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)

DEVELOPMENT OF 1.3-GHz 25-KW CW KLYSTRON
N.Sakamoto1,A)

A)

A)

A)

A)

, S.Miyake , A.Yano ,M.Sakamoto ,K.Tetsuka ,S.Fukuda
A)
Toshiba Electron Tubes & Devices Co.,Ltd.
1385, Shimoishigami, Otawara-Shi,Tochigi 324-8550, Japan
B)
High Energy Accelerator Research Organization, KEK
1-1 OHO,Tsukuba-Shi, Ibaraki-Ken,305-0801, Japan

B)

Abstract
Toshiba Electron Tubes & Devices Co.,Ltd. has been developing with KEK, an L-band CW klystron E3750,RD,
which will be employed as an RF source for the main accelerator in ERL (Energy Recovery Linac). The prototype wastested in April 2008, with beam voltage of 20.5 kV and beam current of 2.48 A, the maximum output power reached30.3 kW, which is more than a required value 25 kW, and efficiency marked about 60%. The design overview and test
results will be presented in this paper.

1.3-GHz 25-kW CW クライストロン開発
ディングを０.７Ａ／ｃｍ２とした。電子ビーム軌道

１．はじめに
現在次世代放射光源として、世界各所にてＥＲＬ型放射光源の研究開発が進められている。高エネル
ギー加速器研究機構（以下ＫＥＫと記載）においては要素技術の完成と性能実証を目的としたコンパク
トＥＲＬ［１］ の建設が計画されている。コンパクト
ＥＲＬの主超伝導加速器では１つの加速空胴につき１台のＲＦ源でドライブする方式が採用される計画であり、ＲＦ源に必要な電力はＣＷで約２５ｋＷ、ＲＦ源としてクライストロンかＩＯＴが候補として挙げられている。東芝電子管デバイス株式会社（以下当社と記載）はＫＥＫと共同で、１.３ＧＨｚ ２５ｋＷ ＣＷクライストロンＥ３７５０を開発した。
本稿において設計と評価試験の結果について報告する。

２．設計
２．１ 機器設計
電子銃は２極管方式でカソードはMタイプディスペンサ型を採用し長寿命化を図った。また、電子銃絶縁部絶縁外囲器はシリコーン樹脂モールドを行い、強制空冷方式とした。出力導波管はＷＲ−６５０で出力窓はサイズを小さくするためにＣ型窓を採用した。真空側のセラミックス表面にはＴｉＮコーティ
図１ Ｅ３７５０ クライストロン外形図
ングを施しマルチパクタ対策とした。クライストロ
ンおよび集束コイルの冷却は水冷方式で、クライス［２］を使用し、電子ビームリップル
トロンはコレクタとボディ系（空胴、出力導波管、 計算はＤＧＵＮが小さくなるよう構造を最適化した。空胴構成は上出力窓）の２系統とした。外形図を図１に示す。
流から入力空胴、２つのゲイン空胴、第２高調波空胴、２つのペナルティメイト空胴、出力空胴の７空２．２ 電気設計胴からなる。第２高調波空胴は効率を高めドリフト
クライストロンの目標性能を表１に示す。電子銃 管長を短くして位相変化を小さくするために採用し［３］を使用し、効率、ゲイはビームパービアンス０. ８μＰ、カソードロー た。相互作用部はＦＣＩ
1E-mail: naoki1.sakamoto@toshiba.co.jp-203-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)

ン及び帯域を確保するため空胴の配置及び離調を最適化した。ＦＣＩ解析より得られた、ビーム電圧２０ｋＶにおける入出力特性と周波数特性の結果を図２及び図３に示す。
表１ 目標性能
1300 MHz
20 kV
2.26 A
25 kW以上
1 W以下
0.8 µP
55％以上(目標60%以上)
6MHz(@25 kW)
8MHz(@25 kW)

35603050

2540

20301520

図４ クライストロン試験セットアップ

３．性能評価２００８年４月にプロト管の性能評価試験を実施した。試験セットアップを図４に示す。出力電力はダミーロードの流量と温度上昇から求め出力窓の温度はＥベンドに取り付けたのぞき窓から赤外線カメラで測定した。
図５にビーム電圧に対する出力電力、出力変換効率、利得の飽和特性を示す。ビーム電圧２０.５ｋＶ、ビーム電流２.４８Ａで出力電力３０.３ｋＷ、出力変換効率約６０％を達成し、安定に動作することを確認した。出力電力に対する出力窓の温度上昇を図６に示す。３０ｋＷ出力電力においてセラミッ
ク窓温度上昇は１３℃程度と低く、マルチパクタによる急激な温度上昇も観測されず、設計の妥当性を検証できた。

10効率(%)
出力(kW)

1050000.20.40.60.8

11.21.4Pd(W)

図２ ＦＣＩ解析による入出力特性

70603570.03060.0

2550.02040.01530.01020.0f(MHz)510.0

図３ ＦＣＩ解析による周波数特性

040300.1W
0.2W
0.4W
0.6W
0.8W

201001295

1296

1297

1298

1299

13001301

130213031304

出力電力(kW)効率(%)

5013050.010

ＲＦ入力は同軸Ｎ型で入力空胴へ導かれ、ＲＦ出力はポールピースの内側、出力空胴上面にカップリングスロットを設けポールピース上面に取り付けた扁平導波管により取り出す方式を採用した。各空胴の形状はＨＦＳＳ［４］ を使用して、ＦＣＩ解析で決定した共振周波数とＱ値とになるよう決定した。
ＲＦ出力は出力空胴から扁平導波管を経て出力窓-204-

1214161820

ビーム電圧(kV)
出力電力

出力変換効率利得

図５ ビーム電圧に対する飽和特性（出力電力、出力変換効率、利得）22

出力変換効率(%)
利得(dB)

70

出力(kW)

効率(%)

動作周波数
ビーム電圧
ビーム電流
飽和出力電力飽和入力電力パービアンス
出力変換効率
瞬時帯域 –1 dB–3 dBを介しＷＲ−６５０導波管へと導かれる。出力窓はＣ型窓を採用し、ＨＦＳＳを使用してＶＳＷＲが１．
１以下になるよう構造を最適化した。

143012251020

出力Po(kW)

出力窓温度上昇(℃)

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)

86415105201295 1296 1297 1298 1299 1300 1301 1302 1303 1304 1305

0051015202530周波数(MHz)

35Po(kW)0.025W

図６ 出力電力対出力窓温度上昇

0.05W

0.1W

0.2W

図８ 周波数特性

更に入出力特性を図７に、周波数特性を図８に示
以上の評価試験結果を表２にまとめて示す。
す。ＦＣＩ解析より５ｄＢ程度ゲインが高かったが、これは第３空胴の離調周波数が動作周波数に対し、表２ Ｅ３７５０評価試験結果約１ＭＨｚ近くなったことが原因と考える。また出項目
動作例１ 動作例２
力変換効率はＦＣＩ解析より５％程度低い結果と動作周波数 (MHz)
13001300なったが、出力空胴や出力回路での高周波損失、ビーム電圧 (kV)20.020.5
ビームロスを抑えるため出力空胴部の磁界を強めたビーム電流(A)2.382.48こと等を考慮するとほぼ妥当な結果である。
飽和出力電力(kW)28.030.3
超伝導加速器ではフィードバックで振幅や位相を飽和入力電力(W)
0.190.18
制御するため、飽和点の８０〜９０％の入出力特性
パービアンス(µP)
0.84
0.84が線形に近い領域に動作点が置かれる。飽和出力電出力変換効率(%)
58.859.6
力３０ｋＷ（カソード電圧２０.５ｋＶ）の８０％電力利得(dB)
51.8
52.3の出力電力におけるインクリメンタルゲインは０.
瞬時周波数帯域５と制御に適した値を得ている。またカソード電圧-1dB幅(MHz)6の変動に対するＲＦ出力位相変化率（出力位相感度）はカソード電圧２０ｋＶで０．０５７ｄｅｇ／-3dB幅(MHz)8Ｖであり、ＲＦ励振の変動に対するＲＦ出力位相変化率は約１.０ｄｅｇ／ｄＢである。更に、クライストロンの負荷ＶＳＷＲに対する安定性は、クライ まとめストロンとダミーロード間にＶＳＷＲ＝１.２：１のアイリスを挿入して６等分の位相で安定に動作す 当社はＫＥＫと共同で１.３ＧＨｚ、２５ｋＷ ＣＷ
クライストロンＥ３７５０の開発に成功した。プロることも確認している。
ト管の評価試験において基本特性を全て満足できる良好な結果を得た。今後、コンパクトＥＲＬの各種コンポーネントの試験のＲＦ源として運転し、長期35の信頼性評価を実施する予定である。
30

Po(kW)

25

参考文献

20
15

[1]KEK Report 2007-7/JAEA-Research 2008-032,URL:
http://pfwww.kek.jp/ERLoffice/cdr.html[2]BINP,VLEPP DGUN U[3]T.Shintake, KEK Report90-3, May1990[4]Ansoft Corporation,HFSS 3D EM Simulation software forRf6 wireless design

105000.05

0.1
18kV

0.15
Pd(W)
19kV

0.2
20kV

0.25

0.3

20.5kV

図７ 入出力特性-205-