Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)	 IFMIF/EVEDA 原型 RFQ 加速器の RF カプラー開発	 
DEVELOPMENT OF RF INPUT COUPLER FOR THE IFMIF/EVEDA PROTOTYPE RFQ
LINAC
前原	  直#, A), Palmieri AntonioB), 市川	  雅浩 A), 高橋	  博樹 A),	  鈴木	  寛光 A),	  杉本	  昌義 A)
Sunao Maebara #, A), Antonio PalmieriB), Masahiro IchikawaA), Hiroki TakahashiA),
Hiromitsu SuzukiA) and Masayoshi SugimotoA),
A)
Aomori research and development center, JAEA, Aomori-ken, 039-3212, JapanB)
INFN-LNL, I-3520 Legnaro(PD), Italy

Abstract
For the IFMIF/EVEDA accelerator prototype RFQ linac, the operation frequency of 175MHz was selected toaccelerate a large current of 125mA. The driving RF power of 1.28MW by 8 RF input couplers has to be injected to theRFQ cavity for CW operation mode. For each RF input coupler, nominal RF power of 160kW and maximum
transmitted RF power of 200kW are required. As the RF input coupler engineering design, magnetic field strength andRF loss due to the RF driven etc., based on a 6 1/8 inch co-axial waveguide were calculated. This report describes theengineering design of the RF Input Coupler for the accelerator prototype RFQ.

1.

はじめに

2.

RF インプットカプラーの設計条件	 

IFMIF は 国 際 核 融 合 材 料 照 射 施 設 (International 8 台の RF カプラーは、RFQ の軸方向の 4 か所に分Fusion Materials Irradiation Facility)の略称であり、核 けて配置され、各配置場所では、左右対称に 2 つの融合実証炉の構造材料や機能材を開発するための加 RF カプラーがセットされる。軸方向の各配置場所
速器ドライブによる中性子照射施設である[1]。この では、２つの RF カプラーにより磁場強度としてIFMIF 建 設 の た め に 、 工 学 設 計 ・ 工 学 実 証 活 動 3100, 3400, 3800 と 4100[A/m]の励磁が要求されてい(Engineering Validation and Engineering Designる。またカップリングファクターは、ループアンテActivity; EVEDA)が日本と欧州間の幅広いアプローナのビーム軸に対する回転(0-90°)あるいはループチ協定の基に実施されている。IFMIF/EVEDA 原型
加 速 器 は 、 イ ン ジ ェ ク タ ー ( 出 力 エ ネ ル ギ ー ； アンテナの RFQ キャビティへの挿入距離により調100keV)、175MHz の RFQ ライナック(0.1-5MeV)、 整することが求められている。
マッチングセクション、初段部分の超伝導 RF ライ 図１に RF インプットカプラーの概略図を示す。
ナック (5.0-9.0MeV)と高エネルギービーム伝送系及 RFQ 本体にはφ90mm のポートに RF カプラーとのびビームダンプ(9MeV-125mA CW) から構成され、 インターフェースとして ISO100 の固定フランジが125mA の重陽子ビームを用いた加速器実験が青森県、 設けられ、RF カプラー側のフランジには回転フラ六ヶ所村の青森研究開発センターにおいて計画され ンジとすること。また RF 伝送系と RF カプラーとている[ 2]。のインターフェースは EIA 規格の 9 3/16 インチ同原型 RFQ ライナックの設計では[3,4]、4 ベーン型 軸導波管フランジの取合いである。RF カプラーはキャビティが提案され、5MeV まで加速するために 更にビーム中心軸から径方向に 2000mm 以内で設計
軸長さ 9.87m が設計され、125mA の大電流の重陽子 することが条件として与えられている。
ビームを連続運転モードで加速するために運転周波数 175MHz が採用された。この加速性能を満たすた
めにトータル 1.28MW の高周波電力を RFQ ライナックに入射する必要があり、8 台の RF インプットカプラーを介して入射される。
この RF カプラーの工学設計では、RF 特性、RF損失、カップリングファクター及びキャビティの磁界分布は、HFSS コードを用いて 3 次元電磁界解析を行い、またビームローディング時のカップリングファクターは、イタリア国立原子核物理学研究所・レニャーロ研究所が持つ実機寸法のアルミ材 RFQモジュールを用いて、カップリング測定結果から評価を行った。
Figure 1: Schematic drawing of an RF input coupler.
____________________________________________#maebara.sunao@jaea.go.jp- 561 -

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表 1 に十分な RF コンデショニングを施した後の RFカプラーの目標実証値を示す。
Table 1: Target performance
Requirement
Nominal frequency
Duty cycle
Max. transmitted power

Targetvalue
175MHz
100%200kW

Nominal power

153kW

Max. reflected power inoperation

20kW

Line impedance
Max. power lost in thecoupler
Max. reflected powerfrom the coupler

50Ohm
0.5%
1%

Comment

Pulsed operation possible
Full reflection to bewithstood up to 100µs
To be used to dimension
the RF couplers
Value that each coupler
has to withstand during
RFQ operation with nobeam
RF network impedanceInsertion loss
|S11|2=0.01 for any
frequency in the interval[174MHz,176MHz] onmatched load

3.2	  RF カプラー先端部の冷却チャンネル
RF 損失が増加するφ90mm ポート部分の RF カプラー先端部では、外部導体、ループアンテナ、内部導体を冷却するために冷却チャンネルを設けた(図 3参照)。外部導体に注入され冷却水は、外部導体の外周を流れてループアンテナ、内部導体の中心部を経由し戻り、内部導体の表面下を冷却してループアンテナ、外部導体外周を流れて取出される。ループアンテナの断面寸法は 8 x 16mm、最少半径は 19.5mmであり、その銅材にφ4mm の 2 つの冷却チャンネルを設けている。

Figure 3: Schematic drawing of cooling channel at the RF
input coupler tip.

3.3	  カップリングファクターの測定	  ループアンテナを RFQ キャビティに挿入した場
合、RF 損失やキャビティの電磁場の歪みを抑制す
3.1 RF インプットカプラーの構成るために挿入距離 L を必要最小限にする必要がある。
図２に 6 1/8 インチ同軸導波管をベースに設計し このためループアンテナの挿入距離に対するカップたλ/4 長の冷却水ポート付 RF カプラーの概略図を リングファクターの評価を行った。低電力測定用示す。この冷却水ポートは、定常運転時における高 ループアンテナとして挿入距離 L=73, 48, 45, 40 およ周波窓とサポートディスクの内部導体部分の RF 損 び 27mm を試作し、１つのアンテナを実機寸法のア失(約数 10W レベル)を積極的に冷却するために設け、 ルミ材 RFQ モジュール（図 4）に挿入し、カップリ冷却水ポート端部から冷却水を注入して戻りを取出 ングファクターを測定して 5MeV-130mA ビーム負す構造である。この端部は、外部導体と内部導体が 荷時のカップリングファクターの評価を行った。
電気的にショートしたプレートを設けているため、 	  測定値からのビーム負荷時の換算は下記のように非放電的な反射電力が発生した場合、λ/4 長の冷却 求めた。①８つの RF カプラーから入射；測定値の水ポート内の電界分布はゼロとなる。この RF カプ 8 倍	  ②Q 値の補正；実機の最小許容値/アルミ材
0ラーの設計では、9 3/16 インチのインターフェース RFQ の測定値(9000/3600)③ビーム負荷時；1/1.85 = 1面からφ90 のポート部分(ループアンテナを除く)間 / (750kW(Cavity) + 637kW(Beam loading)) /750) ④磁の 電 力 反 射 率 は 、 周 波 数 174-176MHz 範 囲 内 で 界 の 補 正 ； 36002[A/m] 銅 材 /43002[A/m] ア ル ミ 材 ；0.01%以下であることが HFSS コードによる 3 次元 Supper fish code による計算値を採用。これらの補正電磁界解析で得られた。
を行った 5MeV-130mA ビーム負荷時のカップリングファクターの結果を図５に示す。ループアンテナの挿入距離 L=40mm と 45mm の場合、アンテナ回転角 0°のときカップリングファクターは 1.06 と 1.26となった。L=45mm のとき、パーターベーション方法による電磁界の歪み測定により、アンテナの設置が軸対称であることから±1%以下になると評価し、マージンを考慮してループアンテナの挿入距離L=45mm を採用することを決定した。	 	 

3.

RF インプットカプラーの工学設計

Figure 2: Schematic drawing of an RF input coupler withwater-cooling port of λ/4.

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Figure 4: Photograph of real size aluminum RFQ module;
the axial length of 9.78m-long.

(b) RF loss density profile on the loop length of 45mm

Figure 6: Magnetic field analyses by HFSS code: (a)magnetic field strength around the loop length ofL=45mm and (b) RF loss density on the loop antenna on
the RF power of 153kW.
3.5	  RF カプラーの試作	 	 	 図７に工学設計に基づき試作した RF カプラー先端部モジュールの写真を示す。水圧 0.3MPa にて 5リッター/分以上の冷却水流量を実証した。ループアンテナの RF 損失評価(100-200W レベル)の約 15 倍以上の熱除去が可能である。	 

Figure 5: Evaluation of beta	  (RF coupling) on beamloading in the IFMIF/EVEDA prototype RFQ; beta vs.
loop angle for the inserted depth of 27, 40, 45, 48 and
73mm.
3.4	  磁場強度と RF 損失の解析	 
図 6 に L=45mm のループアンテナを挿入し、RF電力 153kW を入射した場合の RFQ キャビティの磁界分布(a)とループアンテナの表面 RF 損失密度(b)のHFSS コードによる解析結果を示す。ベーン間の磁界強度は、3300[A/m]が得られ設計条件を満たしている。またループアンテナ RF 損失は表面 RF 損失密度から 100-200W となることが判明した。	 
Figure 7: Photograph of the fabricated RF coupler tipmodule.	 	 
4．まとめ	 

定常化 RF インプットカプラーとしてループアンテナに冷却チャンネルを設けた工学設計を行い、２つの RF カプラーを製作した。現在イタリア国立原子核研究所レニャーロ研究所へ輸送して、無負荷での2 時間の RF 伝送試験に向けて準備を進めている。	 

参考文献(a) Magnetic field profile around the loop length of L=45mm[1] IFMIF-CDA Team (Ed.) M. Martone, “IFMIF Conceptual
Design Activity Final Report”, ENEA Frascati Report,
RT/ERG/FUS/96/17 (1996).
[2] A. Mosnier, et.al., “The Accelerator Prototype of the
IFMIF/EVEDA project”, IPAC10, Kyoto, May 2010,
MOPEC056, p.588 (2010); http://www.JACoW.org.
[3] M. Comunian, A. Pisent, E. Fagotti, “The IFMIFEVEDA
RFQ: Beam Dynamics Design”, LINAC’08, Vancouver,Sept. 2008, MOP036, p.145(2008); http://www.JACoW.org.
[4] A. Palmieri, et.al., “The IFMIF RFQ Real-scale Aluminum
Model: RF Measurements and Tuning”, IPAC10, Kyoto,Japan,
May
2010,
MOPEC061,p.603(2010);
http://www.JACoW.

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