JP5851997B2

JP5851997B2 - 低電圧マルチビームｒｆ源

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Publication number: JP5851997B2
Application number: JP2012535379A
Authority: JP
Inventors: テルヤエフ，ウラジミール; ヤコブレフ，ヴャシェスラフ，ピー; ソリャク，ニコライ; カザコフ，セルゲイ，ユー
Original assignee: OMEGA P Inc
Current assignee: OMEGA P Inc
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2016-02-03
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Description

明細書で説明する態様は一般に、加速器に用いられる、低電圧マルチビームメガワット（ＭＷ）高周波（ＲＦ）源である。

本出願は、２００９年１０月２１日付で出願した米国仮出願第６１／２５３，７３７号「低電圧マルチビームクライストロン」と、２０１０年１０月１９日付で出願した米国仮出願第６１／３９４，６２３号「低電圧マルチビームパワー源」を優先権主張する、２０１０年１０月２０日付で出願した米国出願第１２／９０８，７３９号「低電圧マルチビームクライストロン」に関連する。

明細書で説明する態様は、全般的に、加速器に用いられる、低電圧マルチビームＲＦ源／増幅器、例えば低電圧マルチビームクライストロン（MBK：Multi-Beam Klystron)である。

ＲＦ源は、例えば加速勾配が最大３５ＭｅＶ／ｍであるＩＬＣタイプＳＲＦ加速器構造といった加速器に電力を供給するために用いることができる。このタイプの加速器構造は、ＩＬＣメインリニア加速器（ｌｉｎａｃｓ）に用いることが計画され、その内容は非特許文献１に詳細に記載され、その全ての内容を参照することにより明細書に組み込まれる。

このようなＲＦ源には、例えばＦｅｒｍｉＮａｔｉｏｎａｌＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＬａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＦＮＡＬ）で開発され、その内容は非特許文献２に詳細に記載され、その全ての内容を参照することにより明細書に組み込まれた、Ｐｒｏｊｅｃｔ−Ｘ用プロトンｌｉｎａｃの高エネルギー部分といった、他の潜在的な利用もある。

ＩＬＣやＰｒｏｊｅｃｔ−Ｘにおいて、メインｌｉｎａｃｓは、１メートルの長さの、１．３ＧＨｚで運転する９つのセルの超電導キャビティから構成される。このようなキャビティ８〜９個のグループは、例えば、非特許文献３に記載されるように、その全ての内容を参照することにより明細書に組み込まれる、一般的な低温保持装置に設置される。

加速勾配は、２５ＭｅＶ／ｍ（Ｐｒｏｊｅｃｔ−Ｘ）及び３１．５ＭｅＶ／ｍ（ＩＬＣ）程度である。ＲＦ電力は、クライストロンにより発生され、それぞれのクライストロンが９つのキャビティに提供する。クライストロン毎に要求されるピーク電力は、１０ＭＷであり、これはローレンツ力離調とマイクロフォニック雑音から発生されるビームパルスの位相誤差を修正するためのオーバーヘッド１０％を含む。ＲＦパルス長は１．５ｍｓであり、〜１０００μｓのビームパルス長と、約５００μｓのキャビティ充填時間とを含む。繰り返し率は、５〜１０Ｈｚである。１０ＭＷマルチビームクライストロンの複数のバージョンが設計され、ＲＦ源として製造されている。それぞれは、６０〜６５％の効率を有している。しかしながら、これらチューブのそれぞれは、１１７ｋＶのビーム電圧を必要とし、そのためパルス変調器、パルストランス、オイルタンク、高電圧ケーブル、それに高電圧設備に付随する全ての特別な安全・メンテナンス設備を用いる必要がある。このような高電圧マルチビームクライストロンは、非特許文献４、非特許文献５、および非特許文献６に説明され、これらの全ての内容を参照することにより明細書に組み込まれる。

このため、本技術分野では、同様の出力パラメータであるが、低いビーム電圧で運転する、ＲＦ増幅器が求められている。

"ILC Reference Design Report, August 2007, ILC Global Design Effort and World Wide Study," at http://tlcdoc.linearcollider.org/record/6321/files/ILC_RDR_Volumne_3-Accelerator.pdf?version=4 G.Appolinary, "ProjectX Linac, at http://projectx-docdb.fnal.gov/cgi-bin/RetrieveFile?docid==73&version=l &filename=LinacAAC_Apollinari.ppt S.Nagaitsev, "High Energy Linac Overview," November 12, 2007, at http://projectx-docdb.final.gov/cgi-bin/RetrieveFile?docid=21&version=1&filename=Nagaitsev.ppt#256,1,High_Energy_Linac_Overview A.Beunas, G.Faillon and S.Choroba, "A High Power Long Pulse High Efficiency Multi-Beam Klystron," at http://tdserver1.fnal.gov/8gevlinacPapers/Klystrons/Thalesmulti-_beam_Klystron_MDK2001.pdf A. Balkcum, H.P.Bohlen, M.Cattelino, L.Cox, M.Cusick, S.Forrest, F.Friedlander, A.Staprans, E.L.Wright, L.Zitelli, K.Eppley, "Design and Operation of a High Power L-Band Multiple Beam Klystron, "Proceedings of a 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, 2005, p.2170 Y.H.Chin, S.Choroba, M.Y.Miyake, Y.Yano, "Development of Toshiba L-Band Multi-Beam Klystron for European XFEL Project," Proceedings of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, 2005, p.3153

各態様の基本的な理解を提供するため、一つ以上の態様の簡略化した概要を以下に提示する。この概要は、全ての予定する要素の詳細な概要ではなく、全ての態様の主要または重要な要素を特定したり、あるまたは全ての態様の範囲を詳細に説明することを意図したものではない。唯一の目的は、後ほど提示する詳細な説明への前置きとして、一つ以上の態様のコンセプトを簡易化した形式でいくつか提示することである。

上記問題と満たされていないニーズに鑑み、明細書で説明する低電圧１０ＭＷ，１．３−ＧＨｚマルチビームクライストロンの態様からいくつかの利点、すなわち、（１）パルストランスが必要なく、（２）高電圧部品とチューブソケット用にオイルタンクが必要なく、（３）変調器は、クライストロンに直接設置される、コンパクトな６０−ｋＶＩＧＢＴスイッチング回路であり、（４）高電圧ケーブルが必要ない等の利点が得られる。

パルストランスを排除することにより、変調器の費用の約２５％を節約することができ、交換を非常に困難な仕事にする、パルストランスの１ｍ^３の容量と付帯物の重量を収容する必要性を排除できる。パルストランスおよび他の高電圧部品の保護用絶縁油を収容する大容量タンクを排除することにより、設備のかさ容量と重量を減少でき、長く密閉されたトンネル内での油貯蔵に伴う複雑さと火災危険を減少できる。最後に、パルス変調器をオイルタンク内のパルストランスに接続する高電圧ケーブルを排除することで、設備の複雑さと費用を減少でき、その交換に伴う複雑さを回避できる。これらの部品の排除は、２つではなく、１つのトンネルのみを必要とするＩＬＣの設計の正当化を更に増加させることも考えられる。これによる費用と複雑さの減少は、とても顕著なものになる。

このような低電圧ＲＦ源の態様は、例えば１．３ＧＨｚ程度の低電圧１０ＭＷ増幅器用のＲＦキャビティチェーン、磁気回路、エレクトロンガン、およびビームコレクタを含むことができる。複数カソード構成をより高いＭＷを発生するために使用してもよいが、少なくとも２ＭＷを発生させるために単一のカソードを使用してもよい。

態様はまた、低電圧マルチビームマルチメガワットＲＦであって、複数のビームレットを発生するように構成された低電圧カソードと、前記複数のビームレットに共通する入力キャビティと、前記複数のビームレットに共通する出力キャビティと、前記入力キャビティと前記出力キャビティとの間に設けられた複数のゲインキャビティであって、それぞれが前記複数のビームレットに対応する複数の開口を有する複数のゲインキャビティとを備え、６０ｋＶ以下の電圧で作動し、少なくとも１ＭＷを発生する低電圧マルチビームマルチメガワットＲＦ源を含むこともできる。

カソードはまた、６つのビームレットを発生するよう構成されてもよい。態様にはまた、前記複数のビームレットによる非対称を補償するように構成された磁気回路を更に備えてもよい。共通の磁気回路は前記複数のビームレットによる非対称を補償するように構成されてもよい。前記磁気回路は、少なくとも一対のレンズ、ソレノイド、及び出力部の磁場を独立して調整するように構成された出力コイルのうちのいずれかを含んでもよい。ソレノイドと出力部は、鉄板で分離してもよい。前記磁気回路は、前記複数のビームレットのそれぞれの軸の横磁場を補償するように構成された、複数の補償コイルを含んでもよい。

態様はまた、前記出力部内に設けられたビームコレクタを更に備え、前記ビームコレクタは、前記カソードの前記複数のビームレットのそれぞれに対応する複数の開口部を含んでもよい。

単一のカソードＲＦ源は、少なくとも２ＭＷを発生してもよい。

態様はまた、複数のカソードであって、各カソードが複数のビームレットを発生するように構成されている複数のカソードを更に備え、前記入力キャビティは、前記複数のカソードのそれぞれの、前記複数のビームレットに共通であり、前記出力キャビティは、前記複数のカソードのそれぞれの、前記複数のビームレットに共通であり、複数のゲインキャビティが、単一カソードからのビームレットのセットのそれぞれに設けられてもよい。

ＲＦ源は４つのカソードを含み、各カソードは６つのビームレットを発生するように構成されてもよい。ＲＦ源は９ＭＷ以上、例えば１０ＭＷ発生してもよい。

複数のカソードを有するＲＦ源は、前記複数のビームレットによる非対称を補償するように構成された磁気回路を更に備えてもよい。この磁気回路は、前記複数のカソードから複数のビームレットのそれぞれに共通であってもよい。前記磁気回路は、一対のレンズ、ソレノイド、及び出力部の磁場を独立して調整するように構成された出力コイルのうちのいずれかを含んでもよい。前記ソレノイドと前記出力部は鉄板で分離されてもよい。前記磁気回路は、前記複数のビームレットのそれぞれの軸の横磁場を補償するように構成された、複数の補償コイルを含んでもよい。

マルチカソードＲＦ源は、前記出力部内に設けられたビームコレクタを更に備え、前記ビームコレクタは、電気的に独立した複数のセクションに分離され、各セクションは前記複数のカソードの一つに対応しており、各セクションは単一のカソードからの前記複数のビームレットのそれぞれに対応する複数の開口部を含んでもよい。

マルチカソードＲＦ源は、４つのレベルのゲインキャビティを含み、各レベルは各カソードに対応するキャビティを含んでもよい。

ＲＦ源は、前記入力キャビティと前記出力キャビティにおいて前記複数のビームレットのそれぞれで実質的に対称な磁場が生じるように構成されてもよい。

これらの態様の利点や新規な特徴は、明細書の以下の部分で述べられ、当業者による以下の記載の調査や発明の実施による習得によってその一部が更に明らかになる。

上記および関連する目的の達成のため、一つ以上の態様は、明細書に十分に説明され、特許請求の範囲に特に指摘された特徴を含む。以下の記載と添付の図面は、一つ以上の態様の、特定の例示的特徴を詳細に説明する。これらの特徴は、各種態様の本質を採用する様々な方法の一部を示すものであり、当該記載は、全ての態様とその均等物を含むことを意図する。

同じ表示は同じ要素を示し、開示する態様を例示し制限するものではない添付図面とともに、開示する態様を以下に説明する。

単一カソード低電圧マルチビームＲＦ源の例示的態様。マルチカソード低電圧マルチビームＲＦ源の例示的態様。低電圧マルチビームＲＦ源の例示的態様のシミュレーション。図２のＲＦ源の例示的態様の切取図。図２のＲＦ源の例示的態様の切取図。図６ａと６ｂは、図２のＲＦ源の例示的態様の切取図である。図７ａと７ｂは、ＲＦ源のキャビティの例示的態様である。図８ａと８ｂは、ＲＦ源のキャビティの例示的態様である。図９ａと９ｂは、ＲＦ源の電場と磁場の例示的態様である。図１０ａと１０ｂは、ＲＦ源の電場の例示的態様である。ＲＦ源の電場の例示的態様。ＲＦ源のキャビティの例示的態様。図１３ａと１３ｂは、ゲインキャビティの電場パターンの例示的態様である。第二高調波ゲインキャビティの例示的態様。図１５ａは、第一の最後から二番目の（penultimate）高調波ゲインキャビティの例示的態様である。図１５ｂは、第二の最後から二番目の高調波ゲインキャビティの例示的態様である。ＲＦ源用の磁気システムの例示的態様。ＲＦ源用の磁気システムの例示的態様。ＲＦ源用の磁気システムの出力部の例示的態様。図１９ａと１９ｂは、ＲＦ源用の磁気システムの例示的態様である。ＲＦ源用の磁気システムの例示的態様。ＲＦ源用の磁気システムの例示的態様。ＲＦ源用の磁気システムの例示的態様。ＲＦ源用の磁気システムの例示的態様。ＲＦ源用の磁気システムの例示的態様。ＲＦ源用の磁気システムの例示的態様。ＲＦ源用の磁気システムの例示的態様。ＲＦ源用の導波管の例示的態様。ＲＦ源用のシールドリングの例示的態様。ＲＦ源用の電磁場ダイアグラムの例示的態様。図３０ａと３０ｂは、ＲＦ源用の磁気システムの例示的態様である。図３１ａと３１ｂは、ＲＦ源の実施の例示的寸法である。図３２ａと３２ｂは、ＲＦ源の例示的磁場ダイアグラムである。ＲＦ源のカソードの例示的態様。図３４ａと３４ｂは、ＲＦ源の例示的カソードである。ＲＦ源のカソードの例示的態様。１０ＭＷクライストロンカソードの例示的構成の態様。例示コレクタの例示的態様。

図面を参照して各態様を説明する。以下の記述において、説明の目的のため、一つ以上の態様の詳細な理解を提供するために数値的な詳細情報を提示している。しかしながら、このような詳細情報がなくても態様を実施することができることは明らかである。これら及び他の特徴と利点は、様々な例示の詳細な記述で説明され、またはそれから明らかである。

上記利点を獲得するため、明細書で提示する態様は、低電圧マルチビームマルチメガワットＲＦ源であって、複数のビームレットを発生するよう構成された低電圧カソードと、複数のビームレットに共通する入力キャビティと、複数のビームレットに共通する出力キャビティと、入力キャビティと出力キャビティ間に設けられた複数のゲインキャビティであって、それぞれが複数のビームレットに対応する複数の開口を有している複数のゲインキャビティとを有し、約６０ｋＶ以下の電圧で作動し、少なくとも１ＭＷを発生する低電圧マルチビームマルチメガワットＲＦ源を含む。本ＲＦ源は、２ＭＷ以上、例えば２．５ＭＷを発生する単一カソードＲＦ源であってもよく、より高いＭＷを発生するマルチカソードＲＦ源であってもよい。例えば、４つのカソードからなる構成を例として実施した場合、約１０ＭＷを発生する。態様では更に、ビームレットに共通して構成され、各種ビームレットで起こる非対称を相殺するための磁気回路を含むこともできる。

提案するマルチビームクライストロンは、約６０ｋＶ以下のビーム電圧で作動する。この値は、各ビームレットパービアンスを１×１０^-6 ＡＶ^-3/2以下に抑えたいという要求から決定され、一実施形態においては、クラスタに組み立てられ、各カソードが６つのビームレットを有する４つのカソードからなる。コストはよりかかるものの、６つのビームレットを有する６つのカソードを用いてもよく、この場合には４つのクラスタよりも低いパービアンスが得られる。６０ｋＶの電圧を選択することにより、変調器における入手可能な商業上のコンデンサの使用に合致するという点に留意することが重要である。

例示的なマルチカソードチューブは、以下の主たる特徴を有することができる。２４のビームレットを、各６ビームレットを含む４つの独立したガンのクラスタで一体としてもよい。６つのカソードを含む４つの原則的に別個のガンは、クラスタを備えてもよい。４つの別個のショートコレクタを用いてもよく、各ショートコレクタは比較的低いコレクタローディングを有する。共通する入力及び出力キャビティを用いてもよく、各キャビティはＴＭ_２１０四極モードで作動する。中間ゲインキャビティは、基本ＴＭ_０１０同軸モードで作動してもよい。効率を上げ、干渉領域を短縮するために、第二高調波バンチングキャビティを用いてもよい。２コイルマッチングレンズシステムにより、可変ビーム径とブリルアンパラメータを得ることができる。ガン領域で均一の磁場を有するガンソレノイドを用いてもよい。均一の磁場を有する補償コイルを出力部で用いてもよい。

また、４つのカソードの一つである、単一の６ビームレットガンを備え、別個に用いてもよい。これにより、他の用途のために簡易化したＲＦ源を提供することに加えて、全チューブを形成する前に、クライストロン全体の四分の一をテストすることが可能となる。例えば、（ＩＬＣを含む）将来の活用において、一つのクライオモジュールのキャビティに電力を供給するための低電圧２．５ＭＷのＬバンドチューブが求められる場合、大規模な１０ＭＷクライストロンと４つのクライオモジュールの間に高額な伝達導波管や他の部品が必要なくなる。明細書で説明するマルチビームクライストロンの態様の他の利点は、ホットディメンション問題を軽減し、自己励磁を回避する、簡易なガンデザインを提供することである。低密度カソード電流は、カソード寿命を長くすることを意味する。低い表面電場とビーム−キャビティ干渉領域における同一の電場プロファイルは、各ビームレットで見られる。隣接する高次のモードの競合問題は、シャントを用いてモード振動数をシフトすることで回避できる。デザインが単純なことで、容易にキャビティチューニングを行うことができる。

将来の大規模加速器は、国際的なプロジェクトになることは幅広く認識されている。例えば、予期される０．５−１．０ＴｅＶ国際リニアコライダーＩＬＣ、そして可能であればＣＬＩＣ等のそれに続くマルチＴｅＶ高勾配コライダー、または全世界のいくつかの研究所での高次試験から出現する別の高勾配デザインがあげられる。しかしながら、これらプロジェクトのいずれを進めるとの決定も、いかにニーズに対する物理学上の強要だとしても、最終的にはコストと複雑さ次第である。

明細書で説明する低電圧マルチビームクラスタクライストロンは、ＩＬＣ、より小さなＦＮＡＬプロジェクトＸプロトン加速器、及び他の加速器プロジェクトにおいて、コストと複雑さとの両方を減少する潜在力を有している。コスト削減により、低い電圧のチューブが得られる。これは、高電圧パルストランス、大規模な油入高電圧タンク、及び高電圧ケーブルが必要ないからである。また、高電圧設備に必要な大量の絶縁油を排除することで、危険を減らすことができる。さらに、チューブ自体も既存の高電圧１０ＭＷＬバンドマルチビームクライストロンよりもコストが低くなることが期待される。これは、必要とされる絶縁体が小さく、本質的にサイズが小さいからである。簡素化により、コンパクトなＩＧＢＴスイッチドモジュレータと、高出力ＲＦシステム全体の全設置面積と高さを小さくすることと、一つのトンネルのみを必要とするＩＬＣのデザインの可能性とが得られる。明細書で説明する１メートルの高さのチューブは、ガンソケットに直接設置されるコンパクトなモジュレータを備え、トンネルに垂直に設置することが考えられる。

明細書で説明するマルチカソードクライストロンの態様は、単一のカソードまたは各６ビームを含む４つのカソードのクラスタを含むことができる。チューブは、全てのビームについて共通の入力及び出力キャビティを有し、各クラスタに個別のガンキャビティを有していてもよい。１０ＭＷチューブにも用いられる、密接に関係する任意の構成として、全て共通の磁気回路内にある、４つの個別の入力キャビティと４つの２．５ＭＷ出力ポートを有する４つの完全に個別のキャビティクラスタを含めてもよい。この選択は、出力導波管が制御された雰囲気を必要とせず、また個別のＳＣ加速器キャビティに要求される位相と振幅の安定性を容易に達成できるため、魅力がある。

図１は、切り取られた部分を有する、例示的な１カソードＲＦ源の態様を示す。図１において、単一カソードクライストロン１００は、高電圧入力用の開口部１０２と、ビームレットカソード１０８で複数のビームレットを発生させるよう構成されたカソードセラミックス１０６を含むエレクトロンガン１０４とを含む。ビームレットドリフトチューブ１１０は、ビームレットカソードと入力キャビティ１１２との間を接続する。入力キャビティ１１２は、ビームレットとエレクトロンガンに共通して設けられる。一連のゲインキャビティ、例えばゲインキャビティ１１４、第二高調波キャビティ１１６、バンチングキャビティ１１８、そして最後から二番目のキャビティ１２０が、入力キャビティ１１２の後ろに一列に設けられる。キャビティのそれぞれは、複数の開口部を有し、各開口部はビームレットのそれぞれを通過させる。出力キャビティ１２２は、ゲインキャビティ１１４〜１２０のグループの末端で、入力キャビティ１１２の反対側に、各ビームレットに共通して設けられる。ビームコレクタ１２４は、クライストロンの末端で、エレクトロンガン１０４の反対側に、出力ＲＦ窓１２５を有する出力キャビティ１２４に隣接して設けられる。技術上の穴がビームコレクタにつながる。エレクトロンガン１０４とキャビティ１１２〜１２２は、クライストロンボディ１２６と磁気システム１２７で囲まれている。磁気システムは、ガンソレノイド１２８、一対のレンズコイル１３０、ソレノイドコイル１３２、及び出力部を囲むコイル１３４を含む。鉄プレート１３６が、キャビティセクション１３８を出力部１４０から分離する。図１の単一カソードＲＦ源は、少なくとも１ＭＷ、例えば約２．５ＭＷを発生する。

図２は、４カソード１０ＭＷクライストロン２００の一部切取図を示す。１０ＭＷクライストロンのクワドラント（quadrant）は、別個に構成され使用することができる。同様の要素には図１と同じ参照番号が付され、詳細な説明は行わない。４カソードクライストロン２００は、４つのカソード１０４を含む。単一カソード構成の場合と同様に、共通の入力キャビティ１１２と出力キャビティ１２２が設けられる。しかしながら、クラスタの各カソードについて、別個のゲインキャビティのセット、例えばゲインキャビティ１１４、第二高調波ゲインキャビティ１１６、及び第一及び第二の最後から二番目の（penultimate）ゲインキャビティ１１８、１２０が別個に設けられる。一つのビームコレクタ１２４がクラスタの単一のカソードからのビームレットのセットのそれぞれに別個に設けられる。技術上の穴（technological hole）２０２がビームレットのクラスタ間に設けられる。寸法はミリメートルで記載される。

２．５ＭＷのクワドラントの一つ、例えば図１の２．５ＭＷクライストロンのパラメータを、表４に示す。４カソード電力源は、高電圧入力用開口部を取り巻く、対象構造に設けられた４つのエレクトロンガンを含む。入力キャビティと出力キャビティは、各カソードの各ビームレットに共通する。磁気システムは、各カソードの各ビームレットに共通する。各レベルのゲインキャビティは、カソードのそれぞれに別個のキャビティを含む。このため、本実施形態において、各レベルのゲインキャビティは、４カソードそれぞれに対応する、４つのキャビティのセットを含む。同様に、出力部には、４つの電気的に独立したビームコレクタが設けられる。

所定のパラメータを有するマルチビームクライストロンの設計は、ビームレット、カソード、キャビティ、及びキャビティモードの配置の概念を持った上で、ビームシミュレーション用三次元コード（３Ｄ）を用いて配置を最適化することを含むことができる。設計はまた、３Ｄ効果を最小限にし、ビームダイナミックスシミュレーション用二次元（２Ｄ）コードを用いることで、２Ｄに問題を縮小することを含むことができる。このアプローチにおいて、各ビームレットは、ガン、干渉領域、ソレノイド、キャビティ、及びビームコレクタにおいて２Ｄ実体と見做される。このアプローチは、装置の設計プロセスを大幅に促進できる。もちろん３Ｄ効果の影響の推定は必要となるが、これは２Ｄ設計を入手した後で行うことができる。

ビームレットは、各グループ（クラスタ）毎に６ビームレットの、４つのグループに分けられる。入力及び出力キャビティは、全てのビームレットに共通する。中間キャビティは、各クラスタの６ビームレットに共通させることができる。ビーム力学の最適化において、高効率と５０ｄＢのゲインを達成するために、各ビームレットがキャビティの６つのギャップと干渉する必要があることがわかった。このため、キャビティの合計は、４×４＋２＝１８となる。ドリフトチューブの長さと、キャビティの共振周波数は最適化でされ得る。

キャビティレイアウトの例示配置としては、５つの主高調波キャビティと１つの第二高調波キャビティ（３番目のもの）を含むことができる。図３は、ＤＩＳＣＬＹコードで充足された、一次元（１Ｄ）シミュレーションを示す。最後から二番目のキャビティと、出力キャビティ間の距離を、８０ｍｍまで増加させることができる。より短い距離の場合、反射電子が生じる。他のレイアウトにより、反射粒子の存在が示される。

図４及び図５は、図２に示すクライストロンのガン領域のレイアウトの局所拡大図である。図６ａ及び図６ｂは、図２に示すクライストロンの出力領域のレイアウトの拡大図を示す。

上述した通り、１０ＭＷクライストロンの各クワドラントは、独立している見做すことができる。６０ｋＶ、１２．５Ａのエレクトロンビームレットを発する６つのカソードを有する２．５ＭＷクラスタダイオードガンを組み合わせることで、マルチビームクライストロンの複合１０ＭＷＲＦシステムで選択される最適のデザインが得られる。１０ＭＷシステムは、良好なビームフォーカスと、高平均電力で動作するために不可欠な電流遮断がないこととを提供するために、約１ｋＧのアキシャルガイド磁場（axial guide magnetic field）を含んでもよい。

ドライブ及び出力キャビティは、チューブ運転の全ての可能な体制において、許容範囲の表面磁場、良好な出力効率、及び寄生自己励磁（parasitic self-excitation）の防止を保証するように構成されるべきである。出力キャビティは、２つのＷＲ−６５０出力導波管に結合すべきである。

（キャビティ）
同様な形状の別個のドリフトチューブを有するキャビティを用いることもできる。これらは、マルチパクタと接続されてもなんら問題を生じず、またビーム不安定性も生じない。別個のドリフトチューブを用いた構成は、第二高調波の周波数、２．６GHｚ、に近いモード周波数の好ましいスペクトルを提供する。過渡時間角度の小さい出力キャビティは当該周波数に対して高いインピーダンスとなるため、高いモードの一つの周波数がチューブ運転周波数の高調波である２．６GHzに近い場合には、当該周波数で発生する場の振幅は危険なほど高くなる可能性がある。

リングレッジ（ring ledge）を有するキャビティを用いることもできるが、この構成の場合には製造費用が増加する可能性があることに留意すべきである。

入力及び出力キャビティのサイズを規定する２つの主パラメータは、（１）カソードの中心から中心までの距離、例えば約４６ｍｍ、及び（２）クラスタの中心から中心までの距離、例えば２０６．５ｍｍ、である。これら寸法は、ガンを位置する円の半径を１４６ｍｍに等しく設定する。同様に、これらサイズは、ガンの全体パラメータ（カソードのローディング、電場の強度）により規定される。サイズが１４６ｍｍより大きくなると、隣接する寄生モードとの距離を動作周波数まで減少させる。

各キャビティをわずかに異なる外形で形成することも有利である。この例示的実施形態は、図１と図２で示すキャビティに図示される。例えば、最後から二番目のキャビティPC＃２は丸み付けの半径が増加していてもよい。

（隣接モード）
隣接寄生モードの共振周波数は、可能な限り運転モードの周波数から離すべきである。直近の高モード及び低モードの周波数間のギャップの増加は、既存の形状では不可能な、キャビティの領域間の電気的結合の増加を意味する。次モードのチューニングは、キャビティ容積に位置された誘導及びコンデンサ要素により行われる。例示的実施形態において、直近の高モード及び低モードのシフトした周波数は約７０MHｚである。ビーム電流のＲＦ高調波に近い周波数のキャビティのモードもまた危険な場合がある。これも離調が必要となる。出力キャビティの出力回路は、振幅を減少させるようにモードをロードすべきである。

入力キャビティの寸法と公差を表５に示す。キャビティレイアウトと寸法を図７ａ及び図７bに示す。（図７aと図７bのライン１、２、３に沿って）３チャンネル全てで計算された（Ｒ／Ｑ）は、互いに近い数値であり、よく釣り合っていることを示している。図７ａ及び図７ｂにおいて、入力キャビティ構成と寸法はミリメートルで示す。

寄生モードスペクトラムは以下の通りであり、モード周波数は表６にＭＨｚで示す。

図８ａ及び図８ｂは、出力キャビティの例示寸法をｍｍで示す。出力キャビティの例示パラメータは表７に示す。

図９ａ及び図９ｂは、出力キャビティの横断面でのＲＦ電磁場を示す。図９ａは、表面ｚ＝０の電場強度｜Ｅ｜_XYSurfaceを示す。図９ｂは、表面ｚ＝０の磁場H_HYSurfaceを示す。

図１０ａは、出力キャビティの縦断面でのＲＦ電磁場を示す。ギャップ領域の電場を示す。図１０ｂは、異なるチャンネルの縦電場を示す。図１０ｂは、ライン１、２、３に沿ったギャップでの電場がほぼ同一であることを示す。

図１１は、運転モードでの境界条件を示す。ＨＨ、ＨＥ、及びＥＥ境界条件を壁上で結合すると、全ての可能なモードがカバーされる。出力キャビティのパラメータを表８に示す。図１１は、境界条件を対称面上で結合すると、隣接寄生モードのスペクトラムを計算できることを示す。

ゲインキャビティは六方対称である。ゲインキャビティの形状の１／１２により運転及び近隣寄生モードの計算を可能にする。図１２は、ゲインキャビティの例示的断面を示す。対応する電場パターンを図１３に示す。表９は、ゲインキャビティの例示寸法を示す。数式１をゲインキャビティの３０°のＲ／Ｑ計算に使用できる。

図１３ａは、例示寸法を有するゲインキャビティの電場パターンを示す。図１３ｂは、ビーム軸に対して異なるオフセットを有する異なるライン沿いの電場分布を示す。図１３ｂは異なるラインについて、隣接するドリフトチューブの影響による非対称の許容量を示す。

図１４ａ及び１４ｂは、第二ゲインキャビティの例示寸法を示す。数式２を第二ゲインキャビティの３０°形状のＲ／Ｑ計算に用いることができる。第二ゲインキャビティの例示寸法は表１０に示す。

図１５は、最後から二番目のゲインキャビティ１の例示寸法を示す。最後から二番目のゲインキャビティ２の例示寸法は表１１に示す。

図１６は、最後から二番目のゲインキャビティ２の例示寸法を示す。最後から二番目のゲインキャビティ２の例示寸法は表１２に示す。

表１３において、ビームロード品質（beam load Quality）は４００、ビーム離調は、１Dシミュレーションに基づき−２ＭＨｚであった。安定のため、またより幅広いバンド幅を得るため、及びQロード（Q_loaded）を約３００にするため、わずかにオーバーカップルすることも有益である。これにより、わずかにゲイン損失が生じるかもしれない。

（磁気システム）
磁気システムは、最大チューブ効率を提供する最適な磁場プロファイルを得られるよう構成すべきである。磁気システムはまた、エレクトロンガンと最適なビームマッチングを提供し、ピーク電力が最大約１０ＭＷで、平均電力が最大約３００ｋＷであるような、４セクションビームコレクタでのビームの最適なビーム分散を提供するように構成すべきである。

磁気システムは、鉄ポールピースにより、独自制御の領域に分割される。これらはガンの領域であり、対応する光学システムは、一対のレンズ、ソレノイド、及び出力コイルを備える。コイルのシステムは、各ビームレットの軸の横磁場の補償を、縦磁場の±０．５％のレベルで提供する。補償なしの値は、ビーム電流で発生した磁場の角度成分である。磁気システムの断面は、全ビーム電流が占有する十分な広さを提供できるよう構成されるべきである。当該電流で発生した横磁場は、上記レベルを超えてはならない。提案する磁気システムは、ソレノイドの磁場に必要な大きさである１ｋＧｓと、わずかな接線磁場とを提供する。軸からのビームレットの偏向は、約０．５ｍｍを超えてはならない。

他の特徴として、幅広いパラメータにわたりビームレットの焦点を提供する、一対のマッチングレンズも挙げられる。出力部における独立して調節可能な磁場は、クライストロンの効率を最適化し、壁のビームへの電流遮断を最小化することができる。接線磁場の源を検討し、最小限にすることもできる。

図１６は、磁気システムの全体図であり、その部品の相対配置を示す。システムの磁気要素は、レンズ、ソレノイド、及び出力部を含むことができる。ソレノイドと出力部を分離するために、鉄板を用いてもよい。これにより、ソレノイドと出力部での磁場の均一性を高めることができる。また、これにより、出力部の磁場を独立して同調可能とする。レンズ部の鉄の磁場のピーク値は約１０ｋＧｓであり、出力部の鉄の磁場のピーク値は約１３ｋＧｓである。

図１７は、電磁システムの要素を示す。図１７において、鉄ポールピースの厚み（＃）は増加可能である。これはガンの特性とビームの整調を変更しない。（*）を付した寸法は、ガンのサイズに依存し、増加することができる。ソレノイド巻線のサイズ（**）は、巻線のデザインに依存し、変更することができる。（***）を付した例示寸法は上述の通りである。中央技術上の穴（****）は磁場の均一性を損なうものではない。

図１８は、磁気システムの要素の出力部の構成を示す。

図１９ａは、磁気システムの出力部の構成を示す。図１９ｂは、ソレノイドの直径を減少させた、磁気システムの出力部の変化態様を示す。ソレノイドの直径はいくらか減少できるが、出力部の直径は減少させるべきではない。出力部の直径を減少させることは、出力部（*）の磁場の均一性を損なわせる。直径は、入力ＲＦ回路の穴のサイズに依存する。

横（径方向）磁場の源は、（１）素材の最終透磁性、（２）チューブの鉄ポールピースと磁気システムのポールピースとの間の技術上のギャップ、（３）装置の鉄ポールピースの位置と磁気システムのポールピースとの間の軸ずれ、及び（４）磁気システムの巻線と鉄との間の技術上のギャップ、を含む。

素材の最終透磁性について、大気側からは、磁場の要素の鉄の表面の接線があり、それは
に等しい。この値は、ソレノイドの部分では重要ではない。縦磁場が強くないガンの部分では、はっきり区別でき、
に等しい。この値は許容できる。

チューブの鉄ポールピースと磁気システムのポールピースとの技術上のギャップ及び軸ズレについて、他の表面に対する一表面のズレ、例えば０．２ｍｍに等しいギャップ寸法について０．６ｍｍのズレは、ソレノイドの部分のパラメータを
に等しくし、これは許容できない。

磁気システムの巻線と鉄との間の技術上のギャップについて、巻線と鉄の平面との間には必然的に技術上のギャップが存在する。摂動した磁場は、ギャップと磁場のないソレノイドの、ギャップの容積を満たすコイルにより
に等しい電流で発生する、摂動なしの磁場の重畳として表現される。この電流の方向はソレノイドの電流の方向と反対である。この摂動は十分に強力であり、
となる。

図２０は、鉄ポールピースの技術上のギャップが横／径方向の磁場の源となりうることを示す。図２１は、巻線と鉄の間の技術上のギャップが横磁場の源となりうることを示す。

（補償コイル）
これら４種類の摂動を補償するため、補償コイルを用いることができる。補償コイルの電流は、数式３で得られる値の近似に等しく、ソレノイドの電流の方向に一致する必要がある。

図２２は、補償の結果を示す。ソレノイドの横成分
が回復できる。図２３は、磁気システムにおける補償コイルの例示的配置を示す。

図２４は、ガンの領域に存在する可能性のある磁場の摂動を示す。鉄ポールピースのギャップが、ガンの領域で磁場を発生させる。

図２５は、磁気システムのガン部での補償コイルの配置を示す。図２６は、ガン部での磁場の横成分を減少させる補償の結果を示す。例えば、
となる。

横磁場の許容値には基準がある。Ｚ軸に沿って動く粒子の場合、縦磁場Ｂ_Ｚが、磁場Ｂ_Ｒの横成分としても作用する。粒子は、半径Ｒのサイクロトロン回転を開始し、それは
として表せる。

横磁場Ｂ_Ｒが長さＬで一定の場合、平均的な粒子は値Ｒの摂動なしの軌道Ｂ_Ｒ・Ｌ＝Ｒ・Ｂ_Ｚから離れる。このため、空間電荷からの力を考慮しない場合、横磁場の値に対して許容できる大まかな基準を以下の通り表すことができる。
ただし、Ｒはビームの最大偏差である。Ｒ＝０．０５ｃｍ、Ｂ_Ｚ＝１ｋＧｓで横磁場が短く拡大された場合、
となる。横に拡大された磁場基準の長さＬ＝５０ｃｍのソレノイドの場合、
となる。

図２７は、ビームレット穴のない磁気システムの部分切取図で、磁気システムの３Ｄ摂動の態様を示す。磁場の３Ｄ不均一性の源となりえるのは、導波管の鉄の穴と、鉄ポールピースのビームレット用穴が含まれる。

広い面積では、鉄と銅との真空接続の問題が生じる可能性がある。ビームレット用穴間の距離は、３８０ｍｍである。このサイズにおいて、温度、例えば５００度に対する、鉄と銅の熱膨張係数の差は０．６ｍｍの値を取る。これは、ロウ付け、及び技術上の加熱において、大きな変形がおこり、信頼性のある真空接続が不可能であるということを意味する。この問題は、明細書で示すような、銅と鉄のリングの真空ロウ付けに関して生じるものではない。ポールピースの他の部分も、熱膨張を補償するため小さくずれる可能性がある。

熱変形は、機械的応力に帰結しない。鉄リングは、ビームレットの軸に関して対称的に位置し、装置の組み立て後の鉄ポールピースの他の部分での可能性のある小さなずれで起きる非対称性を補償する。当該問題に他の解決方法を適用してもよい。

図２８は、レンズ領域を示す。レンズ領域は、図示したように、鉄と銅が互いにずれることで問題が発生する領域である。シールドリングを設置することにより、例えば、
と、横磁場を大幅に減少させることが出来る。鉄の穴がビーム軸に関して１ｍｍずれると、ビームの顕著な摂動に帰結し、例えば、
と、許容できない。

システムは更に、出力キャビティから二つの一体化した出力導波管と窓への結合配置を含むこともできる。図２９で、出力導波管と窓の配置を示す。ＨＦＳＳを用いた計算から、ビームレット用の条件の均一性の減少と、不均一性の減少のためのキャビティの形状の修正の必要性が明らかになる。図２９は、例示的な２．５ＭＷクライストロンでの出力キャビティの電磁場のマップを示す。

（クラスタダイオードガン）
態様によっては、６つのカソードを有する２．５ＭＷクラスタダイオードガンと、６０ｋＶ、１２．５Aのエレクトロンビームレットを生成する、混合１０ＭＷガンとを含んでもよい。カソードの電流密度は、２．７A/cm^２を超えてはならない。これにより、良好なビームフォーカスと、高い平均電力で運転するために必須な電流遮断がないこととを提供するために、約１ｋGのアキシャルガイド磁場を有するマルチビームクライストロンのＲＦシステムに取り入れることができる。

態様ではまた、マッチングダブルレンズ磁気システムを含んでもよい。これにより、チューブ調整に便利なツールとなりうる。ソレノイド内で、ガン、レンズの領域において独自に磁場を変更することは、幅広いビーム直径において波打たせることなくビームを一致させることができ、また磁場をブリルアン場の１から２倍以上変更することができる。表１４から１６は、当該ガンの例示パラメータと、対応する磁気システムパラメータを示す。

カソードとビーム光学に関して、カソードの寿命と、フォーカシング電極の表面の電場の強度を６５ｋＶｃｍに減少させるという両方の観点から、２．１Ａｃｍ^２に等しい低いカソードローディングの選択が望ましい。電場の強度を６５ｋＶｃｍに減少させることは、ミリセカンド以上の電圧パルス幅の電子デバイスにおいて安全だと考えられている。カソード形状の選択により、この数値を最小にすることもできる。直近のビームレットとそのカソードから生じる３Ｄ効果の推定によれば、５％を超えない。これは、３Ｄ形状でのパービアンスがモデルベースの２Ｄ形状と約５％異なり、ビームレットの輪郭で形成される楕円の軸の差は５％を越えないことを暗示する。この基準は、許容可能に見える。ビームはカソード条件にある程度敏感であるが、制限流量を適用し、ブリルアン場の２倍の値にまで磁場を増加させることで、その形状を十分に安定化できる。

クラスタガンに関して、実用上、ガンは６つのビームレットカソードを有する、４つの構造的に独立したクラスタガンに各々分割される。これは、１９．６に等しい、必要とされる全マイクロパービアンスの膨大さから決定される。このようなパービアンスのガンは寄生振動の影響を受けやすい。全マイクロパービアンスが５であるクラスタガンでは、この危険性を回避できる。近隣のクラスタガンの電気的結合は可能である。ガンタンクに吸収素材を適用することにより、必要に応じて更に寄生振動を抑制することができる。

図３０ａ及び図３０ｂは、ガン用の磁気システムの入力部を示す。鉄の電磁誘導を減少させるため、鉄ポールピースの厚みを増加させることができる。これにより、レンズの特性が変更されることはない。図３０ｂは、対応する電場マップを示す。

図３１ａ及び図３１ｂは、ガン形状の例示、及び対応する座標点の表を示す。

図３２ａ及び図３２ｂは、フォーカシング電極を含めることによる、ビーム特徴への影響を示す。

図３３は、ガン構成の例示寸法を示す。

図３４ａ及び図３４ｂは、クラスタカソードの一部切取図を示す。図３５は、一部切り取られたカソード及びアノードを示す。図３６は、１０ＭＷクライストロン内で、互いに相対して位置した、クラスタカソードを示す。

（ビームコレクタ）
態様は更に、最大３ＭＷのピーク電力で最大７５ｋＷの平均電力を有するビームで動作できるビームコレクタを含んでもよい。コレクタの容量は、寄生振動をサポートし、また遅延電子の一部をビームの空間電荷電場により反射すべきである。このため、当該チューブのコレクタは、空間電荷効果を減少させるため、４つの電気的に独立した部分に分割することができる。同時に、コレクタへの容認できる熱負荷を維持しつつ、これにより長さを減少させることができる。コレクタのサイズを更に減少させることは、各ビームレットに一つずつ、２４個の独立したマイクロコレクタを用いることで達成できる。

運転周波数に関して１００ＭＨｚで離調することで、第４キャビティの電圧を減少させることは、ビームにおけるエネルギーの広がりの減少と反射の消滅をもたらす。しかしながら、効率は、６６．６％から６５．３％に減少する。

出力の円錐へのビームの衝撃は劇的なものではない。冷却したコレクタにおいて自然なプロセスである。ここでは、電力の密度はどちらかといえば重要ではない。

図３７は、６つの穴を有する例示的コレクタを示す。この６穴クラスタコレクタの性能を、表１７に示す。

６ビームレットクラスタのコレクタはまた、共通の穴が形成されていてもよい。この実施形態では、６つのビームは、リングビームで代替される。リングの幅は、ビームレットの直径に等しい。リングビームの電流は、６つのビームレットの電流に等しい。Ｉ_ＢＥＡＭ＝６・１２Ａである。ビームの電圧は、Ｖ_ＢＥＡＭ＝（１−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）・６０ｋＶに等しい。ビームの発散角度は、ビームレットの発散角度に等しい。共通の穴を有するコレクタの性能を、表１８に示す。

最大１００Ｗ／ｃｍ^２のコレクタの平均電力密度（ローディング）は許容できると考えられる。そして、同様に、長い運転時間では、パルス電力密度（１．５ｍｓ、１０Ｈｚ）として５０００Ｗ／ｃｍ^２の値は許容できると考えられる。

ビームの変調の消滅は、緊急時（ローディングが約２５０Ｗ／ｃｍ^２）と見做すのに必要であり、次の電流のパルスの開始前（１００ｍｃ）に電力供給を停止することが必要である。

共通穴を有するコレクタは、６穴を有するコレクタ（６０Ｗ／ｃｍ^２）に比べて、低いローディング（２５Ｗ／ｃｍ^２）を有する。より広い表面を有し、一定のより多い間隔でロードされる。コレクタの長さを３５０ｍｍ以上にすることは、ローディングを更に減少させることにつながらない。最大のローディングはその初期部分にある。

ビームの電圧に大きな変化がある場合、１０〜１２ｋＶ以下の電圧の変調ビームの一部は、ドリフトチューブ内で反射され得る。コレクタ内におけるビームの自己励磁の危険性も高くなる。このため、電力密度の６０Ｗ／ｃｍ^２の熱遮断を提供するコレクタの設計においては、６穴のコレクタが好ましい。

表１９はキャビティの整調の例示を示す。

各種の態様や特徴は、多数の装置、部品、モジュール等を含むシステムの観点で提示される。各種システムは、追加の装置、部品、モジュール等を含むことができ、及び／又は図面に関連して説明した装置、部品、モジュール等の全てを含まないことができることは当然である。こうしたアプローチの組み合わせも用いることができる。

上記内容は実施形態及び／又は実施態様を説明したが、特許請求の範囲で規定した態様や形態の範囲からはずれることなく、各種変更を加えることができる。また、形態及び／又は態様を単数形で説明したり特許請求したりしていても、明示的に単数と制限する場合を除き複数形も予期される。また、特に明記しない限り、態様及び／又は形態の全部または一部を、他の態様及び／又は形態の全部または一部と利用することも可能である。

本発明は上記例示実施とあわせて説明したが、既知のまたは現在では発見できないものであっても少なくとも当業者には自明である、各種代替手段、改良、変更、改善、及び／又は実質的な等価物を用いることができる。このため、上記本願発明の例示実施は、説明目的であり、限定目的ではない。本願発明の精神と範囲を逸脱することなく、各種変更をもたらすことができる。このため、本願発明は、既知のまたは今後開発される各種代替手段、改良、変更、改善、及び／又は実質的な等価物を全て含むことを意図する。

Claims

複数のエレクトロンガンを備える低電圧マルチビームＲＦ源であって、
前記複数のエレクトロガンの各エレクトロガンは、前記各エレクトロガンが複数のエレクトロンビームを発生するように、各カソードがエレクトロンビームを発生する複数のカソードを有し、
前記複数のエレクトロガンの任意の一のエレクトロガンの複数のエレクトロンビームが前記一のエレクトロンガンの軸を囲む第１円上に一定間隔で入射されるように、前記一のエレクトロンガンの複数のカソードごとの軸が前記一のエレクトロンガンの軸を囲む前記第１円上に一定間隔で位置付けられ、
前記複数のエレクトロンガンごとの軸が前記ＲＦ源の中心軸を囲む第２円上に一定間隔で位置付けられることを特徴とするＲＦ源。
請求項１記載のＲＦ源であって、
入力キャビティと、
出力キャビティと、
前記複数のエレクトロガンの各々に対応し、前記入力キャビティと前記出力キャビティとの間に設けられた一連のゲインキャビティとをさらに備え、
前記入力キャビティ及び前記出力キャビティが前記ＲＦ源の発生した複数のエレクトロンビームすべてに共通し、前記一連のゲインキャビティが各エレクトロンガンによって発生した複数のエレクトロンビームにのみ共通することを特徴とするＲＦ源。
請求項２記載のＲＦ源であって、
前記一連のゲインキャビティの数がエレクトロンガンの数と等しく、前記一連のゲインキャビティの各々が前記ＲＦ源の中心軸を囲む前記第２円上に一定間隔で位置付けられ、
前記一連のゲインキャビティの各々の軸が前記一連のゲインキャビティの各々に対応するエレクトロンガンの軸と一致することを特徴とするＲＦ源。
請求項３記載のＲＦ源であって、
前記入力キャビティ及び前記出力キャビティは前記エレクトロンガンの数と等しい複数の開口のセットを有するトーラスに構成され、前記開口のセット各々は前記トーラスの軸のまわりに配置され、
前記開口のセットの各々の軸は前記エレクトロンガンの一つの軸と一致し、
一つのエレクトロンガンによって発生した複数のエレクトロンビーム各々の開口は各セットの開口の軸のまわりに設けられ、前記開口は一定間隔で配置されることを特徴とするＲＦ源。
請求項３記載のＲＦ源であって、
複数のマルチホールビームコレクタをさらに備え、
各マルチホールビームコレクタが、前記エレクトロンガンごとに対応し、複数のエレクトロンビーム回収開口を有し、
前記複数のエレクトロンビーム回収開口ごとの軸が前記マルチホールビームコレクタの軸を囲む円上に一定間隔で配置され、
前記複数のマルチホールビームコレクタごとの軸が前記ＲＦ源の中心軸のまわりの円上に一定間隔で配置されることを特徴とするＲＦ源。