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)

MEASUREMENT OF Q FACTOR OF J-PARC SDTL CAVITIESAT HIGH POWER
Hirokazu Tanaka1, Kesao Nanmo
High energy accelerator research organization (KEK)
1-1 OHO, Tsukuba, Ibaraki, Japan, 305-0801
Abstract
J-PARC linac consists of ion source, RFQ, DTL, SDTL. Whole cavities are operated with the pulsed RF power. Thus
we have estimated the Q -values of all SDTL cavities during the beam operation by the measurement of the dumping
time constant of the falling edge of the RF pulse in each cavity. The measured Q-values are consistent with the results
taken by the network analyzer. The measurement scheme and the results are discussed in detail.

大電力におけるJ-PARCリニアックのSDTL空洞のQ値測定向上させることができる加速空洞である。[2]J-PARCのSDTL空洞の共振周波数は324MHzであり、J-PARCリニアックは図1のように、イオン源、RFQ、 約600usのパルス幅で、繰り返し25Hzで運転されてDTL、SDTLとそのビームトランスポートからなり、いる。定格投入電力は加速用空洞では170kw～640kw
安定な運転を通じて、J-PARC全体の調整の進展に寄である。
与している。
空洞およびビームトランスポートは、運転中、強い放射線を発するため、地下の加速器トンネル内に設置されていて、地上のクライストロンギャラリーより電力などの供給を受けている。
SDTLの空洞は、全部で32空洞あり、うち2空洞がデバンチャーとして下流のビームトランスポートで使用されており、加速空洞としては、SDTL空洞は50MeVから181MeVまでの加速を担っている。SDTL空洞の大電力運転時のQ値については、参考文献 [1]によって報告されているが、低電力での測定値と異なっている。その後、一部のSDTL空洞を低電力で再測定したが、設置直後の低電力測定と比べて、大きな変化は見られなかった。そのため、今回、空洞の
図２：SDTL空洞模式図
立下り時定数の測定方法を変えて、再度、大電力でデバンチャーとして使用されている2空洞を除き、のQ値の測定を行った。
1台のクライストロンで2空洞が駆動されていて、そ１．はじめに

図１：J-PARCリニアックの構成

２．SDTL空洞SDTL空洞は、アルバレ型DTL空洞と同様の加速原理により加速する空洞で、収束電磁石を図2のように空洞の外部に出すことにより、ドリフトチューブの設計自由度が増し、アルバレ型空洞の加速効率を
1

れぞれにユニット番号 （S1～S15）がつけられている 。 な お 、 空 洞 番 号 S32 が 、 デ バ ン チ ャ ー 1 号 機(DB1)、S31がデバンチャー2号機(DB2)として使用されている。
クライストロン出力は、サーキュレーターを通じてデバイダーで分岐され、空洞からの反射はすべてデバイダーおよびサーキュレーターに接続されたダミーロードが吸収するようになっている。(図３)
パルスの立ち上がりは、500us幅のビームに対して十分なフラットトップを持つよう、LLRFによって制御されている。それに対し、立ち下りは、制御の必要がないことから、RF入力は十分短い時間で、ほぼステップ状に停止する。(図4)このときの、空洞のタンクレベルの立ち下り時定数を測定することにより、SDTL空洞のQ値を測定した。

E-mail: hirokazu.tanaka@kek.jp-479-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)

324MHzとVSWRメーターのVSWRを用いて、無負荷Q値(Q0)を計算した。結果を表1に示す。

４．測定結果の検討
表1の設置直後のQ0 の値は、参考文献 [3] にまとめられている値で、ネットワークアナライザーを利用した低電力試験で測定されたものである。大電力の値が今回測定した値で、それを図６にプロットした。

図３ RF供給模式図

表１：測定結果

0100200300

400500600

ユニット
番号S5A
S8B
S15A
DB2DB1700

図４ RF入力波形

３．測定
SDTL空洞に設置されている複数のRFピックアップからの信号が、加速器トンネルから同軸線によりクライストロンギャラリーまで導かれており、RFのフィードバックなどの制御に用いられている。参考
文献[1]で用いたRFの制御用の測定器での測定では、ノイズと見られる減衰の重畳があったため、データの使用範囲を限定せざるを得なかった。そのため、今回は、制御に使っていないRFピックアップの信号を、直接、リアルタイムスペクトラムアナライザー(Tektronix製RSA2208A型)で測定した。図５にそのデータを示す。

空洞番号
S9
S16S29S31S32

計算値

設置
直後

Q042210
41670
40740
40620
40570

Q041400
40500
40800
34580
37600

大電力(現在)設置
直後との比
Q042000 101%
44000 109%
46000 113%
37000 107%43000 114%

Q0
60000
50000
40000

設置直後
大電力(現在)

30000
20000
10000
00102030

空洞番号

図５ 測定データ(スペクトルアナライザーの画面)
図５の左上(A部)は、時間軸でのRFパルス全体のシグナル強度を示しており、下(B部)に、立下り部分であるA部の下部に緑色で示された区間での時間軸での強度が拡大して示されている。 このB部を読み取って使用した。
図５に示されたとおり、ノイズはあるものの、片対数グラフ上でほぼ直線状に落ちていることから、指数減衰をしていることがわかる。これを直線でフィットし、その係数から時定数を算出し、周波数

図６ 無負荷Q値
なお、測定誤差は、結合度の大きいデバンチャーを除き、主にVSWRメーターの電力測定器の精度に依存している。デバンチャーでは、負荷Q値(QL)の低下により、時定数が短くなるため、ノイズの影響が大きく、VSWRメーターの誤差と同程度ある。
図６をみると、測定誤差が大きいため、ややばらついているものの設置直後の低電力試験でのQ0と測定誤差の範囲内で一致していることが分かる。
VSWRの誤差が大きいことから、QLについて、図８に参考文献[1](2007)および参考文献[3](2006)の時と今回(2008)の値を示す。QLであるため、結合度の変更を受けた空洞については、前回の測定との比較はできない。今回について言えば、S31(DB2)空洞は、結合度を変更したため、大きくQLが変化している。
他の空洞については、結合度の測定誤差は大きいが、J-PARCのSDTL空洞では結合度半固定型の入力カプラーを使用しているため、入力カプラーの取り外し-480-

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)がなければ、結合度そのものはほぼ変化していない
６．結論ものと期待できる。
今回測定した空洞では、無負荷Q値は、変化を測
図８をみると、結合度を変更した空洞を除き、設定できなかった。誤差の小さい負荷Q値も、結合度置直後の小電力の測定とほぼ一致している。ただし、 を変更する作業を行っていない空洞では、変化はな
他の条件(空洞の共振周波数の調整の仕方など)の影かった。
響も調べなければ、断定はできない。
結合度の変更がないと仮定できる空洞について、結合度の変更ない空洞についてはQLの測定を続け
今回の負荷Q値の測定方法は、空洞特性の変化の傾向を見つけるのに有効と思われる。また、本測定はることにより、運転中の空洞特性の変化の傾向を調大掛かりな測定準備を必要とせず、運転中に測定で査することができるものと思われる。
きることも、利点である。
今後も、Q値の測定を継続していく予定である。
QL
25000

参考文献

20000
2008
2007
2006

15000
10000
5000
001020
空洞番号

図８ 負荷Q値

30[1] F. Naito, et al., “J-PARC用DTL及びSDTL空洞のRF特性測定”, proceedings of the 32nd Liner Accelerator Meeting
inJapan,
Wako,
Aug
1-3,
2007,
URL:
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj4_lam32/PASJ4LAM32%20(D)/contents/PDF/TP/TP04.pdf[2] T. Kato, "Proposal of a Separated-type Proton Drift
TubeLinac for a Medium-Energy Structure", KEK Report92-10(1992)[3] H. Tanaka, et al., “J-PARC リニアック用SDTL 空洞の設置後のRF 特性試験”, proceedings of the
31st Liner Accelerator Meeting in Japan, Sendai,
Aug.
2-4,
2006,
URL:http://www.pasj.jp/web_publish/pasj3_lam31/P
roceedings/W/WP38.pdf-481-