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高周波源の最近の動向
福田茂樹
KEK
2015/03/16
福田高周波源の最近の動向＠大強度電子ビームとその応用
利用に関する研究会東北大学
1
始めに
高周波源の重要性について
• 現代の加速器は“RF 加速器”と言ってよいほどRFが重要な革
新的基礎技術となっている.
• 以前ほどではないが、加速器建設においてその周波数の選
定はそれに合うRF源があるかどうかに支配される.
• RF源は高価で総建設費のかなりの部分を占める. その内訳
は大雑把に言って、RF源、電源、導波管系、低レベルRF源の
4分野で等分か、幾分前者2分野のコストが大きい.
• RF 源は建設して終わりではない. RF源は故障の多い機器
（放電等）でありその設計に細心の注意を払うと同時にメイン
テナンスなどにつとめ信頼性を高めることが必要である.
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加速器に要求されるRF源の要件
• 次のような要件が加速器用ＲＦに要求される
1. 周波数範囲- 0.3 GHz以上では klystronが最適。0.3 GHz以下では
ＳＳＡ, IOT、Diacrode 及び Tetrode が使われる
2. 尖頭値電力-加速器のエネルギー利得に関わり、加速器の長さ
を決める。如何にＲＦ源と加速構造内での放電を小さくするか
3. 平均電力– デユーティサイクル、繰り返し周波数に依存。ＣＷ加
速器ではこれで加速器の大きさが決まる。
4. 利得 –励振増幅器と関連。高利得が望ましい。一般的にクライスト
ロンの利得は 50 dB程度と高い。 IOTは大体 20 dBぐらい。電力管
tetrode は低い。
5. 位相安定性– クライストロンは電圧駆動素子でありもし電圧が安
定ならば位相は安定である。
6. 簡便性、適応性及び寿命 – クライストロンは成熟した技術で
ありこれらの要件を満たす。
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RF源の種類と加速器への適用
states of art now
周波数範囲
（赤枠は加速器で使用
される範囲）
現在のところ、多くの加速器用
途のRF源としてはklystron が
最も適している.
• 高出力
• 高利得
• 位相安定
平均電力対周波数のプロット
いろいろな種類のRF源
の比較
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先頭電力対周波数プロット
Efficiency (%)
Bandwidth
(%)
Gain
(dB)
Relative
Operating
Voltage
Relative
Complexity of
Operation
Gridded Tube/Diacrode
10-50
1-10
6-15
Low
3
1-5
40-60
High
2
High
3
Klystron
30-70
Magnetron
40-80
Helix TWT
20-40
30-120
30-50
High
3
Coupled Cavity TWT
20-40
5-40
30-50
High
3
Gyrotron
10-40
1
30-40
5
IOT
10―70
１－５
20－25
High
High
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4
ＲＦシステムをより信頼性を高めるには
• ＲＦ源の仕様値を運転値より高めに設定する
• クライストロンの運転時の尖頭電力が40MWならば50MW仕様のクライストロ
ンを使う。
• 1000W仕様のトランジスターを使った増幅器では600W以上で使用しない。
• N+nの冗長性を持たせ、故障時にすぐに運転用にSwap出来
るようにする
• ＫＥＫＢ用ライナックでは60台のクライストロンに対し3台分余計に運転されて
いる。故障時にはこの3台ｎStand-byとHot-swapする。
• 半導体増幅器を用いたRF系では15%分多くSSAのユニットモジュールをす。
• 保守性、交換性について常時準備を行う
• 常時動作特性をモニターし、動作特性が劣化してきたら故障前に交換する。
交換のし易さを盛り込んだ設計にする。SSAに関してはモジュール化して交換
を容易にする。
• 最新のシステム診断機器を用意し自動的な故障記録収集ソ
フトでモニターする。故障統計などの管理も普段から行う。
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加速器用途のRF源としての有力な候補
• 通常の加速器では主にクライストロンがCW/パルス共に多く使用されて
いるが、最近の放射光装置やLCなどの大型プロジェクトが検討されるに
つれて最適なRF源が何かを模索するようになった。論点は安定性、信頼
性、高効率性などである。
• 放射光光源などのいろいろなプロジェクトでは、クライストロン、IOT、半導
体増幅器（SSA)が使われている。
• ILC用のRF源としてはDESYのTESLA計画で検討されいわゆるマルチビーム
クライストロン（MBK)がベースラインRF源となった。そのパルス電源として
は当初Bouncer型IGBT電源が、そしてTDRにおいてMarx電源がベースラ
インとなった。
• 最近ILCと同時、又はILC以後の大型加速器として、（CLIC)、FCC、CEPC計
画が提唱され、再び、そのRF源として何が最適かという検討が始まった。
• 当然ながらILCの初期の検討段階から二十年ほど経ているので技術的な
進展もある。キーワードは高効率である。いろいろなタイプのクライストロ
ンとIOTが検討の対象になっている。
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Light Source におけるRF源
使用RF源
• Klystron：
• Inductive Output Tube (IOT)：
• Solid-state Amplifier (SSA):
CLS , SSRF, TPS, PLS-II, NSLS-II など
DLS, Elettra, ALBAなど
SOLEIL, ESRFなど
Light Source でポピュラーなRF源の周波数
99-105MHz, 352.2 MHz, 500-510MHz, 1.3GHz, 2.856GHzなど。
中でも赤字の周波数が平均電力が大きいRF源でよく使用されている。
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LCなどのBiｇ ProjectにおけるRF源
↑ FCC計画詳細未定 400-800MHｚ
↑
ILC計画：1.3GHz、10MW Peak、MBK
→
CEPC(China Electron Positron Collider)
650MHz, 400kW CW
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Big Projectに求められるRF源の仕様（１）
• 使用する台数が多い（数百台）
– コストパーフォーマンスが重要。ただし全体のシステムと
して考える必要がある。
即ち、RF源、電源、RF電力分配系全体のコストである。
– 信頼性が高いこと（運転時の故障頻度が少ないこと）
– 寿命が長いこと。
• 使用する電力が大きい。
– 全体にわたる電力効率が重要となる。電源は95％ぐらい
なので、RF源の効率がボトルネックである。
– フィードバックをかけて安定化を図るので飽和出力時の
効率でなくそこから20-30％落ちの動作点での効率が重
要となる。
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Big Projectに求められるRF源の仕様（2）
• 高効率RF源として可能性がある候補として挙
がっているデバイス
– IOT(Inductive Output Tube/Klystrode)
陰極とグリッド間の間隙にRFを印加して初めからバンチしたビーム電流を取り出し、出
力空洞でRFとして取り出す。
効率がよい。フィードバックなどの動作点変化でも効率は落ちない。
利得が悪い。高出力化が難しい。
– Klystron
高効率に特別デザインされたKlystronが求められる。
① MBK：他ビームクライストロン
② Depressed Collector Klystron
③ Kladistron/Klystron with adiabatic bunching
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TLEP RF - relevant parameters
Main RF parameters
•
•
•
•
Synchrotron radiation power: 50 MW per beam
Energy loss per turn: 7.5 GeV (at 175 GeV, t)
Beam current up to 1.4 A (at 45 GeV, Z)
Up to 7500 bunches of up to 4 x 1011 e per ring.
•
CW operation w. top-up operation, injectors & booster pulsed
First look on basic frequency choice & RF system dimension
• Frequency range (200-800) MHz with 400 MHz starting point
• Disadvantage lower frequency: mechanical stability, He amount
for cooling, size …
• Disadvantage higher frequency: denser HOM spectrum (multicell), BBU limit, larger impedance, smaller coupler dimensions
• Example scaling from LHC (per beam):
•
•
LHC 400 MHz  2 MV and ~250 kW per cavity, (total 8 cavities)
Lepton collider ~500 cavities 20 MV / 100 kW RF  10 GV / 50 MW
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RF power sources – frequency scaling
High efficiency, high power RF sources?
Typical ranges (commercially available)
10000
grid tubes
CW/Average power [kW]
1000
klystrons
100
IOT
solid state (x32)
CCTWTs
10
o 200 MHz: Tetrodes, Diacrodes;
probably least expensive/MW;
efficiency > 70%
o 400 MHz, 800 MHz:
1. Klystrons: 𝜂~65%; R&D for larger 𝜂
has started
2. IOTs: today limited to < 100 kW;
R&D on MB IOT (1.5 MW pulsed)
has started with ESS!
Transistors
1
0.1
10
100
Thales 1MW diacrode
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1000
f [MHz]
10000
LEP 1.3 MW CW klystron
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CPI MB-IOT
prototype, 1MW,
700MHz
Erk Jensen
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IOT
IOTで100kW以上のものは市販されていない。多ビーム
IOTのR&Dで高出力化を目指している。IOTは高効率。
低利得（~20ｄＢ）。電圧のリップルなどには出力は
敏感ではない。放送用発信管に広く使用されている。
より高出力でも安定か? ? より高出力で高寿命か？
フィードバック時の効率低減化は一般的にない。
Klystron/MBK
Back-off for feedback
Unstable region
IOT
+6dB
Short-pulse
Excursions possible
ηsat~60-70%
Operating
Power Level
η~60%
η>70％
Long-pulse
Excursions possible
Pout
High Gain
IOT’s don’ saturate!
Built-in headroom for feedback
Low Gain
Pin
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IOT (続き）
蓄積リングのRFシステムに使用されている例
• DLS : 300kW RF=4 x 80kW IOT
• ALBA: 150kW RF=2 x 80kW IOT
• Elettra:150kW RF=2 x 80kW IOT
KEKのｃERLに使用されていたIOT
• 20kW IOT & 30kW IOT
TH793-1 LS
E2V D2130
DLS,ALBA,Elettra DLS, Elettra
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L3
NSLS-II
CPI 30kW IOT
KEK cERL
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L3 20kW IOT
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KLYSTRON
Multi-beam klystron (MBK) Approach
クライストロンの内部の電子エネルギーは
低いために空間電荷力による反発で集群が
しにくい。この空間電荷力の目安はパービ
アンスで表される。
低パービアンス(低電流・高電圧）のクライス
トロンでは空間電荷力が弱いので集群しや
すく、結果として高効率の出力が得られる。
（但し一般的に絶対電力は低いー低電流のため）。
右のSimonの式を参照。
そこでこの低パービアンスビームを複数本、1本の
クライストロンで使用したものがMBKである。
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Klystron-10MW MBK
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福田
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KLYSTRON
Multi-Stage Depressed Collector (MSDC) Klystron
Approach
クライストロンのコレクターで消費される
電力を電源に戻してエネルギーを回収し
全体としての効率を高めるクライストロン。
原理については右図参照。
通信衛星用などで市販されている。その
特性の一例を右図に示す。高い効率が
得られる。
Gyroklystronなどのように変調深度が浅い
デバイスでは成功例が多いが、Klystronは
変調度が大きく、コレクターで捨てられる
ビームのスペクトルが複雑で一般に難しい。
分割コレクターの各段ごとにセラミックリング
が必要。放射線漏れもある。大電力用として
簡単ではない。各コレクターにCコートして
二次電子放出を抑える必要もある。大電力
用のR&Dが必要。
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MSDC Klystronの断面図
MSDC Klystronのエネルギー回収
RFのドライブなし
飽和点の90％レベル
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KLYSTRON （Kladistron)
Klystron with Adiabatic Bunching Approach
CERNのCLICセミナーで「新しい」概念の
高効率Klystronが提案された。これは
Adiabaticなゆっくりとしたバンチング過程
で位相空間のビームを出来るだけ多く集
めてそれで出力を得ようというものである。
基本的な概念は陽子ビームなどで空間
電荷力が大きいRFQのバンチング過程と
同じようなものをKlystronへ応用した。
（右図参照）
RFQでは350セル使ってゆっくりと断熱的に
バンチの形成を行ったために空間電荷の
反発力に打ち勝てたとみる。
単一ビームでパービアンスが高くても
同じ概念を使うと高効率が達成できる？
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Courtesy of F. Peauger （2014）
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その他いろいろな Klystron
S-band pule klystron: 50MW
5045
C-band pulsed klystron X-band pulsed klystron
324MHz: J-Parc
972KHz J-Parc
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300kW CW cERL/KEK
1.2MW CW KEKB
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最近のSSAの進展
•
•
•
•
最近単体の電力トランジスターの出力電力が大きいものが開発された。
周波数が高い電力トランジスターが開発されつつある。
効率の高いRF用電力トランジスターが開発されつつある
加速器用途への応用が広がっている
放射光加速器への応用例
SOLEIL
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最近のSSAの進展（続き）
• 飽和時RF出力電力の効率はどんどん高くなっている。そのためにCW 用とで
は、半導体増幅器（SSA)はクライストロンに置き換わりつつある。
• KEKでは, cERL やERL用のRF源として、20-30 kW CW SSA(1.3GHz)がクライスト
ロンやIOT等を凌駕しつつある。
ＳＳＡ入出力特性及び効率
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例としてSOLEILでの応用例を示す
• 45kWの増幅器タワー
• 対称的な電力コンバイナー（Hybrid
又はMagic-T)を用いて90kW/180kWの
出力を出して分配している
• 非対称電力コンバイナーを用いて最大
135kWの出力を出して効率よく分配し
ている
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cERLの高周波源
RF:1.3 GHz CW
Buncher
NC
Main LINAC
Injector LINAC
Inj1
Inj2
SC
SC
Inj3
SC
ML1
SC
ML2
SC
Vector-sum
20-kW IOT 25-kW Kly.
300-kW Kly.
16-kW SSA 8-kW SSA
2014年1月
に30kW IOT
からSSAに交換
(低出力時に発振)
RF 安定度の要求: cERL 0.1%rms,0.1deg.rms/3GeV-ERL 0.01%rms,0.01deg.rms
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•福田高周波源の最近の動向＠大強度電子ビームと
その応用利用に関する研究会東北大学
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最近の加速器の動向とRF
• 通常のパルス技術の延長
– Sバンドクライストロンがまだ使用されているが（例えばPAL-FEL)、Cバンド
化も進んでいる。医療用ライナック方面（MHI等）、常伝導FEL。
• 超伝導加速器の応用が進んでいる。
– ILCが契機になって超伝導空洞（特に1.3GHｚ）の製作技術が上がってきた
ために採用が進んでいる。4.3GHZ空洞もある。
• UHF帯～Lバンド帯
– 陽子加速器やLCなどで超伝導も絡みUHF帯からLバンド帯のRF源への要
求が多くなってきた。（500MHｚ-KEKB/1.3GHZ-ｃERL・KEK/650MHｚ-CEPC
等）。そこでは今まで述べたようにクライストロン以外のRF源へも目が向
けられるようになってきた。高効率化を目指してデバイス開発が進んでい
る。
– 蓄積リングやERL向けでSSAの採用が多くなっている。これは高効率化、
コスト面の有利さ等による。
• 300MHｚ以下ではDiacrodeのような新デバイス
– 例えばLANCE/Los Almos
• アジアでの加速器建設が進んでいる。
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最近の加速器動向とRF 中国
IHEP（中国高能研究所）が指導する計画
• BEPCII Linac Operation
電力、エネルギー増強計画
• 将来計画としてのCEPC
(Chinese Electron-Positron Collider)
• NSC KIPT (中国-蒙古共同計画）
• ADS RF源の運転
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最近の加速器動向とRF 韓国
PAL-XFEL
電子線最大エネルギー10GeV
全長
1.1km
RF
S-バンド 80MW Klystron x 50
X-バンド Linearizer （SLACと共同）
KOMAC :20MW 陽子を加速。核破砕等。
RF:350MHｚ CW Klystron x 1
700MHｚ CW Klystron x 31
(EEV)
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最近の加速器動向とRF 印度
• 印度は隠れた加速器大国であり小さい加速器は多い。最近は医療用ラ
イナックを積極的に国産化しようとしている。日本首相の思惑もあり文科
省の日印拠点事業により加速器の研究協力も始まった（India-KEK)
• Indus2 Upgrade Plan (RRCAT)
印度最大の
Light Source
VECC 電子ライナック＋Ion加速器
50MeV/100kW CW 超伝導：1.3GHｚ
入射部ライナック化
Sバンド50MW
Klystron
DLS：FEL
Phase1:2860MHz
RF-Gun
Phase2:1.3 GHz SC
RRCAT
Indian SNS案
超伝導、650MHz
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最近の加速器動向とRF 印度（続き）
• 印度は隠れた加速器大国であり小さい加速器は多い。最近は医療用ラ
イナックを積極的に国産化しようとしている。日本首相の思惑もあり文科
省の日印拠点事業により加速器の研究協力も始まった（India-KEK)
KEKとIITB(インド工科大学ボン
ベイキャンバス）/SAMEERの協
力と医療ライナック。
SAMEERで癌治療ライナックの
工業化を進める。
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Low level RF Systemの重要性
System includes master oscillator(MO), local oscillator(LO), timing module,
down converter and digital RF controller. Pulse modulator and driver amplifier
Is also included. RF protection system including slow starter of RF is in this area.
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Digital RF Controller
Digital controller comprises of ADC, DAC and DSP/FPGA.
DSP (Digital Signal Processor):
This has a signal processor in the device and its
calculation ability is powerful.
Between ADC/DAC and DSP, there required the
buffer device and buffer device is not synchronized
with sampling signal.
A few microsecond delay time is inevitable.
FPGA(Field Programmable Gate Array):
Algorism of signal process is generated of numerical
formula written by the hardware language.
Synchronized operation with the clock signal of
ADC/DAC and FPGA. Faster than DSP.
Recently FPGA is becoming more popular.
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Example of LLRF in KEK STF
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Example of LLRF in KEK cERL
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• ご清聴ありがとうございました。
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