[논문 리뷰] Compact Low-Voltage, High-Power, Multi-beam Klystron for ILC: Initial Test Results

Vladimir E. Teryaev, Sergey V. Shchelkunov외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 20.

Gyrotron and Vacuum Electronics Research참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 국제 선형 충돌기(ILC)를 위한 목적으로 설계된 소형, 저전압(60 kV), 6개의 빔레트를 갖춘 다중 빔 클리스트론의 初기 테스트 결과를 제시한다. 1.3 GHz에서 동작하는 이 클리스트론은 60 Hz에서 10–15 μs의 RF 펄스를 사용하여 최대 2.86 MW의 출력 전력을 기록했으며, 효율은 59%이며 이득은 56 dB를 기록하였다. 저전압 동작 덕분에 가속기 통합이 단순화되는 바, 고출력·고효율 RF 발생의 가능성은 입증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 국제 선형 충돌기(ILC)에 적합한 소형·저전압(60 kV) 다중 빔 클리스트론(MBK)을 개발하여 가속기 시스템의 복잡성을 감소시키는 것.
• 6개의 빔레트를 갖춘 클리스트론 설계가 저전압에서 고출력(최대 10 MW)을 달성할 수 있음을 입증하여, 고전압 오일 탱크가 필요 없고 복잡한 모듈레이터가 생략되는 것을 확인하는 것.
• 실제 1.3 GHz 튜브의 1/4 스케일 프로토타입에서 정격 퍼베이넌스, 이득, 전력 효율성과 같은 핵심 성능 지표를 검증하는 것.
• 조절 가능한 코ils를 통한 자기장 제어 최적화로 빔 간섭을 최소화하고 효율성 및 이득 안정성을 극대화하는 것.

제안 방법

• 1.3 GHz 다중 빔 클리스트론의 6개 빔레트, 6개의 공진기(입력, 이득, 제2차 harmonics, 전단-#1, 전단-#2, 출력)를 갖춘 54인치 높이의 RF 구조를 포함한 1/4 스케일 프로토타입을 제작하였다.
• 각각의 빔 경로를 제어하고 횡방향 필드 편이를 최소화하기 위해 독립적으로 조절 가능한 4개의 코ils(총전원 코일, 렌즈-#1, 렌즈-#2, 메인 코일)를 사용하여 자기 집중을 구현하였다.
• 60 Hz 반복 주기의 짧은 펄스(10–15 μs)를 사용하여 RF 성능을 테스트하였으며, 출력 전력을 일치된 부하에서 열량 측정법으로 측정하고, 빔 간섭은 클리스트론 본체에서의 열량 측정을 통해 정량화하였다.
• 입력 드라이브 전력과 RF 주파수를 다양하게 조절하면서 이득과 효율을 측정하였으며, 빔 간섭을 최소화하고 성능을 최적화하기 위해 코일 설정을 체계적으로 조정하였다.
• 벨저 응답(출력 전력 대 RF 주파수)과 전이 곡선(출력 전력 대 입력 전력)을 그려 최적의 코일 설정을 식별하였다.
• 제작 이전에 Cavity 탈조 및 빔 다이내믹스 최적화를 위해 MAGIC, MERMAID, DGUN 등의 이론적 설계 도구를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저전압(60 kV) 다중 빔 클리스트론이 1/4 스케일 프로토타입에서 고출력(≥2.86 MW)과 고효율(≥59%)을 달성할 수 있는가?
• RQ2 저전압에서 다수의 빔레트를 사용할 경우, 설계 예측대로 고전압 오일 탱크와 복잡한 모듈레이터가 필요 없어지는가?
• RQ3 최적화된 자기장 코일 설정을 통해 빔 간섭을 최소화할 수 있으며, 이는 효율성 및 이득 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 클리스트론은 1.6 ms 펄스, 10 Hz 주기의 전-duty 동작을 유지할 수 있는가, 아니면 초기 테스트에서 운영 제한 사항이 관찰되는가?
• RQ5 측정된 퍼베이넌스(5.5 × 10⁻⁶ A/V³/²)가 설계 목표값(4.9 × 10⁻⁶ A/V³/²)과 얼마나 다를지, 그리고 빔 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 60 kV에서 15 μs의 RF 펄스를 60 Hz 주기로 사용하여 클리스트론은 최대 2.86 MW의 출력 전력을 기록했으며, 효율은 59%이며 이득은 56 dB를 기록하였다. 이는 초기 목표인 2.5 MW를 초과한 결과이다.
• 측정된 퍼베이넌스(5.5 × 10⁻⁶ A/V³/²)는 설계 목표값(4.9 × 10⁻⁶ A/V³/²)을 초과했지만, 이 격리의 원인은 아직 밝혀지지 않았다.
• '최적화 1' 코일 설정을 통해 빔 간섭은 빔 전력의 6.5%로 감소하여 효과적인 자기 집중과 최소한의 에너지 손실을 입증하였다.
• 전이 곡선은 2–2.5 W의 입력 전력에서 부드러운 반응을 보였으며, 입력 전력 ≥5 W일 경우 출력 전력이 2.5 MW를 초과하여 강력한 증폭 능력을 보였다.
• 초기 3일간의 컨디셔닝 캠프인(140 μs 펄스, 60 Hz) 동안 전체 동작 주기의 53%까지 도달했으며, 고장 없이 작동했고, 1.6 ms 펄스, 10 Hz 주기의 전-duty 동작을 위한 운영 신호는 관찰되지 않았다.
• 이론적 외삽 결과, 향후 빔 간섭을 거의 제로로 줄이고 효율이 65%에 도달할 경우, 전체 스케일 튜브는 최대 11.5 MW의 출력을 제공할 수 있을 것으로 예측된다.