[논문 리뷰] The RF source of the 60-MeV Linac for the KEK/JAERI Joint Project

Satoshi Fukuda, A. Anami외 7명|ArXiv.org|2000. 08. 12.

Particle accelerators and beam dynamics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 KEK/JAERI의 60-MeV 프로톤 라인악에서 사용되는 RF 소스의 설계, 개발 및 시험을 제시한다. 324 MHz에서 50 pps의 반복률로 700-μs 펄스를 발생시키는 5개의 3-MW UHF 클리스트론을 사용하며, 전원 공급 장치, 모듈레이터, WR-2300 웨이브가이드 시스템을 상세히 기술한다. 또한 3 MW 출력까지의 성공적인 시험과 DTL 핫모델 구조의 검증을 보고하며, 클리스트론의 수집기에서 발생하는 전자 역방향 비탄성 충돌에 의해 유도된 진동 현상도 규명하고 분석한다.

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.

연구 동기 및 목표

• KEK/JAERI 연합 고강도 프로톤 가속기 사업의 일환으로 60-MeV 프로톤 라인악을 위한 고출력 RF 소스를 개발하기 위해.
• 324 MHz에서 안정적으로 작동할 수 있도록 전원 공급 장치, 조절 애노드 펄스 모듈레이터, 클리스트론을 포함한 프로토타입 RF 소스 시스템을 설계 및 구축하기 위해.
• 고출력 작동 중 클리스트론 수집기에서 발생하는 전자 역방향 비탄성 충돌로 인한 강한 진동 문제를 해결하고 분석하기 위해.
• 3 MW 출력까지의 시험과 DTL 핫모델 구조와의 통합을 통해 RF 소스 성능을 검증하기 위해.
• WR-2300 웨이브가이드 시스템을 활용해 라인악의 가속 구조에 안정적이고 효율적인 RF 전력 공급을 보장하기 위해.

제안 방법

• 3 MW 피크 출력 전력으로 설계된 5개의 UHF 클리스트론을 주요 RF 소스로 선정하였으며, 324 MHz에서 650-μs RF 펄스 폭과 50 pps 반복률로 작동한다.
• 클리스트론의 전류를 제어하고 정밀한 RF 펄스 생성을 가능하게 하기 위해 프로토타입 전원 공급 장치 및 조절 애노드 펄스 모듈레이터를 개발하였다.
• 클리스트론에서 가속기 구조로 고출력 RF 전력을 효율적으로 전송하기 위해 WR-2300 웨이브가이드 시스템을 설계 및 구현하였다.
• 3 MW까지의 출력 성능 평가를 위해 실험적 시험을 실시하였으며, 전력 수준, 안정성, 펄스 충실도를 점검하였다.
• 역방향 전자에 의한 진동 현상을 실험적·이론적 방법으로 분석하여 기원을 이해하고 시스템 안정성에 미치는 영향을 완화하기 위한 조치를 취하였다.
• DTL 핫모델 구조를 최대 RF 자극 조건에서 테스트하여 RF 소스 시스템의 성능과 안정성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 60-MeV 프로톤 라인악을 324 MHz에서 안정적으로 운영하기 위해 고출력 RF 소스를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 특히 전자 역방향 비탄성 충돌에 의해 유도되는 고출력 UHF 클리스트론에서의 주요 불안정성 원인은 무엇인가?
• RQ3 반복 펄스 조건에서 3 MW 출력을 안정적으로 유지할 수 있는 정도는 어느 정도이며, 열화 또는 진동 없이 작동할 수 있는가?
• RQ4 WR-2300 웨이브가이드 시스템은 고출력 RF 전력을 손실이나 반사 없이 효과적으로 전송하는 데 얼마나 잘 기능하는가?
• RQ5 RF 소스는 전면 운영 조건에서 DTL 핫모델 구조를 성공적으로 구동하고 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토타입 RF 소스는 거의 3 MW에 이르는 출력 전력을 성공적으로 제공하여 60-MeV 라인악에 대한 설계의 실현 가능성을 입증하였다.
• 역방향 전자에 의한 강한 진동 현상이 실험적으로 관측되었으며, 이론적 모델링을 통해 치명적인 불안정성 메커니즘이 드러났다.
• 이론적 및 실험적 분석을 통해 전자 역방향 비탄성 충돌이 관측된 진동의 주요 원인임을 확인하였으며, 이에 대한 완화 전략이 필요하다는 것이 입증되었다.
• DTL 핫모델 구조는 최대 RF 자극 조건에서 성공적으로 테스트되어 RF 소스 시스템의 성능과 안정성이 검증되었다.
• WR-2300 웨이브가이드 시스템은 최소한의 손실로 고출력 RF 전력을 효과적으로 전송하여 시스템의 예상 운영 파rameter를 충족시켰다.
• 조절 애노드 펄스 모듈레이터 및 전원 공급 장치 시스템은 50 pps 반복률과 650-μs 펄스 폭에서 안정적이고 반복 가능한 RF 펄스 생성을 제공하였다.