[论文解读] 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 4

一句话总结

本文详细介绍了为下一代线性对撞机（NLC）开发的高功率X波段速调管，重点研究了螺线管聚焦与周期性永磁体（PPM）聚焦设计。文中展示了采用PPM聚焦的75 MW速调管，在2.8 µs脉宽下实现75 MW输出；同时正在开发低成本、简化的75XP-3原型机，以实现工业化生产，并通过多束速调管概念降低调制器成本。

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

研究动机与目标

• 为下一代线性对撞机（NLC）开发高功率、高效率的速调管，以支持未来高能物理实验。
• 克服螺线管聚焦速调管的局限性，包括高功耗和复杂的磁系统。
• 设计并测试PPM聚焦速调管，以消除螺线管，每支管减少约20 kW功耗。
• 通过与Marconi（英国）和Toshiba（日本）的合作，实现PPM速调管的工业化生产，并开发低成本的75XP-3原型机。
• 探索多束速调管（MBKs）作为进一步降低速调管工作电压和调制器成本的途径。

提出的方法

• 开发了采用四细胞行波输出结构、TE01输出窗和离子泵的螺线管聚焦XL-4速调管，以降低电压击穿。
• 设计了采用PPM聚焦（使用钐钴磁体）、用于测试的电子二极管和氮化钛（TiN）涂层以抑制多路径效应的XL-PPM速调管。
• 设计了采用钕铁硼磁体和全永磁结构的75XP-1速调管，集成损耗环和射频负载以抑制电子枪和输出端的振荡。
• 设计了采用可分离蛤壳式磁体结构、精密加工电极并减少零件数量的75XP-3速调管，以简化并降低制造成本。
• 通过电子二极管测试和仿真验证了分体磁体设计中磁场对准和横向场控制的性能。
• 与工业界（Marconi、Toshiba、CPI）合作，制造原型管并验证其在NLC规模部署中的可制造性。

实验结果

研究问题

• RQ1 PPM聚焦能否在高功率X波段速调管中替代螺线管聚焦，以降低功耗并提高效率？
• RQ2 为在PPM聚焦速调管中实现75 MW输出，同时保持电子束稳定性和高传输效率，需要进行哪些设计改进？
• RQ3 在具有复杂内部结构的高功率PPM速调管中，如何抑制多路径效应和射频振荡？
• RQ4 能否开发一种简化且低成本的速调管设计（75XP-3），在保持性能的同时实现工业化生产？
• RQ5 与单束设计相比，多束速调管在降低工作电压和调制器成本方面能达到何种程度？

主要发现

• XL-4螺线管聚焦速调管在1.5 µs脉宽下实现了75 MW输出，已用于驱动NLC测试加速器。
• XL-PPM电子二极管在490 kV电压和2.8 µs脉宽下实现了99.9%的电子束传输效率，验证了PPM聚焦概念的可行性。
• 75XP-1 PPM速调管在安装损耗环和射频负载以抑制1.4 GHz和20 GHz振荡后，成功在2.8 µs脉宽下输出超过75 MW。
• 75XP-3原型速调管采用可分离蛤壳式磁体结构、减少零件数量和精密加工电极，简化了制造流程并提升了可靠性。
• 与Marconi（英国）和Toshiba（日本）合作，50 MW XL-PPM速调管的工业化生产正在推进，验证了其在大规模NLC部署中的可行性。
• 仿真和测试结构表明，分体磁体设计可实现精确的磁场控制，使磁组件可在多支速调管间重复使用。