直接カンタルを溶射しても十分密着強度があることを考慮して、アンダーコートは用いないことにした。
空胴への溶射範囲やロードに必要な空胴の数を決めるには L-band の RF 中でのカンタルの表皮抵抗を知る必要がある。溶射によって形成されるカンタル層は小さな空孔を持ち、表面は小さな凹凸構造（数m～数十m)となっている[7] 。RF はカンタル層の内部まで侵入するためこの空孔構造が表皮抵抗に大きく寄与すると考えられる。被膜の構造は溶射方法や条件によって異なる。表皮抵抗が高いほど、設計の自由度が増すためロードに最適な溶射方法を調べる必要がある。また S-band で測定された RF の表皮深さは約 60 m であり[8] 、L-band でも同程度の深さが必要であると予想されるため、被膜の厚さに対する実効的な表皮抵抗の変化を調べる必要がある。

QCu  Kanthal 

20U
2Rs ,Cu   H ds   H ds S Kanthal
 S Cu(2)2で与えられる。ここで0 は RF の角周波数、U は空胴に蓄えられるエネルギー、Rs,Cu は銅部分の表皮抵抗で積分の項はそれぞれ溶射なし、溶射ありの空胴表面の磁場の積分を表す。溶射したプレートと溶射無しのプレートを使った空胴の Q 値の比とSUPERFISH を用いて計算した空胴表面の磁場からカンタル部の表皮抵抗を求めた。
表 1 に今回試験した溶射ごとに銅に対する表皮抵抗をまとめる。アーク溶射は２本の溶射用線材に電圧を印可し、アーク放電を発生させ、その熱で材料を溶融し、ガス噴出により基材へ成膜する。プラズ
マ溶射は高温の熱プラズマジェットに粉末材料を供給して成膜する方法で、大気中で行う方法と減圧容器中で行う方法がある。HVOF（High Velocity OxyFuel 法）は高速フレーム（1300～2400 m/s）に試料を投入し、高い運動エネルギーで基材に衝突させ、被膜を形成する方法である。断層写真を比べたとこ
ろ均一で密に詰まった構造よりも空孔が多数ある構造の方が表皮抵抗が大きくなる傾向にあった。粒径53-104 m の粉末を用いた HVOF で最も大きな表皮抵抗が得られたが、この方法は溶射の角度を 45°にすると被膜を形成することが出来ず、空胴内部に溶射するには適さないことが分かったため、空胴への溶射方法は大気プラズマを採用した。
表 1: 溶射方法ごとの銅に対するカンタルの表皮抵抗。spray は基材平面に対する溶射の方向、は銅に対するカンタルの表皮抵抗を表す。被膜の厚みは約100m である。

図 1: 銅のプレートにカンタルを溶射した様子

粒径 [m]spray [deg.]

–9060

大気プラズマ53-1049077

大気プラズマ53-1044587

減圧プラズマ53-1049066

HVOF

53-10490116

HVOF

20-529061

溶射方法
アーク
図 2：表皮抵抗測定用の空胴そ こ で 直 径 120 mm の 銅 の プ レ ー ト の 内 側
110 mm の範囲にカンタルを溶射し（図 1）、このプレートとカップ型の空胴を合わせ、図 2 に示した
空胴として 1.3 GHz での Q 値からカンタルの表皮抵
抗 を 評 価 し た 。 TM01 モ ー ド の 共 振 周 波 数 は1.3086GHz で、L-band 加速管の周波数とほぼ同じである。カンタル溶射部が銅の倍の表皮抵抗を持つ

図 3 に大気プラズマ溶射での溶射量に対する表皮抵抗を示す。被膜表面は凹凸があり、厚さを再現性良く測るのは困難なため単位面積あたりのカンタルの 質 量としてある。溶射角度 90°、45°ともに225 g/cm 以上溶射すれば表皮抵抗はほぼ一定になることが分かった。表皮抵抗が実効的な表皮深さと溶射量 d で決まると仮定すると溶射量に対する表皮抵抗は 1-exp(-2d/) に比例する形で近似できる。図 3の実線はこの関数をデータにフィットした様子で、- 151 -溶射角度 90、45°のデータに関してそれぞれ=15 3.
ロード部設計±8, =18±9 を得た。各実線はデータの振る舞いを加速管内の陽電子輸送の観点から電力の反射係数2再現している。溶射量 25 g/cm の試料の厚みをマイ
は 0.1 以下（VSRS<1.22）にする必要があると仮定
クロメータで測定すると約 100 m であるため、実した。空胴あたりの電力損失は空胴の Q 値と規格効的な表皮深さはから換算して 60 m 程度となる。
化群速度 vg を用いてコリニアロードは加速管を覆うソレノイド内部に設置されるため、磁場中での表皮抵抗の変化を調べ 2c た。磁場の強さ 0～0.5 T の範囲で表皮抵抗の変化(2)
P / Pin  exp  を測定したところ、溶射面が磁場の方向に対して垂 3v Q g
直な場合はほとんど変化がないのに対し、平行な場合は大きく変化する事が分かった。この原因は磁気インピーダンス効果と考えらえる [9] 。磁場に平行 で与えられる。ここで P は空胴を透過する電力、Pinな面での減衰量を評価するため、図 2 に示した空胴 は入力電力、c は光速を表す。現在試験中の L-band[10]の最後の空胴では Q=20650、vg=0.00388の側面（r=60, h=6―13）にカンタルを溶射し、磁場 加速管に対する表皮抵抗の減衰を測定した。図 4 に磁場中 である。ロード部では空胴での電力損失を大きくすで表皮抵抗が減少する様子を示す。ソレノイド磁場 るため Q 値を小さくする必要がある。コリニア
は約 0.4 T であるため、空胴のシリンダー部分へ溶 ロード部の空胴の数が５個と仮定し、式(2)を用いて射した場合、この部分の表皮抵抗は磁場無しの場合 減衰量を評価すると Q 値が通常のセルの 1/40～1/15程度のセルの組み合わせで十分な減衰量が得られるに比べて 40%まで減少する。
ことが分かった [11] 。Q 値を下げるには磁場の大きなシリンダー部に溶射すると効率が良いが、シリンダー部はソレノイド磁場と平行であるため磁場の強さに応じて Q 値が変化する問題がある。また、シリンダー部へ溶射すると空胴のマッチング調整用のディンプルチューニング部分に溶射する事となり、カンタルが剥離する可能性がある事と、溶射の際のマスキングが複雑になるという技術的な問題がある。
そこで溶射はディスク面に限定する事とした。図 5にディスク面の溶射範囲と得られる Q 値の関係を示す。カンタルの表皮抵抗は大気プラズマ溶射の試験で得た銅の 77 倍とした。シリンダー部へ溶射しなくても Q 値を 1/45 まで下げる事が可能である。

図 3：溶射量に対する表皮抵抗の変化

図 5：空胴のディスク面にシリンダーから長さ Ldの範囲でカンタルを溶射した際に期待される Q値の減少率。横軸は銅に対するカンタルの表皮抵抗を表す。
図 4:磁場中で表皮抵抗が減少する様子。横軸は溶射面に平行な磁場の強さ、縦軸は表皮抵抗の減少率を表す。

次に具体的な設計を検討した。コリニアロード部の先頭の空胴はアイリス付近の電場が強いためアイリス付近まで溶射すると放電の可能性が増す事と、- 152 -

Q 値を大きく下げると上流の空胴とのマッチングが かった。シミュレーションを用いた評価では、カン難しくなることが懸念される。そこで５セルのうち、 タルを溶射した５つの空胴で構成されるコリニア先頭の２空胴の Q 値を大きくし、後半の３空胴の Q ロードセクションは SuperKEKB の L-band 加速管に値を小さくする事とした。前半と後半でロードに入 対して十分な性能を持つことが分かった。
る RF の電力を約半分ずつ消費する様に要求すると、 今後、低電力セットアップで、設計の確認を行う。
前 半 の Q 値 は 1300 （ Qreglar/16 ） 、 後 半 は 650 また、カンタル溶射部の高電界性能を確認すること（Qregular/32）とすれば良い。
が必須と考えており、試験用の空胴を製作し、高電この設計での上流から進行してくる波に対するカ 力試験を行う予定である。
ンタルセクションでの反射特性を調べるため
HFSS[12] を用いたシミュレーションを行った。カン 参考文献
タル溶射部を厚み 0.1mm として、銅に対する表皮抵抗が 87 となる様に比透磁率 2.5、電気伝導率 [1] L. Zang, et al., “Prototyping of the Flux Concentrator for
4SuperKEKB Positron Capture”, Proceedings of the 9th
1.92x10 [S/m]の物質を空胴表面に配置した。図 6 にAnnual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,
軸上の電場の強さと位相を示す。ロード部のシリン
Osaka, Aug. 8-10, 2012.
ダー内径は 2/3 モードの周波数が運転周波数にな [2] S. Matsumoto, et al., “High Power Test of L-Bandる様に調整してあり、この組み合わせでほぼマッチ
Accelerator Structure of SuperKEKB Injector Linac”,
Proceedings of the 9th Annual Meeting of Particle
ングがとれている事が確認できた。電場の強さは先Accelerator Society of Japan, Osaka, Aug. 8-10, 2012.
頭の２空胴は通常のセルの 8～9 割程度、後半の空胴では 4 割以下である。上流側のセル部にリップル [3] S. S. Win, et al., “DEVELOPMENT OF THE NEW
C-BAND 50-MW ClASS SiC RF LOAD”, APAC2004,が現れ、反射波の存在を示しているが、 VSWR は
THP16001.
1.15 程度で設計要求を満たしており、このままでも [4] J. Watanabe, et al., ”DUCT-SHAPED SIC DUMMYLOAD OF LBAND POWER DISTRIBUTION SYSTEM
５空胴にカンタルを溶射すれば陽電子生成セクショ
FOR XFEL/SPRING-8”, IPAC10, 2010, THPEA024.
ンの L-band コリニアロードとして十分な性能を持つことが分かった。実際には、主に上流の 2 セル、 [5] J. Haimson, Nucl. Instr. and Meth. 33 (1965), 93.
[6] Y. Arakida, et al., “Characteristics of Kanthal-Sprayed
最下流のロス無しセルなどでの周波数チューニング
layer used for Collinear Load”, Proceedings of the 9th
で、カンタルロードセル部への継ぎ目での反射波をAnnual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,Osaka, Aug. 8-10, 2012.
更に打ち消すことを検討している。
[7] L. Lutz, private communication.
[8] Y. Sun, et al., “KANTHAL ALLOY BASED S-BAND
COLINEAR
LOAD
R&D
FORLINEARACCELERATORS”, IPAC10, TUPEA074.
[9] L. V. Pania, K. Mohri, “Magneto-impedance effect inamorphous wires”, Appl. Phys. Lett. 65 1189(1994).
[10] K. Saito, et al., “LOW-POWER TEST AND TUNING OF
L=BAND POSITRON CAPTURE ACCELERATINGSTRUCTURE”, TUPS1254, Proceedings of the 8th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Tsukuba,Aug. 1-3, 2011.
[11] F. Miyahara, et al., “DEVELOPMENT OF L-BAND
POSITRON CAPTURE ACCELERATING STRUCTURE
WITH KANTHAL-COATED COLLINEAR LOAD FOR
SUPERKEKB”, IPAC12, 2012, TUPPR051.
[12] HFSS, http://www.ansys.com/

図 6：HFSS を用いたシミュレーションで得た軸上の電場（赤色）と位相（青色）。z < 0 は通常のセル、z > 0 はロードセル部分に対応し、破線はセルの境目を表す。

4.

まとめ

SuperKEKB 陽電子生成セクションに設置が予定されている L-band 加速管用のカンタルコリニア
ロードの研究、開発を行った。異なる溶射方法ごとに 1.3 GHz の高周波でのカンタル溶射面の表皮抵抗を測定し銅の 60～116 倍の表皮抵抗を持つ事が分- 153 -