Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUOLA2

大電力 CW およびパルスクライストロンの開発と製造
DEVELOPMENT AND MANUFACTUREING OF HIGH POWER
CW AND PULSE KLYSTRONS岡本 正
Tadashi Okamoto
Toshiba, (Incumbent: Microwave Application Technical Consultant)

Abstract

A 1.2 MW CW and a 100MW pulse klystrons were developed for TRISTAN and SPring-8 programs. The output
power of these klystrons should be raised to nearly five times higher than those of the other klystrons at that time.
There were large gaps also in size and weight, especially in CW klystrons.
This paper explains troubles and improvement efforts in the development. Multipactoring problem at the surface ofoutput ceramic window was one of the biggest problems that gave extraordinary temperature rise and would clackthem. It also introduces other klystrons which were developed afterwards. These klystrons are and/or will be used in
the accelerator research institutes worldwide.

1.

はじめに

本報告では、まず E3786、E3712 の開発経緯を述べ、引き続き進められた新開発と海外展開の概要を取りまとめる。

Temperature [℃]1980 年末頃、連続波(CW：Continuous Wave) 出力1.2MW のクライストロン E3786 の設計に着手した。
E3786 の開発 [1], [2], [3]当時、わが国最大のクライストロン(E3774)から、出 2.
KEK の指導を受け、機械的強度の向上、真空度の力で 6.7 倍、管球の長さで 2 倍、また動作電圧も 2倍程度高める必要があった。開発当初、機械的、電 向上を目指した徹底的な改善がはかられた。排気後に起きるリークの対策が進められ、クライストロン気的な多くの問題が発生した。
トリスタン計画に支障を与えないため、KEK から 排気ための真空系をオイルフリー化した。カソード協力チームが派遣され、開発を強力に支援した。東 からの Ba 蒸発を押える方策を進め、蒸発しまわり
芝は、担当部門を強化し、総合研究所、材料部門、 の電極に付着する Ba の障害を軽減するため電極材重電部門が参加する全社プロジェクトを発足させた。 料の見直しを行った。電極温度もなるべく低く保つ一連の協力と努力によって、およそ 5 年の歳月を経 よう配慮した。て、目標性能を達し製造体制を整えることができた。 出力が増しある値を超えると出力窓の温度が急上
88 年夏頃、100MW パルスクライストロン E3712 昇する問題が発生した。熱歪によってセラミックがの設計を始めた。このクライストロンでも電子銃の 内部応力に耐えられず、例えば、試作 1 号管で出力真空と大気との間の壁を形成するセラミックに貫通 430kW に達したときに窓が破損した。
セラミックは 2 次電子放射係数が大きいので、セ孔が開いてしまう問題が発生した。E3786 の出力窓の問題と同様、マルチパクタに関係する問題であっ ラミック表面で電子増倍が起きるいわゆるマルチパたが、単に電子銃を浸している油面の高さを上げることで解決できた。
E3786 と E3712 は SPring‐8 に供され、E3712
Cylindricalは韓国に輸出された。
Window
これらの開発と製品供給を通して、開発と製造の力が大きく飛躍した。開発は若い世代が引き継ぎ、次々に新開発品を生み出した。周波数域は324MHz から X バンドに広がり、長さも 5m に達Circularする長大管が開発された。
PlateWindow
ビーム収束はもっぱら電磁石よっていたが、永久磁石を使用する PPM クライストロン(X バンド、C バンド)が開発され、さらに 6 本の電子ビームをOutput Power [kW]Figure 1: Light Emission by使用するクライストロンが開発された。
Figure 2: Temperature Rise
Multifactor on the Surface of
国内はもちろん、欧米亜の加速器研究機関に向[1]vs. Output Power [1].
Cylindrical
Window.
け新開発のクライストロンの輸出が進められた。

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クタによって出力窓の温度が急上昇していることを観測した。Figure 1 はマルチパクタによる紫色の発光状態を撮影した写真、Figure 2 は出力と室温からの温度上昇の関係を示す図である。
Figure 3 に出力窓の構造を示す。セラミック窓は当初、円筒であったが、図に示すような円板に変更された。これによって、出力回路のインピーダンスが下がり、温度上昇に伴う内部応力が圧縮力に変わった。窓材には高純度セラミックを使用した。

Output Cavity

Coaxial Line
Circular Plate
Ceramic Window

Load
Figure 3: Coaxial type circular plate window.

同軸線路部も含めセラミック表面に TiN コーティングを実施し、マルチパクタを防止した。
Figure 4 に E3786 の外観写真を示す。全長は 4.5mで、合計 6 個の空胴を使用している。コレクタは蒸発冷却される。
E3786 はさらに改良され E3732 に名称変更された。

3.

E3712 の開発 [4]パービアンスが高い(2.0 A/V3/2) ため、 FCI(FieldCharge Interaction)プログラムを使用して集群状態を調べ、空胴配置を最適化した。空胴数を 5 とした。
電子ビームに対して出力空胴の電界を対称にするため、空胴の中心軸に対称に出力導波管を配置した。
それぞれの導波管に 1 つの出力窓を設け、通過後に合成して単一の導波管から出力する構造とした。出
力窓は Pill-Box 型である。セラミックの表面にはマルチパクタを抑制するため TiN コーティングを実施した。Resonant Ring を用いて窓の耐電力評価を行い200MW に耐えることを確認した。
電子銃電極間のセラミックは空胴側でやや径を広げ円錐状とした。
試験中に、マルチパクタによる異常と推測される貫通孔が発生した。この事故は管内で起きるマルチパクタによる導電性シースと管外の空気との間でセラミックを介して放電を起こした結果と考えられる。
幸いにも、単に電子銃部分を浸しているオイルの油面を高くすることで問題を解決できた。Figure 5 に
E3712 の外観写真を示す。Figure 6 は貫通孔が発生

Figure 5: E3712 (Height 1.9m).

Figure 4: E3786 (Height 4.5m).

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PASJ2014-SUOLA2するメカニズムの推測図である。便宜上、説明図は円筒セラミックとした。
Anode

Air

Discharge(Earth Potential)

4.2

VacuumPenetrating Hole

(Negative High Potential)
CathodeFigure 6: Mechanism of penetrating hole bymultipactoring.

4.

4.3

新規クライストロンの開発

引き続き開発されたクライストロンのいくつかを紹介する。
4.1

PPM 集束クライストロン[5]

大電力クライストロンの電子ビームは通常、電磁石によって集束される。電磁石は重く、電力を消費する。磁石を含め、軽量、小型、省電力化を図ることを目的に、円板状の永久磁石の極性を順次逆に縦続した周期永久磁石 (PPM)でビームを集束するクライストロンの開発が進められた。
まず X バンド PPM クライストロンの開発がKEK で進められた[6]。
この成果を引き継いで、X バンド管、続いて C バ

Figure 7: X-band PPM
klystron E3768I.

Figure 8: 6 beams
klystron E3736.

マルチビームビームクライストロン(MBK) [7]

一般にパービアンスを高くすると効率が低下する。
このため、複数のビームを用い、各ビームについてパービアンスを低く保つ方法が提案されている。
6 ビームクライストロン E3736 ではこの方法によって効率 68％を達成した。空胴部には 6 本の電子ビームが 60°の間隔で対称的に空胴の中心軸に沿って平行に流れるようになっている。電子銃は 6 個である。
E3736 の外観写真を Figure 8 に、電子銃を Figure
9 に示 す。動 作周波 数は 1.3GHz、ピ ーク 出力は10.3MW、パルス幅は比較的長く 1.5ms である。動
作電圧は 115kV、電流は 131A である。

Electron Sheath by Multipactoring

Oil

ンドのクライストロンの商品化が進められた。一例と し て 、 Figure 7 に E3768I を 示 す 。 周 波 数
11.424GHz、出力 50MW、電圧 500kV、電流 270A、長さは約 2m である。

C バンドクライストロン[8]SACLA での使用を目的に C バンド 50MW クライ
ストロ ン E3748/E37202 を開発した。概観写真を
Figure 10 に 示す 。こ のク ラ イス トロ ンの 電圧は354kV、電流は 315A である。
4.4

J-PARC 向けクライストロン[9], [10]J-PARC 向けに 324MHz (E3740A)および 972MHz(E3766)のクライストロンを開発した。電子銃は三極構造で、ビーム変調を行うことができる。出力はともに 3MW である。
E3740A は、最も長いクライストロンで、全長が5m に達する。Figure 11 に E3740A の外観写真を示す。E3766 の長さは 3m である。
なお、横置きのクライストロンとしては、他にE3736H(1.3GHz、10MW、MBK)、E37619(324MHz、1.2MW)がある。

Figure 9: Electron
gun for E3736.

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Figure 10: C-band
50MW
klystronE3748/E37202.

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５．クライストロンの海外展開

5. 結び

クライストロンの輸出は、① 海外加速器研究開
発機関による既開発クライストロンの調査あるいは開発品の評判によって始まるものと、② 加速器計画に対する調達リスクを軽減する目的で進められる競合開発品によるものがある。①の例としては、韓国 POSTEC 向けの E3712、②の例としては、DESY向けの E3736H (E3736 の横置き型)がある。
Figure 12 にコンタクト中の顧客を示す。Table 1に加速器研究施設におけるクライストロンのソケッ
ト数を示す(一部未確定)。*印を付したものは競合していることを示している。例えば、Euro X-FEL では7 本が我が国の受注、残りは Thales に受注が決まっている。IHEP には Thales 管も入っている。FAIR はすべて Thales 管に決まっている。

以上、1.2MW CW および 100MW パルスクライス
トロンの開発と、それに続く一連のクライストロンの開発状況および海外展開の状況を報告した。
クライストロンの開発にあたり、ご指導ご鞭撻と強力なご支援を戴いた各位に深く感謝申し上げます。
また、現在、クライストロンの開発と製造に取り組んでいる各位に心からの激励を送りたいと思います。
クライストロンの開発と製造は多くの方々の努力のたまものであります。筆者はその一部に関わっただけですが、今回、特別功労賞を拝受させていただ
きました。心から関係各位に感謝申し上げる次第です。

Figure 11: The longest klystron E3740A (324MHz, 3MW, 5m).

Figure 12: Worldwide customers of Toshiba Electron Tube and Device (TETD).

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参考文献[1]T. Okamoto, et al., “1.2-MW CW High-Power Klystron forAccelerator (in Japanese)”, 東芝レビュー, vol.41, no.10,
1986.
[2] Y. Kawakami, et al., “500MHz 1.2MW CW High Power
Klystron for Particle Accelerators (in Japanese)”, 電子技報 ED86-119, 電子情報通信学会, 1986.
[3] S. Isagawa, et al., “Development of High Power CW
klystrons for TRISTAN”, Proc. of IEEE ParticleAccelerator Conf., Washington DC, March 1987.
[4] H. Yonezawa, et al., “Development of a 100MW S-band
Pulse klystron”, Particle Accelerator, vol.30, no.1, 1990.
[5] M. Kanno, et al., “The X-band PPM KlystronDevelopment (in Japanese)”, 信学技報 37-42, 電子情報通信学会, 2001.
[6] J. Odagiri, et al., “Development of X-Band High Power
Pulsed Klystrons”, Proc. Of the 18th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Tsukuba, July 1993.
[7] Y. Chin, et al., “Development of 10MW L-Band MultiBeam Klystron (MBK) for DESY European X-FELProject”, 信学技報 73-76, 電子情報通信学会, 2006.
[8] Y. Ohkubo, et al., “50MW C-band Pulse KlystronDevelopment (in Japanese)”, 信学技報 73-79, 電子情報通信学会, 1998.
[9] K. Tetsuka, et al., “大強度陽子加速器 (J-PARC) 用324MHzクライストロンの開発”, Linac研究会, 2003.
[10] M. Yoshida, et al., “Oscillation Analysis of J-PARC 972
MHz Klystron (in Japanese)”, Linac 研究会, 2005.

- 159 -Table 1: Klystron Sockets in the Accelerator Projects(Sockets* are under competition)
Project
TRISTANAR
B Linac
PF
ATF
S
XTF
X
Spring-8 Storage R.
Synchrotron
Linac
J-PARC 324MHz
972MHzSACLA L
SC
DESY
DESY
Euro X-FEL
ASP-LS (AUS)
New-Subaru
SAGA-LS
SAGA-LS
Tohoku Uni.
Tohoku Uni.
Tokyo Uni.
IHEP (China)
SSRF (China)
THU (China)
NSRL(China)
MXIS (USA)FNAL (USA)SLAC/KEK (USA)SCSS
PLS (Korea)
PAL (Korea) X-FELAISTRAL ISIS (UG)
GSI FAIR (G)KEK

Klystron
E3732
E3732
E3730A/E3754
E3774E3712
E3768D
E3732
E3732
E3712
E3740A
E3766
E37612
E37306
E37202
E3736
E3736H
E3736H
E3774
E3774
E3774
E3712
E3774
E3730A/E3754
E3761/E3768
E3730A/E3754
E37302
E3730A/E3754
E3712
E3730A/E3754
E3740A
E3736
E3730A/E3754
E3712
E3712
E3712
E3740A
E3740Asockets
34260*
49352
1320241464*
1127*
411211116*
31221111650216