[論文レビュー] The Next Linear Collider Klystron Development Program*

E. Jongewaard, G. Caryotakis+4 more|ArXiv.org|Aug 19, 2000

Gyrotron and Vacuum Electronics Research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、次世代線形衝突型加速器（NLC）向けに高出力Xバンド・キリストロンの開発を記述しており、ソレノイド焦点化および周期的永久磁石（PPM）焦点化の設計に焦点を当てている。75 MWのPPMキリストロンは2.8 µsパルス長で75 MWを達成した。低コストで簡素化された75XP-3プロトタイプは、マルチビームキリストロンの概念を用いて、工業生産を可能にするとともにモジュレータコストを削減することを目的として開発中である。

ABSTRACT

Klystrons capable of 75 MW output power at 11.4 GHz have been under development at SLAC for the last decade. The work has been part of the program to realize all the components necessary for the construction of the Next Linear Collider (NLC). The effort has produced a family of solenoid-focused 50 MW klystrons, which are currently powering a 0.5 GeV test accelerator at SLAC and several test stands, where high power components are evaluated and fundamental research is performed studying rf breakdown and dark current production. Continuing development has resulted in a Periodic Permanent Magnet (PPM) focused 50 MW klystron, tested at SLAC and subsequently contracted for manufacture by industry in England and Japan. A 75 MW version of that PPM klystron was built at SLAC and reached 75 MW, with 2.8 microsecond pulses. Based on this design, a prototype 75 MW klystron, designed for low-cost manufacture, is currently under development at SLAC, and will eventually be procured from industry in modest quantities for advanced NLC tests. Beyond these developments, the design of Multiple Beam Klystrons (MBKs) is under study at SLAC. MBKs offer the possibility of considerably lower modulator costs by producing comparable power to the klystrons now available, at much lower voltages. * This work supported by the Department of Energy under contract DE-AC03-76SF00515

研究の動機と目的

• 次世代線形衝突型加速器（NLC）向けに高出力・高効率キリストロンを開発し、将来の高エネルギー物理学実験を可能にする。
• 高消費電力および複雑な磁気系を有するソレノイド焦点化キリストロンの限界を克服する。
• ソレノイドを排除するためのPPM焦点化キリストロンの設計と試験を実施し、1本あたり約20 kWの電力消費削減を実現する。
• Marconi（英国）およびToshiba（日本）ととの契約を通じてPPMキリストロンの工業生産を可能にし、低コストの75XP-3プロトタイプを開発する。
• マルチビームキリストロン（MBK）を活用し、キリストロンの動作電圧およびモジュレータコストをさらなる削減する道筋を模索する。

提案手法

• 4セルのトレーリングウェーブ出力構造、TE01出力ウィンドウ、および電圧ブレークダウンを低減するためのイオンポンプを備えたソレノイド焦点化XL-4キリストロンを開発した。
• サマリウムコバルト磁石を用いたPPM焦点化を採用したXL-PPMキリストロンを設計。テスト用ビームダイオードとTiN被膜を採用し、マルチパクターを抑制した。
• Nd-Fe-B磁石を用いた完全永久磁石構造を備えた75XP-1キリストロンを設計。ガンおよび出力のオシレーションを抑制するためのロスリングおよびRF負荷を統合した。
• 分離可能なクラムシェル磁石構造、高精度加工された電極、部品数の削減を実現した75XP-3キリストロンを設計。製造の簡素化と低コスト化を図った。
• 分割磁石構造における磁場の整合性および横方向電場制御を検証するため、ビームダイオードの試験とシミュレーションを実施した。
• Marconi、Toshiba、CPIと連携し、プロトタイプ管の製造を実施し、NLC規模の展開に向けた製造可能性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PPM焦点化が高出力Xバンドキリストロンにおいてソレノイド焦点化を代替可能か。電力消費削減および効率向上が図れるか。
• RQ2 ビーム安定性および高透過率を維持しつつ、PPM焦点化キリストロンで75 MW出力を達成するための設計変更は何か。
• RQ3 複雑な内部構造を持つ高出力PPMキリストロンにおいて、マルチパクターおよびRFオシレーションをどのように抑制できるか。
• RQ4 性能を維持しつつ工業生産が可能となる簡素化・低コストキリストロン設計（75XP-3）を実現できるか。
• RQ5 マルチビームキリストロンは、単一ビーム設計と比較して、動作電圧およびモジュレータコストをどの程度まで削減できるか。

主な発見

• ソレノイド焦点化キリストロンXL-4は1.5 µsパルス長で75 MW出力を達成し、NLCテスト加速器の駆動に使用された。
• XL-PPMビームダイオードは490 kV、2.8 µsパルス長で99.9％のビーム透過率を達成し、PPM焦点化の概念が有効であることを実証した。
• 75XP-1 PPMキリストロンは、1.4 GHzおよび20 GHzのオシレーションを抑制するためのロスリングおよびRF負荷を設置した後、2.8 µsパルス長で75 MWを超える出力を達成した。
• 75XP-3プロトタイプは分離可能なクラムシェル磁石構造、部品数の削減、高精度加工された電極を備え、製造の簡素化と信頼性向上を実現した。
• Marconi（英国）およびToshiba（日本）と連携し、50 MW XL-PPMキリストロンの工業生産が進行中であり、NLC大規模展開への道筋が検証された。
• シミュレーションおよび試作構造の結果、分割磁石構造は正確な磁場制御を可能とし、複数のキリストロン間で磁石部品の再利用が可能であることが確認された。