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 input power coupler for ERL main linac
Hiroshi Sakai1,A), Kenji ShinoeA), Atsushi IshiiA), Kensei UmemoriB), Shogo SakanakaB),
Takeshi TakahashiB), Takaaki FuruyaB), Masaru SawamuraC)
A)
Institute for Solid State Physics, University of Tokyo
5-1-5 Kashiwanoha Kashiwa-shi, Chiba, Japan, 277-8581
B)
KEK, Highi Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305-0801
C)
Japan Atomic Energy Agency (JAEA)
2-4 Shirane Shirakata, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken, 319-1195
Abstract
We are developing the 1.3GHz 9-cell superconducting cavities for realizing the ERL under the collaboration between
KEK, JAEA, ISSP, and other institutes. a power coupler is designed for the ERL main linac superconducting cavity.
Estimated input power is about 20kW for 20MV/m ERL operation. This coupler is based on the STF-BL input coupler,which adopts the TRISTAN type coaxial coupler, and some modifications are applied for the CW 20kW poweroperation. Now we are developing the high power coupler test stand to carry out the components test of the ceramic
windows and bellows by using a 30kW IOT. In this paper, we report the design strategy of the input power coupler for
ERL main linac and the recent status of the high power coupler test stand.

ERL主ライナックのための入力カプラーの開発現状
図1は20MV/m加速時の共振周波数からの周波数変動(∆f)に対する入力パワー(Pg)をQL毎に書いたグラ
次世代光源を目指すエネルギー回収型リニアック
フである。QLが高いほど周波数の変動(∆f)が小さい(ERL) の 開 発 が KEK,JAEA 及 び 東 大 物 性 研 が 中 心 と時は投入パワーは少なくてすむが、周波数の微小ななって進められている[1]。特にERL開発において、変化に投入パワーが敏感になる。この周波数変動の100mAの大電流ビームをエネルギー回収下、安定に幅はクライオモジュールの設計に大きく反映され、ビームの加減速を行う主加速器部の超伝導空洞(加出来るだけmicrophonicsを減らす工夫が必要である。
速勾配15-20MV/m)の開発は最重要課題である[2]。
海外のデータでは微小振動におよる周波数変動はク
このようなエネルギー回収下、空洞の無負荷Q値
ライオモジュール毎に異なり、r.m.sで0.6-7Hz、10(Q0)は2Kにて10 であり、投入パワーも20MV/m加速
peak 値 で 4-42Hz 程 度 と 言 わ れ て い る [2] 。
勾配下でもわずか空洞一台あたり40W程度で済むが、 Microphonicsの小さなクライオモジュールも超伝導実際の運転では外乱による影響(Microphonics)など空洞の重要な開発項目であるが、入力カプラーの設により空洞が機械的振動を受け、共振周波数にpeak
計方針としては安全を見て∆fで50Hzまでの振幅を許を保つことは難しい。従って、ERL運転下、入力カ容範囲とし、20MV/m運転時にQL=2×107,最大入力パプラーのカップリングを変化させ、負荷Ｑ値(QL)をワー20kWを基本仕様とした。またQLに関しては空洞小さくすることで共鳴幅を敢えて大きくさせ、機械やカプラーのpulse conditioningなどが行えるよう、的振動に堅牢なパワーの安定供給を実現する。
またエネルギー回収がない場合のビーム運転が出来るようにさらにQLを可変にし、より小さいQLを実現できることを基本方針とした。表１に基本仕様をまとめた。
1.3GHz周波数15-20MV/m
加速勾配
最大20kW
入力電力
5×106 ～ 2×107(可変)負荷Q値(Ql)
表１：主ライナック入力カプラーの基本仕様

１．はじめに

図 1: 各 QL 毎の共振周波数からの周波数変動(∆f)に対する入力パワー(Pg)の関係。
1

1.3GHzにてCWで20kWものパワーの供給を安定に行
うための入力カプラーは重要な開発要素の一つであり、本文では、この基本仕様を元に主加速器用の入力カプラーの具体的設計を述べる。また、現在構築中のカプラー用のテストスタンドの現状報告も行う。

E-mail: hrsakai@issp.u-tokyo.ac.jp-592-

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chokeが施され、セラミックの内外導体部分とのロウ付部分に直接電場が立たないようになるとともにセラミック窓からの反射を軽減している。HA997のεが10であり、また60Ωであるため、STF-BLからchoke部の長さや深さを変更し、結果として、反射(S11)を-23dB程度に抑えた設計を行った。

２．入力カプラーの設計
図２に主加速器用入力カプラーの概念図を示す。

図２：入力カプラーの概念図。
基本設計は1.3GHzにてパルス運転で1MW(パルス幅1.5ms,5Hz)までのhigh power試験の実績のあるILC用STF-BL空洞のinput couplerから始めた[3]。特に
図３:セラミック窓の電場分布の計算結果。
セラミック窓には500MHzで運転していたTRISTANやKEKBにて実績のあるトリスタンタイプの同軸型窓が採用されており、これを1.3GHz用に拡張されている点がERL空洞への採用を決めた理由の一つである。
但し、ILCとは異なりERLではCWの20kWのpower供給が必須であるため、熱負荷の影響が大きく、いくつかの設計の改良を行った。主な変更点として、同軸部のインピーダンスを50Ωから60Ωにし、内導体の電力損失の軽減を行った。また、セラミック窓の材質も誘電損失の少ない99.7%純度のアルミナセラミックス(HA997)を窓材に採用した。大気中から真空中にＲＦを導入するセラミック窓は空洞への粉塵混入を避けるため低温部(Cold窓)と高温部(Warm窓)
図４：カプラーの挿入位置 vs QL の計算結果。の２つを設け、特に製作の簡便性から２つを同一寸法とした。表２は20kWpower投入時のdynamic loss、負荷Ｑ値(QL)を5×106 ～2×107 まで可変とするため
表 ３ は 図 ２ に 示 す 温 度 定 点 を 設 け た 際 の staticlossの計算結果である。導体は熱侵入を減らすため、 に低温部の外導体にベローズを設け、内導体を可動1mmのSUSに5µmの銅鍍金を施した。ILCの場合と比べ、 に し た 。 図 ４ は 空 洞 に 対 す る 内 導 体 の 位 置(L_port1)とQL の関係を計算したものである。可動RF投入時のdynamic lossが圧倒的に大きく60Ωのイ範囲を空洞軸センターから50mm～60mm程度に設定すンピーダンスにしても外導体の発熱7.7Wに対し、内ることでQL を5×106 ～2×107 まで可変としているの導体の発熱で20.8Wなっている。さらにセラミックがわかる。従って我々の設計ではベローズの可動範窓の発熱も一枚あたり5.4Wと大きい。これらの冷却囲を±5mmに設定することとした。のために、低温側の内導体の熱負荷はcold窓80Kの温度定点をセラミック窓に設け、さらに低温側に5Kの温度定点を設けることで、2Kの超伝導空洞への熱侵入を軽減することにした。また、常温側は内軸内部にロッドを挿入し、強制空冷により冷却する。
内導体発熱20.8W(Total) (80Kで吸収)
外導体発熱
4.5W (80K)
3.2W (5K)
セラミック窓発熱
5.4W(一枚当たり)
表２：dynamic lossの計算 (20kW投入時)

Static loss

図５：内導体ベローズでの温度上昇計算結果。

300kÆ80K 80KÆ5K
5KÆ2K
4.7W
0.73W
0.36W
表３：Static lossの計算

図３はカプラー用に用いる同軸型セラミック窓の電場分布の計算結果である。内導体、外導体にはそれ以外にカプラーの可動を可能にするため、また低温に冷やしていくときに熱収縮を吸収するためにCold窓とwarm窓の間の内導体、外導体にもそれぞれベローズを設ける。特に内導体での発熱による温度上昇はベローズ部分で大きく、ロッドによる強制空冷が必須となる。図５は空冷後のベローズ部での温度上昇を計算したものであり、空冷なしでは130-593-

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度の温度上昇が60度までの温度上昇に抑えられているのがわかる。なお、このロッドにてカプラーの可動を行うことが可能である。

３．カプラーテストスタンド
入力カプラーの設計上、避けて通れないのが、セラミック窓やベローズの出来不出来である。これらコンポーネントのテストを行うべく現在、カプラー用のテストスタンドを製作中である。

８に示すように断熱槽を除くセラミック窓３連を導波管と繋ぎ、テストスタンドを構築した。ドアノブを含む3連セラミック窓のLow level測定では、ドアノブとwarm窓の距離を調整し、-23dBの反射を実現し、Simulation結果と比較しても特に大きな問題がなくhigh power試験に向けて良好な結果を得ている。

図８：カプラーテストスタンド全体。

図６：カプラーテストスタンド setup。
図６にテストスタンドのsetupを示す。1.3GHzの最大30kWのIOTを用いて、high power試験を行う[4]。
特にセラミック窓のテストがERL運転時に近い形で行えるよう中心にcold窓を据え、その両側をwarm窓で挟んだ３連のセラミック窓のスタンドとなってい
図９：セラミック窓３連 low level 測定結果。
る。high power時のテストとして重要となる発熱や温度上昇を見積もるため、cold窓は実際の状況と同４．まとめ
じく断熱槽内部におかれ、なおかつ液体窒素よる冷却を行い80Kの温度定点をcold窓に設けた。このスERL主ライナック用インプットカプラーの設計をタンドを用いることでwarm窓とcold窓のhigh power行った。STF-BL空洞に用いる同軸型窓のカプラーをテストを超高真空中で冷却テストを行えるような設採用した。1.3GHzの20kWのパワー投入時の発熱を軽計とした。温度上昇を見るため、外導体だけでなく、 減する設計を行うと共にQLを可変にする機構を設け内導体にも熱電対を設置し、特にベローズの温度上た。現在、30kW IOTを用いたテストスタンドの構築
昇をモニターできるように設計を行った。Warm窓のを行い、今年度にセラミック窓およびベローズの大気側からドアノブ変換器にて導波管に変換し、一high powerテストと80Kでの冷却テストを行う。こ方からパワーを投入し、他方は位相器と端板を設け、 の結果を元に実機カプラーの設計に反映する。
ERL運転時と同じく全反射状態での測定を行う。

５．謝辞
設計、製作にあたり、色々助言頂きましたKEKの加 古 永 治 氏 、 野 口 修 一 氏 、 Cornell 大 の Sergey
Belomestnykh氏に感謝いたします。

参考文献
図７：cold 窓（左写真）と warm 窓(右写真)。
図７に製作したcold窓とベローズ付のwarm窓を示す。ベローズの銅メッキのはがれやセラミック及びベローズは傷などなく、ロウ付けの状態も良好であった。これらをクラス６の環境下にてセラミック
窓は超純水洗浄、外導体は高圧超純粋洗浄を行い、テストスタンドを組み立て、leak checkを行い、図[1] S.Sakanaka, et.,al, EPAC’08, MOPC061 (2008)[2] M.Liepe,et.al, Nucl. Instr. Meth. A557, p354-369 (2006).
[3] 加古永治,他：「STFベースライン超伝導空洞用大電力高周波入力結合器」,第３回加速器学会プロシーディ
ング, p136-138 (2006).
[4] 沢村勝：「IOT高周波出力特性」,第３回加速器学会
プロシーディング, p832-834 (2006).

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