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)

Nextef : 100MW-Class X-BAND ACCELERATOR STRUCTURE TESTFACILITY at KEK
Shuji Matsumoto1, Mitsuo Akemoto, Noboru Kudoh, Tetsuo Shidara, Toshiyasu Higo, Shigeki Fukuda,Hiromitsu Nakajima, Hideki Matsushita, Kazue Yokoyama, Mitsuhiro Yoshida
Accelerator Laboratory, KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
Nextef is the 100MW-class X-band (11.424GHz) RF test facility in KEK. By combining the power from two klystrons,
100MW RF power is produced. It is planned to conduct fundamental research programs such as the RF breakdown
experiment with specially designed waveguides as well as the high power testing of accelerator structures as a researchon future normal conducting high gradient linear accelerators. The construction work was completed and thecommissioning of the whole facility was started in November 2007. The operation for accelerator structure testing will
start soon.

100MW級Xバンド加速管試験施設Nextefについて
ク リ ー ト シ ー ル ド (壁厚50cm)内まで搬送される。
シ ー ル ド 内に加速管などの試験体を格納、搬送さ れ た RF出力を使って、各種の高電界試験をおこ な う (同D)。なお、各種電源、制御機器、モニタ ー 等 を 収 容 す る 制 御 室 は 図 1では省略されている。

１．はじめに

表 1:

Nextef 定格

Frequency
Max power production
Max power for test*
Pulse width
Repetition rate

* 搬送損失25%（実測値）。

図 1 ： Nextef概念図。A:モジュレーター、B:クライストロ
ン、C:導波管、D: コンクリートシールド内の試験加速管。

当 施 設 のモジュレーターやクライストロンな
ど 大 電 力RF機器類、また大半の各種コンポーネン ト 類 は 、 か つ てKEKアセンブリーホール内に展開していたリニアコライダー試験施設（Global Linear Collider Test Accelerator：GLCTA）の 資 産 を 受 け 継 い で い る 。 GLCTAは、2002年の建設開始後、加速管試験施設やクライストロン試 験 ス テ ーションが順次整備運用されていったが 、 2004年に国際衝突型超伝導線形加速器計画（ ILCプ ロ ジ ェ ク ト ） が 発 足 し た の に 伴 い 、 その建設計画は凍結された。これ以降は既存施設を 利 用 を 一 年 半 ほ ど 続 け 、 2007年春に施設を撤去 し た が 、 そ の 一 部 が Nextefとして再生された。
Nextefの 建 設 作 業 開 始 直 後 の 2007年6月、新たに CERNを 中 心 と し て の 国 際 共 同 研 究 が SLACとKEKを パ ー ト ナ ー と し て 発 足 し た [4]。共同研究の そ も そ も の 発 端 は 、 CLIC計画の主線形加速器の周波数をＸバンド帯に選択しなおしたことによ る (30GHz→ 12GHz)[5]。 主 線 形 加 速 器 で の 高 電

New X-band Test Facility (Nextef) [1] と名づけたX
バ ン ド 帯 （ 11.424GHz）100MW級RF試験施設の稼動 を 開 始 し た 。 この施設は、常伝導線形加速器に お け る 高 電 界 加 速 （ 加 速 勾 配 100MV/m）の可能 性 を 探 る 目 的 の た め に 、 KEKB入射器棟内に設 置 さ れ た 。 当 初 は Xバンド帯加速管の高電界試 験 [2] のほか、狭導波管[3]や専用空胴などを用 い た 高 電 力 RFの基礎的試験も行う予定であった。が、当面、後述する共同研究に供される予定である。昨年（2007年）8月末に主要な建設作
業 を 終 了 し 、 同 年 11月よりRF試験運転を開始した。
Nextefを 構 成 す る 各 機 器 の 配 置 を 図 1にあたえた 。 一 台 の モ ジ ュ レ ー タ ー （ 図 中 A）で50MW級 ク ラ イ ス ト ロ ン 2台（同B）を同時に駆動し、各 ク ラ イストロン（最大出力50MW）からのRF出
力 を 合 成 す る （ 最 大 合 成 出 力 100MW）。合成出力 は 、 低 損 失 円 形 導 波 管（同C）を通じてコン
111.424GHz
100MW
75MW
400ns
50pps

E-mail: shuji.matsumoto@kek.jp-123-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)界 加 速 （ 100MV/m） の 実 現 可 能 性 の 検 証 と 、 プ
ロトタイプ加速管の開発研究のための高電力試
験 を 行 う た め 、 Nextefは 当 時 ま だ 建 設 半 ば であったが、この高電力試験に協力することを決定 し た 。 現 在 、 Nextefは 加 速 管 試 験 の た め の 最終 調 整 運 転 中 で あ り 、 今 秋以降、プロトタイプ加速管の試験をCERN−CLICグループとの共同研究としておこなう。ている専用の架台上で試験される。配置平面図を 図 2に 与 え た 。 暗 電 流 の モ ニ タ ー シ ス テ ム（ Faraday Cup, CT による電流波形、分析磁石によ る エ ネ ル ギ ー 同 定 ） の ほ か 、 放 電 検出モニ
ターとして、音響計測（SLACで開発されたシステ ム ） 、 光 電 子 増 倍 管 を 用 い た X線検出器を備え て い る 。 ま た 各 種 RFパルス波形記録に関して、試験体での放電時、その放電にいたるまでのの過去十パルス分ほどの履歴波形を保存記録するシステムを準備中である[8]。

２．施設概要
2.1 モジュレーター[6]モ ジ ュ レ ー タ ー 基 本 構 成 は 、 筐 体 内 に PFN回路を二組の並列に配置、それぞれの回路に一本ず つサイラトロンを接続してあり、その二本を同時に点弧（トリガー）する。出力パルスは、パルストランスで昇圧されクライストロン二本に 同 時 に 給 電 さ れ る （ 昇 圧 比 1:24）。PFNの充電 に は イ ン バ ー タ ー （ 50kV 30kJ/s）を2台使用する。モジュレーターの運転パラメーターを表１ に あ た え た 。 設 計 仕 様 で あ る GLCTAでの要求性 能 と く ら べ 、 Nextef で の そ れ （ 繰 り 返 し50pps 、 RF パルス幅400ns）は、控えめである。
現 在 、 PFN 段 数 を 半 分 に 減 ら し 、 要 求 RFパルス
幅 に 見 合 っ た 半 値 幅 約 2 マイクロ秒で運転してい る 。 運 転 状 態は、これまで良好で、おおきなトラブルには見舞われていない。

図2: Nextefシールド内試験加速管モニターのセットアップ。ACC str: 試験加速管, FC: FaradayCup, PM:Profile Monitor, AM: Analyser magnet, GV: Gate Valve。

2.4 運転制御系
コントロールシステムについては、先行して整備されたX-Band Klystron Test Stationのものを雛 型 と し て い る 。 制御端末を現場に設け、これを KEKB入 射 器 制 御 シ ス テ ム 内 か ら 監 視 す る こと で リ モ ー ト 運 転 が 可 能 で あ る 。 KEKB入射器の制御系の一部として、LINUXとEPICSによる試験データ取得や保存ができる。

表１：Nextefモジュレーター運転仕様
Peak Output Power283 MW
Primary Output Voltage
21 kVPrimary Output Cur rent
13.6 kA
Pulse width
2.0µs (4.5µs)
Flat-top width>0.8µs (>1.6 µs)
Repetition Rate
50pps (150 pps)()内は設計仕様[6]。

３．運転状況
Nextef運 転 は 、 KEKB入射器運転の一部として管理され、入射器運転時(年間約6000時間)には、24時間運転が可能である。
Nextefの コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ は 、 昨 年 9月より、まずクライストロンの単独運転から開始され、
ひ き つ づ い て 昨 年 11月ごろより、導波管系をダミーロードで終端し、加速管などは接続されてい な い 状 態 で の RF運転が開始された。本年2月の 時 点 で 、 合 成 出 力 50MWでの運転を行っていたが、導波管系でのアウトガスやRFロードでの予想よりも低いパワーでの放電などのため、当初 計 画 か ら3ヶ月程度の遅れを生じたが、4月以
降 、 順 調 に パ ワ ー を 伸 ば し 、 5月後半からの運転 で は 、 合 成 出 力 が 90MWを超えた（パルス幅210ns）。この時点で、今秋以降予定されている
加 速 管 試 験 の た め に 必 要 な RF出力およびシステ
ム フ ォ ー ル ト レ ー ト (安定性)は、加速管試験可能 な 水 準 に 達 し た と 判 断 し 、 6月より、2006年に 試 験 さ れ た X バ ン ド 加 速 管 KX03[2]を導入して、今秋からの加速管試験のためのモニター類の準備を開始した(履歴は図3)。

2.2 クライストロン[7]GLCTA か ら 移 設 し て き た PPM 収 束 方 式(periodic permanent magnet) の ク ラ イ ス ト ロ
ン を 最 大 出 力 を 50MWで二本使用する。クライス
トロンの運転パラメーターを表2にあげた。
表 2：Nextef クライストロンの運転仕様
Operating Frequency
11.424 GHz
RF Pulse Width
0.4 µsPeak Output Power
50 MW
Beam Voltage
460 kV
Repetition Rate
50 pps
Efficiency
43 %2.3 加速管試験測定器
試 験 体 （ 加 速 管 ）は各種モニターが設置され-124-

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)

図3：加速管KX03を入れたRUN061108の加速管入力パワー（青）とRFパルス幅(赤)の履歴。7月1日に300nsで65MWの加速管入力に到達した。

現 在 も KX03を伴ったコンデショニング運転を継続中で、時折起こる加速管での放電を利用して、放電位置同定のためのシステムや放電検知後のインターロック系、波形データの取得システムなどのコミッショニングを行っている。
今 秋 よ り 試験を開始する共同開発加速管（名称 ： T18_vg2.4_Disk。 外 観 は 図 4参照）の加速管
試 験 に 必 要 な パ ワ ー レベルは、試験目標の加速勾 配 〜 100MV/m に 対 し 、 加 速 管 へ の 入 力 が 〜55MW, 300nsで あ る 。 （ Nextefは現在このレベルを超えたところでコンデショニング運転中である。）ちなみにこの加速管は、前出の共同研究の一つのプログラムとして進行中で、主として加 速 管 設 計 を CERN、 加 工 を KEK、 組 み 立 て をSLACで分担し、同じ設計で複数の加速管を製作し 、 KEKとSLACで試験を分担して行なってゆくも の で あ る[9]。共同研究では、今後、図5にある よ う な 一 連 の 100MV/m 加速勾配の試験用 プ ロ
ト タ イ プ 加 速 管 を 順 次 製 作試験してゆく予定で、
当 面 Nextefは 、 こ の 共 同 研 究 の ス ケ ジ ュ ー ル に沿った形で運用される見通しである。

４．謝辞

図5：今後のNextefでの試験予定。共同開発する加速管を順次試験してゆく。

参考文献[1] http://www-linac.kek.jp/nextef/index.html.
[2] T.Higo, et al., “Nornal Conducting High-gradient Studiesat KEK”, THP038, Proceedings of Linac 2006, Knoxville,Tennessee USA, 2006.
[3] K.Yokoyama, et al., TP09, “High-Field Experiment withNarrow Waveguide”, these proceedings.
[4] The X-Band Accelerating Structure Design andTest-Program Workshop, June 18-19, 2007, CERN,
http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=15112.
[5] H. H. Braun, “Toward a Multi-TeV linear collider;
Drive Beam generation with CTF3”, APAC’07,
Indore, India, Feb 2007.

移設計画の立案段階から本格運用開始直前の現 在 に い た る ま で 、 KEKB入 射 器 主 幹 他 、 入 射器関係者に支援尽力いただいています。ここに感 謝 し ま す 。 ま た 、 Nextefの運用に関しては、CERNの 所 長 を 始 め 、 CLIC関連の方々や、SLACの常伝導加速器研究グループの方々の大きな協力支援のもとに遂行されています。ここに感謝致します。

[6]M.Akemoto et al., “Pulse Modulator for X-band
Klystron at GLCTA”, Proceedings of the 1st Annual
Meeting of Particle Scoiety of Japan and 29th Linear
Accelerator Meeting in Japan.
[5] S.Matsumoto, et al., “Study of PPM-Focused X-Band
Pulse Klystron”, THP027, Proceedings of Linac 2006,
Knoxville, Tennessee USA, 2006.
[8] T.Ushimoto, et al., “RF Waveform Acquisition System
at Nextef”, TP104, these proceedings.
[9] T.Higo, et al., “Research of X-Band High GradientAcceleration”, TP095, these proceedings.

図4：Test structure T18_vg2.4_Disk #2.
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