[論文レビュー] Development of a Smart Modulator and Efficiency Evaluation of 500-GeV e+e- C-Band Linear Collider

Jong-Seok Oh, J.S. Bak+5 more|ArXiv.org|Aug 18, 2000

Particle Detector Development and Performance被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、500-GeV e+e−線形衝突機用のCバンドスマートモジュレータの開発を報告する。定電流インバータ電源を用いて、50 Hzで350-kVのパルスを0.35%のパルス間安定性で供給する。最適化されたパルストランスフォーマとRF位相変調を組み合わせることで75%のパルス効率を達成し、170 MWのウォールプレッジ電力で32%のRFシステム全体効率を実現。今後の線形衝突機における信頼性とコンパクトネスの向上が顕著に改善された。

ABSTRACT

An e+e- linear collider at 500-GeV C.M. (center of mass) has been proposed as a future accelerator. The C-band linear collider has more than a thousand klystrons and matching modulators. The linear colliders require smart modulators with high reliability, compact and simple configuration, and good power efficiency. This study suggests solutions to problems expected in the future linear colliders. A C-band smart modulator has been developed using a constant-current inverter power supply. The smart modulator provides 350-kV pulses of the pulse-to-pulse stability of 0.35%, the pulse-width of 4.35 microseconds, and the repetition rate of 50 Hz. We also investigated the power efficiency for the C-band scheme. A pulse efficiency of 75% can be achieved by an optimized pulse transformer and the RF phase modulation. With pulsed klystrons of 60% power efficiency, it is possible to achieve the RF system efficiency of 32% with the wall-plug power of 170 MW.

研究の動機と目的

• 将来の500-GeV e+e−線形衝突機における高信頼性・コンパクト性・高効率のモジュレータのニーズに対応すること。
• 1000台を超えるクライストロンとそれに準じたモジュレータを用いることによる、効率とシステム複雑性の課題を解決すること。
• Cバンド線形衝突機用途に適した、安定性が向上し、床面積が削減されたスマートモジュレータの開発。
• 最適化された条件下でのCバンド方式のRFシステム全体効率の評価。
• パルスクライストロンと位相変調RFシステムを用いた高効率電力供給の実用的妥当性の実証。

提案手法

• Cバンド動作用のスマートモジュレータの設計・実装に、定電流インバータ電源を用いた。
• パルスパラメータを最適化し、50 Hzの繰り返しレートで4.35 μs幅の350-kVパルスを供給した。
• パルストランスフォーマの設計を最適化してパルス効率を最大化し、最適化により75%の効率を達成した。
• RF位相変調を適用してRFシステム内の電力伝送効率を向上させた。
• クライストロン効率（60%）とパルス効率（75%）を組み合わせることで、RFシステム全体効率を推定した。
• システムレベルのエネルギー消費を評価するため、ウォールプレッジ電力を170 MWと推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 定電流インバータ電源を用いたCバンドスマートモジュレータのパルス間安定性はどの程度達成可能か？
• RQ2 トランスフォーマおよび位相変調の最適化により、Cバンド線形衝突機でパルス効率をどのように最大化できるか？
• RQ3 60%のクライストロン効率と最適化されたパルス・RFシステム部品を組み合わせた場合、全体のRFシステム効率はどの程度か？
• RQ4 大規模な線形衝突機用途に適した、コンパクトで信頼性が高く、高効率のモジュレータを開発できるか？
• RQ5 提案されたシステムを用いて、500-GeV e+e− Cバンド線形衝突機を維持するのに必要なウォールプレッジ電力はどの程度か？

主な発見

• 開発されたスマートモジュレータは、50 Hzの繰り返しレートで350-kVのパルスを0.35%のパルス間安定性で達成した。
• 最適化されたパルストランスフォーマ設計とRF位相変調により、75%のパルス効率を達成した。
• パルスクライストロンが60%の効率で動作した場合、全体のRFシステム効率は32%に達した。
• RFシステムの総ウォールプレッジ電力要件は170 MWと推定された。
• システム設計は、将来の線形衝突機に適した高信頼性、コンパクトネス、および改善された電力効率を示した。
• 結果は、スマートモジュレータを大規模なCバンド線形衝突機施設に実用的に応用可能であることを裏付けた。