[論文レビュー] The RF source of the 60-MeV Linac for the KEK/JAERI Joint Project

Satoshi Fukuda, A. Anami+7 more|ArXiv.org|Aug 12, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、KEK/JAERIの60-MeVプロトン線形加速器用RFソースの設計、開発、および試験を提示している。5基の3-MW UHFクライストロンを324 MHzで、50 ppsの繰り返しレートで700-μsパルスで動作させ、3 MW出力までの成功した試験とDTLホットモデル構造の検証を報告している。また、クライストロンの集束板からの電子の逆方向入射に起因する発振現象を同定し、その解析も行った。

ABSTRACT

The construction of the 60-MeV proton linac has started as a low-energy front of the KEK/JAERI Joint Project for a high-intensity proton accelerator facility at KEK. The accelerating frequency is 324 MHz. Five UHF klystrons are used as an rf source; their ratings have a maximum power of 3 MW, a beam pulse width of a 700 micro-sec (an rf pulse width is 650 micro-sec) and a repetition rate of 50 pps. We have manufactured a proto-type rf source (a power-supply system with a modulating-anode pulse modulator and prototype klystrons). In this paper, the specifications and developments of the rf source, including the WR-2300 waveguide system, are summarized. During the manufacturing process, strong oscillations due to back-going electrons from the collector were observed. This phenomenon was analyzed both experimentally and theoretically. We have tested up to an output power of nearly 3 MW, and succeeded to test the DTL hot-model structure.

研究の動機と目的

• KEK/JAERI共同の高強度プロトン線形加速器計画の一環として、60-MeVプロトン線形加速器用の高出力RFソースを開発すること。
• 324 MHzで安定して動作するための、電源、モジュレーティングアノードパルスモジュレータ、およびクライストロンを含むRFソースプロトタイプシステムの設計および製作を行うこと。
• 高出力運転中にクライストロンの集束板からの電子の逆方向入射に起因する強い発振問題を特定し、その原因を分析すること。
• 3 MW出力までの試験およびDTLホットモデル構造との統合を通じて、RFソースの性能を検証すること。
• WR-2300波導系を用いて、線形加速器の加速構造に対して安定的かつ効率的なRF電力供給を実現すること。

提案手法

• 3 MWピーク出力のUHFクライストロンを5基選定し、324 MHzで動作させ、650-μsのRFパルス幅と50 ppsの繰り返しレートを実現した。
• クライストロンのビーム電流を制御し、正確なRFパルス生成を可能にするために、プロトタイプ電源システムおよびモジュレーティングアノードパルスモジュレータを開発した。
• クライストロンから加速器構造への高RF電力の効率的輸送を実現するために、WR-2300波導系を設計・実装した。
• 実験的試験を通じて、RF出力性能（出力レベル、安定性、パルス忠実度）を3 MWまで評価した。
• 逆方向電子入射に起因する発振を、実験的および理論的両面から分析し、その発生原因を解明し、システム安定性への影響を低減する対策を講じた。
• DTLホットモデル構造をフルRF励振条件下で試験し、RFソースシステムの性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 60-MeVプロトン線形加速器を324 MHzで動作させるために、信頼性が高く出力の大きなRFソースをどのように設計できるか？
• RQ2 特に電子の逆方向入射に起因する高出力UHFクライストロンにおける主な不安定要因は何か？
• RQ3 繰り返しパルスにおいて、劣化や発振を伴わず、安定した3 MW出力をどの程度維持できるか？
• RQ4 WR-2300波導系は、大きな損失や反射を伴わず、高RF電力を効率的に伝送できるか？
• RQ5 RFソースは、フル運用条件下でDTLホットモデル構造を効果的に駆動し、性能を検証できるか？

主な発見

• プロトタイプRFソースは、ほぼ3 MWの出力まで安定して供給でき、60-MeV線形加速器への応用可能性を実証した。
• 集束板からの電子の逆方向入射に起因する強い発振が、実験的に観測され、解析的にモデル化された。その結果、深刻な不安定性メカニズムが特定された。
• 理論的および実験的分析により、電子の逆方向入射が観測された発振の主な原因であることが確認され、対策の導入が不可欠であることが示された。
• DTLホットモデル構造はフルRF励振条件下で正常に試験に合格し、RFソースシステムの性能と安定性が検証された。
• WR-2300波導系は、最小限の損失で高RF電力を効率的に伝送でき、システムの設計仕様を満たした。
• モジュレーティングアノードパルスモジュレータおよび電源システムは、50 ppsの繰り返しレートと650-μsパルス幅で、安定的かつ再現性のあるRFパルス生成を実現した。