[論文レビュー] Compact Low-Voltage, High-Power, Multi-beam Klystron for ILC: Initial Test Results

Vladimir E. Teryaev, Sergey V. Shchelkunov+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2015

Gyrotron and Vacuum Electronics Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、国際線形衝突型加速器（ILC）向けに開発されたコンパクトで低電圧（60 kV）、6ビームレット、マルチビーム・キリストロンの初期試験結果を提示する。1.3 GHzで動作するキリストロンは、60 Hzの10–15 μsのRFパルスを用いて最大2.86 MWの出力電力を達成し、効率59%、利得56 dBを実現した。低電圧動作による簡素化された加速器統合が可能であることが実証された。

ABSTRACT

Initial test results of an L-band multi-beam klystron with parameters relevant for ILC are presented. The chief distinction of this tube from MBKs already developed for ILC is its low operating voltage of 60 kV, a virtue that implies considerable technological simplifications in the accelerator complex. To demonstrate the concept underlying the tubes design, a six-beamlet quadrant (a 54 inch high one-quarter portion of the full 1.3 GHz tube) was built and recently underwent initial tests, with main goals of demonstrating rated gun perveance, rated gain, and at least one-quarter of the full 10-MW rated power. Our initial three-day conditioning campaign without RF drive (140 microsec pulses @ 60 Hz) was stopped at 53% of full rated duty because of time-limits at the test-site; no signs appeared that would seem to prevent achieving full duty operation (i.e., 1.6 msec pulses @ 10 Hz). The subsequent tests with 10-15 microsec RF pulses confirmed the rated gain, produced output powers of up to 2.86 MW at 60 kV with high efficiency and 56 dB gain, and showed acceptable beam interception. These results suggest that a full version of the tube should be able to produce up to 11.5 MW. Follow-on tests are planned for later in 2015.

研究の動機と目的

• 国際線形衝突型加速器（ILC）向けに、加速器システムの複雑さを低減できる、コンパクトで低電圧（60 kV）のマルチビームキリストロン（MBK）の開発を目的とする。
• 6ビームレット構造のキリストロンが低電圧で高出力（最大10 MW）を発生できることを実証し、高電圧油タンクの不要化と複雑なモジュレータの簡素化を実現することを目的とする。
• 全1.3 GHz管の1/4スケールプロトタイプを用いて、定格パーベンス、利得、出力効率といった主要性能指標を検証することを目的とする。
• 調整可能なコイルを用いた磁界制御の最適化により、ビーム干渉を最小限に抑え、効率および利得安定性を最大化することを目的とする。

提案手法

• 全1.3 GHzマルチビームキリストロンの6ビームレット、1/4スケールプロトタイプを製作した。RF構造は高さ54インチで、6本のビームチューブと6つのキャビティ（入力、利得、2次高調波、最終から2番目-#1、最終から2番目-#2、出力）を備える。
• ビーム軌道の制御と横方向磁界のずれの最小化を目的に、4つの独立調整可能なコイル（ガンコイル、レンズ-#1、レンズ-#2、メインコイル）を用いて磁界焦点化を実現した。
• 短パルス（10–15 μs）を60 Hzの繰り返しレートで使用し、RF特性を評価した。出力電力をマッチドロードでのカルシオメトリ測定により測定し、ビーム干渉はキリストロン本体でのカルシオメトリ測定により定量化した。
• 入力駆動電力およびRF周波数を変化させ、利得および効率を測定した。コイル設定を系統的に変更することで、性能最適化とビーム干渉の低減を図った。
• ベルジャー応答（出力電力対RF周波数）およびトランスファーカーブ（出力電力対入力電力）をマッピングし、最適なコイル設定を同定した。
• 製造前のキャビティのデチューニングおよびビームダイナミクスの最適化のため、MAGIC、MERMAID、DGUNなどの理論的設計ツールを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低電圧（60 kV）マルチビームキリストロンは、スケールダウンされたプロトタイプで、高出力（≥2.86 MW）および高効率（≥59%）を達成できるか？
• RQ2 低電圧での複数ビームレットの使用が、設計通りに高電圧油タンクおよび複雑なモジュレータの不要化を実現するか？
• RQ3 最適化された磁界コイル設定により、ビーム干渉を最小限に抑えられ、その結果として効率および利得安定性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 キリストロンは、フルデューティ（1.6 msパルス、10 Hz）動作を継続可能か、初期試験で制限要因が観察されたか？
• RQ5 測定されたパーベンス（5.5 × 10⁻⁶ A/V³/²）は、設計目標値（4.9 × 10⁻⁶ A/V³/²）からどの程度ずれているか、またビーム安定性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 60 kVで15 μsのRFパルス（60 Hz）を用いて、最大出力電力2.86 MW、効率59%、利得56 dBを達成。当初の2.5 MW目標を上回った。
• 測定されたパーベンス（5.5 × 10⁻⁶ A/V³/²）は、設計目標値（4.9 × 10⁻⁶ A/V³/²）を上回っており、その原因は未解明のままである。
• 「最適化1」コイル設定を用いることで、ビーム干渉はビーム電力の6.5%まで低減され、効果的な磁界焦点化と最小限のエネルギー損失が確認された。
• トランスファーカーブは、入力電力2–2.5 Wで滑らかに応答を示し、入力電力が5 W以上では出力電力が2.5 MWを超えた。強力な増幅能力が裏付けられた。
• 初期の3日間のコンディショニングキャンペーン（140 μsパルス、60 Hz）では、フルデューティサイクルの53%まで到達し、故障は発生しなかった。フルデューティ（1.6 msパルス、10 Hz）動作を妨げる要因も観察されなかった。
• 理論的外挿により、全スケールの管では、ビーム干渉をほぼゼロに抑え、効率が65%に達すると仮定した場合、最大11.5 MWの出力が得られると示唆された。