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 C-BAND RF PULSE COMPRESSOR
Kazunori Okihira1,A), Fumiaki InoueA), Sadao MiuraB), Hirokazu MaesakaC), Takahiro InagakiC), Tsumoru ShintakeC)
A)
MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD.
1-1, Wadamisaki-cho 1-chome, Hyogo-ku, Kobe, 652-8585 JAPANB)
MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD.
1-1, Itozaki Minami 1-chome, Mihara, Hiroshima, 729-0393 JAPANC)
RIKEN / SPring-8
1-1-1, Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5148 JAPANAbstract
C-band RF compressor is a device that generates high peak RF-power by saving, and compressing the RF-power
output from the klystron. In SCSS: The Spring-8 Compact SASE Source, Q-factor of C-band RF compressor is lower
than theoretical figure. To improve Q-factor of C-band RF compressor, we changed the production method of C-band
RF compressor from Electron Beam Welding (EBW) to the brazing in XFEL: X-ray Free Electron Lasers. As a result,Q-factor of C-band RF compressor has been improved, and it succeeded in the work improvement.

C-Band RFパルスコンプレッサーの開発
１．はじめに
X線自由電子加速レーザー(XFEL)[1] は、光の速度近くまで加速された電子を軌道変化させることにより生じる放射光をコヒーレント化したレーザーである[1]。XFELでは電子の加速に主としてCバンド線形加速器[2]を使用する。クライストロンから出力された高周波を1度C-Band RFパルスコンプレッサーに蓄え、圧縮することにより高いピークパワーの高周波を発生させ、加速管に送る。圧縮しない場合に比べて約2倍の加速勾配が得られる。今回、我々はSCSS試験加速器 [3] 用に製造されたC-Band RFパルスコン
プレッサーの接合方法に改良を加え、高周波出力の効率改善を試みた。

チューナには1μmの分解能が要求される。その機構には2種類のねじを組合せた差動ねじを用いた。
共振空胴の接合にはろう付けを用いる。従来の試験加速器用パルス圧縮器の場合、電子ビーム溶接(EBW)を用いていた。EBW前の共振空胴無負荷Q値は 約 182000 で あ っ た が 、 EBW 後 無 負 荷 Q 値 は 約175000～179000に低下した。EBWでは局所的な熱歪が生じる、密着性が不十分である、等の問題がある。そのため、無負荷Q値が理論値と比較して小さい値となる。接合方法を改善すればQ値が上がる余地があり、効率を改善できる可能性がある。そこで、我々は空胴の接合にろう付けを採用し、無負荷Q値の改善を試みた。ろう付けの場合、空胴の部品接合部の密着性向上が期待できる。

２．設計
共振空胴
C-Band RFパルスコンプレッサー(パルス圧縮器)
ﾓｰﾄﾞｺﾝﾊﾞｰﾀ
は共振空胴、モードコンバータ [4] 、3dB分配器で構成される(図1参照)。クライストロンから出力された高周波が3dB分配器で2つの共振空胴に向け半分(3dB) に 分 配 さ れ る 。 モ ー ド コ ン バ ー タ で は 伝 送
3db分配器モードが□TE10から○TE01に変換され、共振空胴高周波で高周波が蓄積、圧縮される。本パルス圧縮器の共振空胴のモードはTE0,1,15で、共振周波数は5712MHz、ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ側
加速管側
無負荷Q値の理論値は、銅の場合約190,000である。
クライストロンから出力された高周波を高いピー
図1：パルス圧縮器
クパワーに圧縮するためには、パルス圧縮器の無負荷Q値が十分高い必要がある。共振空胴には共振周波数の誤差を10kHz以下に収めることを要求される。 ３．製作
空胴全長に対する共振周波数の感度は約10kHz/μmであるため、機械加工のみで目標とする周波数に調3.1 共振空胴 製作整することは非常に困難である。そのため空胴にはろう付けによる共振空胴製作フローを図2に示す。
周波数を調整するためのチューナを取付ける。
1

E-mail:kazunori_okihira@mhi.co.jp-568-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)の計測を実施する(図5)。共振周波数の微調整は空胴端板に取付けたチューナで端板を押し引きする(空胴全長を変化させる)ことにより行う。チューナのねじ1回転で全長50μm(周波数500kHz)程度の調整が可能で、目標周波数±10kHzに調整する。本計測は空胴内部を真空引きした状態で実施する。

チューニング加工
ろう付け

3.4 パルス圧縮器全体組立・調整

ろう付け

共振空胴ユニット品2体と3dB分配器を架台上で組み合わせ(図1)、最終計測・調整を行う。計測する
項目は、共振周波数、無負荷Q値、外部Q値、カップリング係数(β)、VSWRである。ここでは、両空胴に取付けたチューナで共振周波数を一致させ、VSWRを1.1以下に調整する。

図2：共振空胴製作フロー図

空胴各部品の機械加工及び一部部品の単体ろう付
け後、全体ろう付け前に仮組み状態で低電力高周波４．低電力高周波試験結果試験を実施し、空胴共振周波数及び無負荷Q値を計測する。計測結果を受けて、空胴胴体の全長の4.1 共振空胴(ユニット組立品)チューニング加工を行う。前述したとおり、機械加工で空胴共振周波数を目標値まで追い込むことは困共振空胴(ユニット組立品)の試験結果を従来のパ難である。そのため、共振周波数がチューナで調整
ルス圧縮器(EBW)の結果と併せて表1に示す。ろう付可能な範囲に収まるよう空胴をチューニング加工す
け前の無負荷Q値は約175,000であるのに対し、ろうる(チューナ調整可能範囲は±3MHz程度であるが、付け後の無負荷Q値は約185,000であった。従来のここでは±0.5MHz程度まで機械加工で調整する)。
EBWでの値より高く、ほぼ理論値と一致する結果がチューニング加工完了後、全体ろう付けを実施し、 得られた。また、ろう付けによる接合の場合、密着共振空胴が完成する(図3参照)。従来のEBW品は、 性の向上と還元作用により、無負荷Q値は接合前と端板1のろう付け、端板2のろう付け、空胴胴体の比較して改善される傾向が見られた。
EBW、共振空胴全体
表1. 共振空胴(ユニット組立品)RF試験結果
EBW の 計 4 工 程 が 必要であったが、端板2のろう付けと全体ろう付けの2工程に低減できた。
図3：共振空胴ろう付け品
3.2 モードコンバータ 製作
4.2 パルス圧縮器全体組立品
空胴胴体と同様、モードコンバータの接合にはろう付けを採用する。ろう付け前には部品を仮組みして低電力高周波試験を実施し、電圧定在波比(VSWR)を計測する。チューニング加工
でVSWR調整後、全体ろう付け 図4：モードコンバを実施する(図4)。
ータろう付け品
3.3共振空胴ユニット組立・調整
ろう付け完了後、共振空胴、モードコンバータを組合せ、共振周波数の微調整と無負荷Q値

パルス圧縮器全体組立品の試験結果を図7に示す。
共振周波数は5712.622MHzであるが、この周波数は室 温 下 で 計 測 し た 数 値 で あ り 、 30 ℃ 換 算 値 は5712.000MHzである。試験時は共振空胴の物温を同時に測定する。事前にパルス圧縮器に冷却水を流し温度を変えて周波数の温度依存性を測定した結果から、換算値を求めている。無負荷Q値は約186000、VSWRは1.1以下となった。
現在パルス圧縮器は14台完成しており、計測した無負荷Q値は185000以上(図8参照)、VSWRは1.1以下で良く安定している。
2000005712.622MHzVSWR=1.03

無負荷Q値

1900001800001700001600001500000

図5：共振空胴ユニット組立 図6：チューナ

図7：パルス圧縮器RF特性-569-

510
パルス圧縮器No.

15

図8：14号機までの無負荷Q値

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)

５．パルス圧縮器応答特性5.1 低電力試験
理化学研究所播磨研究所内のテストベンチにて、
パ ル ス 圧縮器に低電力パル ス 波 形を入力し、応答特 性 を 確認した。本試験で は 、 パルス圧縮器は実機 据 付 時と同様に縦吊り状態(壁掛け)とし、3dB分
配 器 上 流側フランジから
信 号 を 入力し、下流側フ 図9 ﾊﾟﾙｽ圧縮器壁掛けランジからの出力をリアルタイムスペクトルアナライザーで計測した(図9参照)。入力波形は2.5μs幅の矩形パルス信号で(図10参照)、2.0μsで位相が180度回転するものである。
計測結果、図11に示すパルス圧縮器の出力波形が得られた。電圧増幅率は2.0μs後のピーク値で約2.5倍、平均で約2倍となり、シミュレーションと概ね一致する出力結果が得られた。

いる。(パルス圧縮器出力のRF波形は図12参照)。現状パルス圧縮器でのガス放出・放電は少なく、それ以外の部分での真空悪化の頻度が高くなっている。
今後、パルス幅を2.5μsまで徐々に広げ、パワーを50MWまで上げる予定である。

パルス圧縮器図12：パルス圧縮器高電圧試験結果

６．まとめ
無負荷Q値の改善と接合の工数の低減を目的とし、共振空胴の接合方法をEBWからろう付けに変更した。
その結果、無負荷Q値は改善され、また、接合の工数を従来のろう付け2回、EBW2回の計4回から、ろう付け2回のみに低減できた。
XFEL計画では計64台のパルス圧縮器を据付ける予定である。現在、パルス圧縮器14号機までの製作、RF計測が完了し、無負荷Q値は185000以上で安定している。今後、2008年度中に27台、2009年度に23台パルス圧縮器を製作し、2010年に据付が開始される予定である。

図10：パルス圧縮器入力信号

参考文献[1] http://www.riken.jp/XFEL/[2] S. Miura et al., “Cバンド加速器システム量産” , theseproceedings.
[3] T. Shintake et al., “Status of SCSS X-FEL project atRIKEN/SPring-8”, Proceedings of Particle Accelerator
Society of Japan[4] T. Shintake et al., “Development of C-band RF Pulse
Compression System for e+e- Linear Collider”, Proceedingsof PAC97

出力 ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

図11：パルス圧縮器応答特性5.2 高電力試験
現在テストベンチにて、パルス圧縮器を含めたC
バンド加速ユニットの高電圧試験を実施している。
2008年8月4日現在の状況は、繰り返し60pps、パルス幅1.5μs、50MWまでパワーが入るようになって-570-