[論文レビュー] High Power Testing Results of the X-Band Mixed-Mode RF Windows for Linear Colliders

S. Tokumoto, Chin, Y. H.+17 more|ArXiv.org|Aug 19, 2000

Superconducting Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、線形衝突加速器におけるセラミック-金属界面での電界ストレスを低減することを目的としたXバンド混合モードRFウインドウの高出力試験結果を提示する。TE11およびTM11/TE12モードを組み合わせることで表面電界を抑制し、1.5 µsパルスで最大80 MWの安定伝送を達成した。これは、将来の衝突加速器における高出力RFウインドウの信頼性向上に向けた重要な前進を示している。

ABSTRACT

In this paper, we summarize the high power testing results of the X-band mixed-mode RF windows at KEK and SLAC for linear colliders. The main feature of these windows is that the combination of modes on the surface of the ceramic significantly decreases the electric and magnetic fields in the junction between the ceramic and the metal. So far two types of high power windows (with the diameter of 53 mm and 64 mm) have been fabricated. A high power model of the smaller type window was fabricated and tested in a resonant ring at KEK. A maximum circulating power of 81 MW with 300 ns duration or 66 MW with 700 ns duration was achieved. Light emission was observed for a power level of over 10 MW. Later, both windows were shipped to SLAC for even higher power testing using combined power from two klystrons. The first window (53 mm diameter) achieved a transmitted power of 80 MW with 1.5 microsec duration at 30 Hz repetition. It was not destroyed during the testing. The testing of the second window was carried out next to the small type and achieved 62 MW with 1.5 maicrosec duration with 10 Hz repetition. The final results of both windows are presented in this report.

研究の動機と目的

• Xバンド線形衝突加速器における75–100 MWパルスを扱える高出力RFウインドウの開発を目的とする。
• RFウインドウの故障の主な原因であるセラミック-金属はんだ接合部における電界集中を低減することを目的とする。
• 混合モード動作（TE11 + TM11/TE12）が表面電界を低減し、電気的破壊を防止することの有効性を検証することを目的とする。
• KEKおよびSLACでの現実的な高出力・長パルス条件下でのウインドウ性能を試験することを目的とする。
• 将来のXバンド線形衝突加速器プロジェクトに向けた信頼性の高いRFウインドウ設計を確立することを目的とする。

提案手法

• セラミック端縁部における電界成分をキャンセルするため、XバンドRFウインドウをTE11およびTM11またはTE11およびTE12モードの組み合わせで設計した。
• 2種類のウインドウを製作した：直径53 mmおよび64 mmのセラミック、厚さ2 mmおよび2.15 mm、TiN表面被膜（10 nm）を施してマルチパラクティングを抑制した。
• HFSSを用いて100 MW入力時の電界分布（E_normal, E_tangential, E_periphery）を計算した。
• KEKで共振リングを用い、300–700 nsパルスを用いて初期性能および破壊閾値を評価した高出力試験を実施した。
• SLACで合成klystron出力を用い、10–30 Hz繰り返しレートの1.5 µsパルスを用いて延長された高出力試験を実施した。
• 光放射をPMTおよびテレビカメラでモニタリングし、真空圧力の変化を追跡して破壊およびガス放出を検出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合モード励振（TE11 + TM11/TE12）は、XバンドRFウインドウのセラミック-金属界面における電界強度を有効に低減できるか？
• RQ2 長パルス（1.5 µs）動作下でのこれらの混合モードウインドウの最大持続可能なRF出力レベルは何か？
• RQ3 光放射および真空圧力の変化は、RF出力およびパルス幅の増加とどのように相関するか？
• RQ4 TiN被膜はマルチパラクティングを効果的に抑制し、高出力下でのウインドウ耐久性を向上させるか？
• RQ5 破壊の兆候が見られても、ウインドウ設計は高出力試験中に深刻な破壊を防げるか？

主な発見

• 53 mmの混合モードウインドウは、SLACで1.5 µsパルス、30 Hz繰り返しレートで80 MWを達成し、破壊を伴わずに耐久した。
• 64 mmウインドウは1.5 µsパルス、10 Hz繰り返しレートで62 MWを達成し、スケーラビリティを示した。
• 10 MWを超えると光放射が観測され、60 MWを超えると青・白色の強いフラッシュが発生し、フラッシュオーバーを示した。
• 高出力では真空圧力の急激な上昇およびPMT信号の過飽和が発生し、破壊およびガス放出を示した。
• 混合モード設計により、はんだ接合部における電界が効果的に抑制され、複数回の破壊イベントが発生しても深刻な破壊を防いだ。
• HFSSシミュレーションにより、100 MW入力時における電界強度が約7 MV/m（E_periphery）に低下しており、Al2O3の8 kV/mmの閾値を著しく下回ることが確認された。