Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 WEP057

クライオ光陰極高周波電子銃用高周波空洞のための電磁界シミュレーション
SIMULATION OF ELECTROMAGINETIC FIELD FOR 20K COOLEDPHOTOCATHODE RF GUN
中尾圭佐#, A), 田中俊成 A), 境武志 A), 野上杏子 A), 稲垣学 A), 高塚健人 B), 長島涼子 B), 早川建 A), 早川恭史 A),
高富俊和 C), 福田将史 C), 吉田光宏 C), 照沼信浩 C)
Keisuke Nakao #, A), Toshinari TanakaA), Takeshi SakaiB), Kyoko Nogami A), Kento Takatsuka B), Ryoko Nagashima B),
Ken Hayakawa A), Yasushi Hayakawa A), Toshikazu Takatomi C), Masahumi Fukuda C), Mitsuhiro Yoshida C),
Nobuhiro Terunuma C)
A)
LEBRA, Nihon UniversityB)
Institute of Quantum Science, Nihon UniversityC)
KEKAbstract
The 20K cooled C-band 2.6-cell photo-cathode rf gun has been under development in LEBRA since 2013. There is anexperimental suggestion that a high Q factor at -197 °C degrades as a result of high peak RF magnetic field caused byhigh power operation. In order to improve the rf property of the cavity and to investigate if the peak magnetic field canbe suppressed by choosing appropriate dimensions of the cavity, simulations of the cavity have been carried out for avariety of combinations of the cavity dimensions using an electromagnetic field simulation code SUPERFISH. From theresult of the calcutations, the cavity dimensions have been optimized for the mode separation and the shunt impedance.
However, the maximum magnetic field on the cavity surface has not shown a significant change for the cavity structuteemployed in the calculation.

1.

はじめにル高周波空洞の外形図を Figure 1 に示す。2.6 セルの空洞の後に、長さ約 30mm の円筒導波管を接続している。
パラメータとして、Figure 1 に示すように、高周波空洞のディスクの穴の半径を a、各空洞のシリンダの半径を b1、b2、b3、ディスクの穴に付けた曲面の半径を Ra、シリンダ部とディスクの接合部に付けた曲面の半径を Rb とする。円筒導波管の半径は、b3とし、ディスクの穴には平坦部を作っていないため、ディスクの厚さは 2Ra に一致する。a を 7mm から10mm まで 0.5mm 間隔で、Ra を 1.8mm から 2.4mm まで 0.2mm 間隔で、Rb を 7mm から 10mm まで 1mm 間隔で設定し空洞のπモード共振周波数が 5712MHz になるよう、後述する方法で b1 から b3 を調整し、112パターンの空洞を計算した。これらの空洞の Q 値、

日本大学電子線利用研究施設(LEBRA)では、2013年度より絶対温度 20K で動作する、クライオ光陰極高周波電子銃の開発を進めている。2013 年度に高純度 6N8 銅材を用いて C バンド 2.6 セルピルボックス型試験空洞を作成し、常温及び低温（21K）における低電力 RF 特性の測定を行った。その結果、設計に用いた電磁界シミュレーションコードSUPERFISH で計算した結果と良く一致することが確かめられた。
また 2014 年度には、大電力試験を見据えた RF 入力カプラ付き低電力試験用空洞を作成した。この空洞の常温における低電力試験では、共振周波数が計算値と比して 600kHz 程度低くなったものの、結合係数および Q 値は概ね一致した。
しかし無酸素銅で製作されたピルボックス型空洞の、液体窒素温度における大電力試験で、ピーク磁場強度がおよそ 1000 ガウスより大きくなると、急激に Q 値が下がることが報告されている[1]。この原因として、マルチパクタの可能性が指摘されているが、Figure 1: Variables of 2.6 cell C-band rf cavity in the
空洞の表面電流による発熱で銅の温度が上昇するこSUPERFISH calculation.とで、局所的に銅の抵抗値が上昇することも原因と磁界の最大値をSFO ファイルから取得し、また円筒して考えられる。そこで実機に向けた設計の方針の導波管を除いた範囲の電場を積分しシャントイン
1 つとして、空洞の形状によって空洞表面の磁場のピーダンスをそれぞれ計算した。さらに近接モード強さを低くすることが可能かを検討した。との分離を確認するために、同じ寸法でのπ/2 モードの共振周波数を求めた。計算に用いるメッシュサ
2. 2.6 セル高周波空洞
イズは 0.1mm 以下とした。
今回のシミュレーションに用いた、C バンド 2.6 セ___________________________________________# nakao@lebra.nihon-u.ac.jp- 596 -

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Figure 2: Maximum magnetic field vs. disk iris radius afor different Rb values.

Figure 4: Q factor vs. disk iris radius a for different Rbvalues.

Figure 3: Maximum magnetic Field vs. Rb for different
Ra values.

Figure 5: Q factor vs. Rb for different Ra values.

2.6 セル空洞のサイズを決定する手順は以下の通りである。まず、メッシュサイズが 0.3mm 程度の 0.6
本研究では、シミュレーションの数が膨大になる セルの空洞を作成し、バイナリサーチアルゴリズムことが考えられたため、当初よりシミュレーション を 用 い て b1 を 変 化 さ せ 、 共 振 周 波 数 が 5712±の自動化を行った。SUPERFISH を使って計算を行 0.0003MHz になる b1 を見つける。その b1 を初期値にうためには、AF ファイルに空洞の寸法および境界 して、メッシュサイズが 0.1mm 以下の 0.6 セル空洞条件等を入力し、それをコマンドライン引数として を作成し、バイナリサーチで b1 を決定する。同様に、AUTOFISH.EXE を実行する。よって AF ファイルの 1.0 セル、1.6 セル、2.6 セル+円筒導波管にこの方法
自動生成、AUTOFISH.EXE の起動、SFO ファイルか を適用することで、b1 から b3 を決定することができ
ら計算結果の取得ができれば、自動化は可能である。 る。
そこで、プログラミング言語 Python を用いて、a、シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 使 用 し た PC は 、 64bit
Ra 、 Rb を 指 定 す る と π モ ー ド の 共 振 周 波 数 が Microsoft Windows8.1 が動作する RAM を 32GByte 搭
5712MHz になるように b1 から b3 までの値を探すプ 載した、クロックが 4GHz の 4 コア 8 スレッドの Intelログラムを作成した。AF ファイルの生成は、Python Core i7 である。また、SUPERFISH は現在の PC の性の標準ライブラリに含まれている、string.Template 能からみるとあまりメモリを使用しないが、ディスクラスを用いてあらかじめ作成しておいたテンプ クアクセスが多いため、アクセス速度の速い SSD を
レ ー ト に 値 を 挿 入 す る こ と で 生 成 し 、 用いた。
AUTOFISH.EXE の実行には、subprocess.call 関数をこの環境を用いると、1 つの 2.6 セル加速空洞の寸用いた。
法を決定するのにおよそ 1 時間かかった。
AUTOFISH.EXE 実行時、メッシュの作成に失敗することもあり、いくつか手作業での調整が必要だった

3.

シミュレーションの自動化と計算環境- 597 -

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Figure 6: π/2 mode resonant frequency vs. disk iris
radius a for different Rb values with πmode frequency
fixed to 5712 MHz.

Figure 8: Shunt impedance vs. disk iris radius a fordifferent Rb values.

Figure 7: π/2 mode resonant frequency vs. Rb fordifferent Ra values.

Figure 9: Shunt impedance vs. Rb for different Ra
Figure 7: π/2 mode resonant frequency vs. Rb forvalues.
different R values.

ものの、すべての組み合わせを計算するのに要した時間は、半日から１日程度であった。

ほとんどない。
シャントインピーダンスは、ディスクの穴径に強く依存しており、穴径が小さいほど大きくなる。Ra を小さくするとシャントインピーダンスが上がるが、その変化は 3%程度である。また、Rb の寄与は 1%程度であるが、Rb=8mm で最大値をとっている。

4.

結果

a

シミュレーション結果を Figure 2 から Figure 9 に示す。空洞表面の磁界の最大値は、Rb が大きくなるほど大きくなっているが、5%程度しか変化していない。
結論
また、Ra が小さくなると磁界の最大値は小さくなる 5.
が変化量は 4%程度と小さい。空洞表面の磁界が最Ra を小さくする、すなわちディスクを薄くすると、大になる場所は、Figure 1 の 1 セル目の左端の銅板表 空洞内の空間の体積が増加することで、π/2 モード面で、空洞中心軸から 16.8mm 付近の位置であった。 の共振周波数が下がり、Q が大きくなるため RF 加ディスクの穴径が大きくなるにしたがって、Q 値 速空洞を製作するうえで有利である。また、ディスが大きくなる。また、Ra が小さくなると Q 値が上が クの穴径 a を大きくすると、Q が大きくなるが、る。Q 値に対する Rb の寄与は小さいが、Rb=9mm で シャントインピーダンスが下がる。一方、今回の計最大値をとっている。
算に採用した構造とパラメータの範囲では Rb を変化
隣接モードであるπ/2 モードの共振周波数は、a が させても空洞表面の磁界の強さ、Q 値、隣接モード大きくなるにつれて 5712MHz からの分離が良くなる。 との分離、シャントインピーダンスに、数%程度のまた Ra が小さくなると分離が良くなり、Rb の寄与は 変化しか見られなかった。

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これらの結果から、π/2 モードの共振周波数の差を 40MHz 以上にとり、シャントインピーダンスの低下を避けることを優先すると、a=8mm、Ra =1.8mm、Rb =8mm がほぼ最適なパラメータと考えられる。今後、この空洞のサイズをもとに 3 次元での電磁場シミュレーションおよびビーム加速シミュレーションを行う予定である。

謝辞
本研究は、文部科学省「光・量子融合連携研究開発プログラム」の「小型加速器による小型高輝度 X 線源とイメージング基盤技術開発」の支援を受けて行われた。

参考文献[1] A. H. EcEuen, et al., “HIGH POWER OPERATION OF
ACCELERATORSTRUCTURESAT
LIQUIDNITROGEN TEMPERATURE”, IEEE Transaction on
Nuclear Science, Vol. NS-32, No.5, October 1985, pp.29722974.

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