試験ベンチでの各種試験

（ J‐PARC 、 KEKB)

2. 試験ベンチでの各種試験

① 低圧エミッションベンチで

DC

１ｋ

V

を印加してエミッション試験：

１ｋ

V

での

Miram

カーブを取得し製造会社のデータと比較する。

② パルストランス（

PT)

を取り付けた模擬ソケットタンクで接触確認と高さ調整を行い、またヒータトランス（

HT)

の一次二次較正データを記録する

③ 実際に使用するタンクに

PT

セット、絶縁油注入、給電やモニター等の接続確認、アセンブリの完成、試験ベンチで高圧印加のもとで定格の

RF

出力を確認しデータを取る。

a.

印加電圧対出力

RF

電力カーブ

b.

入力

RF

電圧対出力

RF

電力カーブ

c.

３００ｋ

V

エミッション測定

d.

利得が取付先のセットに合わない場合は集束電磁界を調整して希望利得に合わせる。

e. RF

出力窓の発光具合を確認する

2013/8/4‐5

第10回日本加速器学会・技術研修会

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Accelerator Laboratory

KEK でのクライストロンの受け入れからの取り扱い一覧②

3

．

クライストロンギャラリー（KG)へ設置

① 出力導波管と

KG

の導波管の接続、真空排気、リーク試験、クライストロン

RF

窓から導波管窓までの大気暴露部分をベークする。

IP

通電、ヒーター通電の確認、電源との接続確認

② ベーク終了後、スタンバイモード（

STB

：電子ビームとタイミングをずらしたモード

)

で

RF

を通電し、テストベンチでのデータと照合。加速管が大気暴露された場合はそのプロセッシングも兼ねる。ヒータ電力の確認。

③ 運転モードでして電子ビームの加速に使用

4

．

定期的なデータ取得、メンテナンス

① 運転記録は各パルス電源についているPLCで取得。運転履歴、Faultの履歴等、また加速管のプロセッシング用にAutoRF－On機能もある

② 夏のメンテ時作業：ディップ試験によるカソード活性度のチェック。問題のあるユニットは個別にMiram プロットを取り、ヒータの動作点を変更する。

電磁石の電流値の構成、各コイルの地絡測定。清掃。タンク内オイルの色汚れのチェック。不良ユニット、訳ありユニットの交換を実施。運転中に出来ない試験は夏に行う（ダイオードモード）

③ KGから外されたものについては、ユニットを分解して中をチェック。不具合は高圧を印加して確認。

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第10回日本加速器学会・技術研修会

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Accelerator Laboratory

クライストロンの調達・修理と将来の見通し

• クライストロンは高価である

– クライストロンの値段のベースは本体の大きさや周波数ではなく、基本的に技術者にかかる費用で決まる。



（参考）

KEK

の

S

バンド８０ｋ

W

パルスクライストロンと５０

MW

クライストロンで値段は拮抗。

– 数量が出る S バンド５０ MW クラスで 1000 ～ 1500 万円、 L バンド CW クライストロンや ILC 用 MBK では 5000 万円以上する。

– 一方で不注意な取扱いをするとすぐ破損する。



不注意な取扱いは簡単に真空リークにつながる。



振動等はヒーター断線につながる



過大なヒーター給電、過大な入力励振電力等も性能劣化につながる。

– 長年使用してきたクライストロンが不調でもその型のモデルが廃止され代替え品がないこともあるし、 Vendor そのものが廃業している場合もある。国内メーカーに相当品がなく新規設計では非常に高価になる。

– 海外では電子管に関する修理ビジネスが盛んである。裏返すと軍や民間など圧倒的にニーズが多いためであろう。国内でも日本の会社を補完する意味で経験者などでこのような企業の立ち上げが必要かもしれない

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第10回日本加速器学会・技術研修会

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Accelerator Laboratory

クライストロン以外の加速器における _RF 源

• クライストロンは内部にいくつかの空洞を持っており、その大きさは波長に比例する。従って周波数が低くなるとサイズも大きくなる。現実上はサイズから來るリミットは大体 300MH ｚ位である（ See: CERN )

板極管・ 4 極管等の真空管

• 陽子ライナックの低 β セクションで、例えば 200MH ｚを採用しているところでは４極管 (or 3 極管 ) が使われている。 G 電極にも RF 回路を要し使い方は複雑である。最集団の電力段では利得が低く、６ｄ B 程度にもなり多段増幅システムとなる。製造メーカは現在非常に限られている。

IOT(Klystrode)

• 100‐1300 MHz レンジの周波数帯で出力が 100kW (peak or cw) くらいでは , IOT （又は Klystrode) が使用されている。 60% 程度の高効率が達成可能である。飽和特性を示さず LLRF 制御のもとでも高効率が期待できる。定利得であるために励振段に適当な増幅器が必要である。

半導体増幅器

• IOT と同じ周波数帯で将来性のあるデバイスである

2013/8/4-5

第

10

回日本加速器学会・技術研修会

45

Accelerator Laboratory

IOT （ _Klystrode) について

最近日本の加速器でも使用され始めた _IOT のついて簡単な原理・使用状況・今後について紹介する

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第10回日本加速器学会・技術研修会

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Accelerator Laboratory

UHF 帯の中電力増幅器としての _IOT

• 1960 年台に TV サービスが始まって以来 UHF 増幅器に対するにニーズが高まった。主な電子デバイスは Klystron 、半導体、４極管であった。 Pyrolytic graphite の grid が開発された 1990 年台から IOT が次第に盛んになった。

• 欧米では放送局の送信管として IOT が多く使用された。一方日本は送信は殆ど半導体であったために IOT が国内生産ベースには乗らなかった。

• IOT(Inductive Output Tube) は別名 Klystrode といい、 3 極管構造に出力空洞を加えた構造をしている。陰極・ Grid 間に RF が発生し電子を速度偏重する。そのまま取り出したバンチが出力空洞に達して RF を出す。

• 特徴：単純な構造、高効率管、低利得が難点

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Accelerator Laboratory

IOTの特徴①

•

IOTは基本的に3極管でK-G間に RFがかかり、電子が変調される。

Gridから出た電子はすでにバンチ状であり、これが出力空洞に達してRF電力に変換される。

•

G-K間で減速された電子の逆走を防ぐためにはRFの1サイクルの時間に電子が走る距離に比べて

G-K間距離が十分小さくなければならない

（電子走行角が小さい）。

•

必然的にグリッドが熱陰極に近くなり高熱でも変形のしないグリッド材質が必要である。Pyrolytic Graphiteの採用でこれが解決された。

•

入力空洞はカソード電位と同じく高電圧。

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Accelerator Laboratory

IOTの特徴②

•

IOTはK-G間にかかるRFで変調される。変調の大きさは入力電力に比例し、それに伴って出力が増加する。

•

初めからバンチングしていてRFへの変換効率は高い。効率は６０％くらいになる。

•

飽和特性が顕著でなく入力RFの広い範囲で効率が高い。これは長パルス運転やCW運転でのLLRFのフィードバックをかける際にメリットとなる。

•

クライストロンと比べると2空洞構成であるために利得が低い。大体20～25ｄB（Cf.クライストロンは53ｄBくらい）。

•

入出力空洞の周波数を可変にすることで動作周波数にも幅が持たせられる。

•

G-K間隔は電子走行角を小さくする要求と放電耐圧の問題から、高い周波数に不向きである。

実質的な上限周波数は1.3GHｚ前後である。

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Accelerator Laboratory

IOT の断面図

IOT と加速器・今後の展望

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50 • 世界的に CW 用途、中電力用途では IOT が加速で使用されている。

• 最近 KEK でも ERL （ Energy Recovery Linac) 計画がありここでは 20 ｋ W 弱の RF 源を大量に使用するために（～ 500 台） IOT が注目されている。 cERL 試験ベンチで L バンド 16 ｋ W ・ IOT と 35 ｋ W ・ IOT を購入し試験に供した。

• 国内メーカにも IOT 開発を持ちかけた（動機はパイログラファイトが調達できそうになったため）：現状： MELCO で L バンド IOT を開発・ μ ｓオーダで 30 ｋ W 出力に成功。 CW 的には熱的問題で中断。グリッドは TWT で実績のある Mo を使用している。

• IOT 採用に関する損得勘定

→IOT の値段（ L 帯 CW16 ｋ W ：～ 750 万円 /L 帯 CW ３５ｋ W ～ 1500 万円）

それ以外に電源（～ 2000‐2500 万円）ｃｆ半導体アンプ（電源不要）

• 加速器用途としての IOT の将来：より大電力化か？（ 100 ～ 300 ｋ W) MW クラスになるとクライストロンにかなわないのではないか大電力化へのチャレンジ : CPI におけるマルチビーム IOT の試み

Accelerator Laboratory

ドキュメント内 <4D F736F F F696E74202D2089C191AC8AED82C693648E718AC78B5A8F C8E3593FA2E > (ページ 42-51)

（ J‐PARC 、 KEKB)

2. 試験ベンチでの各種試験

DC

V

V

Miram

PT)

HT)

PT

RF

a.

RF

b.

RF

RF

c.

V

d.

e. RF

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KEK でのクライストロンの受け入れから の取り扱い一覧②

3

クライストロンギャラリー（KG)へ設置

KG

RF

IP

STB

)

RF

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定期的なデータ取得、メンテナンス

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クライストロンの調達・修理と将来の見通し

• クライストロンは高価である

– クライストロンの値段のベースは本体の大きさや周波数ではなく、基本的 に技術者にかかる費用で決まる。



KEK

S

W

MW

– 数量が出る S バンド５０ MW クラスで 1000 ～ 1500 万円、 L バンド CW クライス トロンや ILC 用 MBK では 5000 万円以上する。

– 一方で不注意な取扱いをするとすぐ破損する。







– 長年使用してきたクライストロンが不調でもその型のモデルが廃止され 代替え品がないこともあるし、 Vendor そのものが廃業している場合もあ る。国内メーカーに相当品がなく新規設計では非常に高価になる。

– 海外では電子管に関する修理ビジネスが盛んである。裏返すと軍や民 間など圧倒的にニーズが多いためであろう。国内でも日本の会社を補完 する意味で経験者などでこのような企業の立ち上げが必要かもしれない

2013/8/4‐5

44

クライストロン以外の加速器における RF 源

• クライストロンは内部にいくつかの空洞を持っており、その大きさは波長に 比例する。従って周波数が低くなるとサイズも大きくなる。現実上はサイズ から來るリミットは大体 300MH ｚ位である（ See: CERN )

板極管・ 4 極管等の真空管

IOT(Klystrode)

半導体増幅器

• IOT と同じ周波数帯で将来性のあるデバイスである

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IOT （ Klystrode) について

最近日本の加速器でも使用され始めた IOT の ついて簡単な原理・使用状況・今後について 紹介する

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UHF 帯の中電力増幅器 としての IOT

• 1960 年台に TV サービスが始まって以来 UHF 増幅器に対する にニーズが高まった。主な電子デバイスは Klystron 、半導 体、４極管であった。 Pyrolytic graphite の grid が開発された 1990 年台から IOT が次第に盛んになった。

• 欧米では放送局の送信管として IOT が多く使用された。一方 日本は送信は殆ど半導体であったために IOT が国内生産 ベースには乗らなかった。

• IOT(Inductive Output Tube) は別名 Klystrode といい、 3 極管構 造に出力空洞を加えた構造をしている。陰極・ Grid 間に RF が 発生し電子を速度偏重する。そのまま取り出したバンチが出 力空洞に達して RF を出す。

• 特徴：単純な構造、高効率管、低利得が難点

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IOTの特徴①

•

•

•

•

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IOTの特徴②

KEK でのクライストロンの受け入れからの取り扱い一覧②

– クライストロンの値段のベースは本体の大きさや周波数ではなく、基本的に技術者にかかる費用で決まる。

– 数量が出る S バンド５０ MW クラスで 1000 ～ 1500 万円、 L バンド CW クライストロンや ILC 用 MBK では 5000 万円以上する。

– 長年使用してきたクライストロンが不調でもその型のモデルが廃止され代替え品がないこともあるし、 Vendor そのものが廃業している場合もある。国内メーカーに相当品がなく新規設計では非常に高価になる。

– 海外では電子管に関する修理ビジネスが盛んである。裏返すと軍や民間など圧倒的にニーズが多いためであろう。国内でも日本の会社を補完する意味で経験者などでこのような企業の立ち上げが必要かもしれない

クライストロン以外の加速器における _RF 源

• クライストロンは内部にいくつかの空洞を持っており、その大きさは波長に比例する。従って周波数が低くなるとサイズも大きくなる。現実上はサイズから來るリミットは大体 300MH ｚ位である（ See: CERN )

IOT （ _Klystrode) について

最近日本の加速器でも使用され始めた _IOT のついて簡単な原理・使用状況・今後について紹介する

UHF 帯の中電力増幅器としての _IOT

• 1960 年台に TV サービスが始まって以来 UHF 増幅器に対するにニーズが高まった。主な電子デバイスは Klystron 、半導体、４極管であった。 Pyrolytic graphite の grid が開発された 1990 年台から IOT が次第に盛んになった。

• 欧米では放送局の送信管として IOT が多く使用された。一方日本は送信は殆ど半導体であったために IOT が国内生産ベースには乗らなかった。

• IOT(Inductive Output Tube) は別名 Klystrode といい、 3 極管構造に出力空洞を加えた構造をしている。陰極・ Grid 間に RF が発生し電子を速度偏重する。そのまま取り出したバンチが出力空洞に達して RF を出す。

• 最近 KEK でも ERL （ Energy Recovery Linac) 計画がありここでは 20 ｋ W 弱の RF 源を大量に使用するために（～ 500 台） IOT が注目されている。 cERL 試験ベンチで L バンド 16 ｋ W ・ IOT と 35 ｋ W ・ IOT を購入し試験に供した。

それ以外に電源（～ 2000‐2500 万円）ｃｆ半導体アンプ（電源不要）

• 加速器用途としての IOT の将来：より大電力化か？（ 100 ～ 300 ｋ W) MW クラスになるとクライストロンにかなわないのではないか大電力化へのチャレンジ : CPI におけるマルチビーム IOT の試み