JP2020532084A - 内部変調機能付きマグネトロンrf源を使用したパルス電力生成 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]G. Kazakevich, "High-Power Magnetron RF Source for Intensity-Frontier Superconducting Linacs", EIC 2014, TUDF1132, http://appora.fnal.gov/pls/eic14/agenda.full, (2014) [2]G. Kazakevich, R. Johnson, V. Lebedev, V. Yakovlev, V. Pavlov, "Resonant interaction of the electron beam with a synchronous wave in controlled magnetrons for high-current superconducting accelerators", Phys. Rew. Accelerators and Beams 21, 062001 (2018) [3]G. Kazakevich, V. Lebedev, V. Yakovlev, V. Pavlov, "An efficient magnetron transmitter for superconducting accelerators", Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Research, A839, 43-51 (2016) [4]P. L. Kapitza, HIGH POWER ELECTRONICS, Sov. Phys. Uspekhi, V 5, # 5, 777-826, (1963) [5]B. Chase, R. Pasquinelli, E. Cullerton, P. Varghese, "Precision vector control of a superconducting RF cavity driven by an injection locked magnetron", JINST, 10, P03007, (2015) [6]G. Kazakevich, R. Johnson, G. Flanagan, F. Marhauser, V. Yakovlev, B. Chase, V. Lebedev, S. Nagaitsev, R. Pasquinelli, N. Solyak, K. Quinn, D. Wolff, V. Pavlov, "High-power magnetron transmitter as an RF source for superconducting linear accelerators", Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Research, A 760, 19-27, (2014)
現在のマグネトロン送信機の概念の理論的実証は、電荷ドリフト近似の理論([4])や、マグネトロンに適用される摂動の理論([3])に基づいており、マグネトロンの共振相互作用理論の動力学モデル([2])に基づいて開発されている。
提案された概念の実験的検証は、自励のしきい値未満の電圧で給電されるパルスCW形態で動作する2.45GHzの1kWマグネトロンで行われた。マグネトロンが十分な注入共振信号によって駆動された場合、自励しきい値未満のカソード電圧で低ノイズのマグネトロンの安定動作が実証された([2][3])。2.5GHzの1.2kWマグネトロンタイプ2M137−ILを使用したCW形態では、より詳細な測定が実行された。
種々の実施形態において、必要なパルスRF電力が数十キロワットに制限される場合、パルスRF電力生成のためのシステムは、マグネトロン出力でパルスRF信号を生成するように構成されたRFパルス送信機を含むことができる。送信機は、マグネトロンと、フェライトサーキュレータまたはフェライトサーキュレータシステムと、DC電源とを含むことができる。フェライトサーキュレータ(またはフェライトサーキュレータシステム)は、マグネトロンの内部変調を制御する入力パルスRF信号を、これらのコンポーネントの指向性によりパルスマグネトロン出力信号から分離するために使用される。DC電源は、自励しきい値電圧よりもやや低い電圧レベルでマグネトロンに電力を供給するように構成することができる。マグネトロンを制御する入力パルス信号は、真空管が自励しきい値電圧未満で駆動される場合にマグネトロンのオンオフを切り替えてパルス出力RF信号を生成するのに十分とされる(マグネトロン公称電力の約10%を必要とする)ように構成することができる。
1122:注入パルス共振RF信号により駆動され、自励しきい値未満の電圧が供給される低電力マグネトロン、
1123:カソード電圧で制御される高電力インジェクションロックマグネトロン、
1124A,B:第1および第2のRF整合負荷、
1125A,B:第1および第2の4ポートサーキュレータ、
1126:高電力マグネトロンで駆動される加速空洞(例えば、SRF加速空洞)、
1127A,B:第1および第2のRF結合器(1127AはSRF空洞の給電用、1127BはSRF空洞内の加速場の位相および振幅の測定用)、
1128:高電力マグネトロン用HV−DC電源、
1129:低電力マグネトロン用のHV−DC電源、
1130:RFプローブ(SRF空洞内の加速場の位相および振幅の測定用)、
1131:LLRFシステム内の位相および電力コントローラ、
1132:パルスRF高電力マグネトロンの出力。
図11に示された送信機は、HV変調器を使用せずにSRF空洞のパルス給電用の内部変調を行う費用対効果の高い高電力パルス2段RF電源([6])とすることができる。RF源は、加速電圧を安定させるために、SRFパルス加速器に適した速度でRF出力信号の位相および電力を制御することができる。図示された送信機は、インジェクションロック式の2段カスケードマグネトロンシステムに基づいている。この制御は、RFプローブで測定された空洞内の加速電圧の振幅と位相を必要なパラメータと比較することによって実現することができる。図示の実施形態では、入力1121によって受信された注入パルス共振RF信号は、第1の4ポートサーキュレータ1125Aを介して低電力マグネトロン1122を駆動する。低電力マグネトロン1122は、その自励しきい値未満で動作し、注入パルス共振(インジェクションロック)RF信号によってオンオフが切り替えられる。次いで、低電力マグネトロン1122のインジェクションロックパルス出力RF信号が、4ポートサーキュレータ1125A,Bを介して方向付けられ、その自励しきい値未満で動作する高電力マグネトロン1123に入力される。高電力マグネトロン1123の出力パルスRF電力は、第1のRF結合器1127Aを介してSRF空洞1126を駆動する。この出力RF信号は、LLRFシステムを制御する位相フィードバックループ内において、注入パルス共振RF信号の位相をRFプローブ1130によって測定された信号の位相と比較する位相および電力コントローラ1131を使用して広帯域で同相に制御される。この制御は、文献[3]に示されているように、入力インジェクションロック信号の位相変調を使用する。低電力マグネトロン1122は、自励しきい値未満の給電電圧で安定して動作しかつ低電力マグネトロン1122によってオンオフが切り替えられる高電力マグネトロン1123の広帯域位相制御に必要なインジェクションロックパルスRF信号を提供する。SRF空洞1126を駆動する出力信号の電力制御は、位相および電力コントローラ1131を介してHV−DC電源1128を制御しRFプローブ1130による加速空洞1126内のパルスRF加速場の振幅の測定結果を基にする高電力マグネトロン1123の電流を変化させることによって実現することができる。
本主題のいくつかの非限定的な実施例(実施例1〜20)は、以下のとおり提供される。
実施例12において、実施例10,11のいずれか1つまたはその組み合わせの主題は、任意で、1つまたは複数のサーキュレータを使用して前記パルスRF送信機入力信号から前記パルスRF送信機出力信号を分離することをさらに含み得る。
Claims (20)
- 無線周波数(RF)電力生成のためのシステムであって、
第1のパルスマグネトロン出力信号を使用してパルスRF送信機出力信号を生成するように構成されたRFパルス送信機を備え、前記RFパルス送信機が、
パルスRF送信機入力信号を受信する送信機入力と、
パルスRF送信機出力信号を送信する送信機出力と、
第1の自励しきい値電圧を有し、前記第1の自励しきい値電圧未満の第1の電圧レベルで駆動されているときに前記パルスRF送信機入力信号を使用した内部変調動作により前記第1のパルスマグネトロン出力信号を生成するように構成された第1のマグネトロンと、
前記第1のマグネトロンに電力を供給するように構成された第1の直流(DC)電源と、を含む、システム。 - 前記送信機出力に結合され、前記パルスRF送信機出力信号を受信して、前記パルスRF送信機出力信号により駆動されるように構成された超伝導RF加速空洞をさらに備える請求項1に記載のシステム。
- 前記RFパルス送信機が、前記第1のマグネトロンへの前記パルスRF送信機入力信号の方向付けと、前記送信機出力への前記第1のパルスマグネトロン出力信号の方向付けとを同時に行って前記RFパルス送信機を反射波から保護するように構成された1つまたは複数のサーキュレータをさらに含む、請求項1または2に記載のシステム。
- 前記RFパルス送信機が、前記送信機入力と前記第1のマグネトロンとの間に結合されて前記パルスRF送信機入力信号の測定を可能にするように構成された第1方向性結合器と、前記第1のマグネトロンと前記送信機出力との間に結合されて前記パルスRF送信機出力信号の測定を可能にするように構成された第2方向性結合器とのうちの少なくとも一方をさらに含む、請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載のシステム。
- 前記RFパルス送信機が、前記パルスRF送信機入力信号および前記パルスRF送信機出力信号を測定し、当該測定結果を使用して前記第1のDC電源を制御するように構成された低レベルRFシステムをさらに含む、請求項4に記載のシステム。
- 前記RFパルス送信機が、
第2の自励しきい値電圧を有し、前記第1のマグネトロンと直列に接続され、前記第2の自励しきい値電圧未満の第2の電圧レベルで駆動されているときに前記第1のパルスマグネトロン出力信号を使用した内部変調動作により第2のパルスマグネトロン出力信号を生成するように構成された第2のマグネトロンと、
前記第2のマグネトロンに電力を供給するように構成された第2の直流(DC)電源と、
をさらに含み、
前記RFパルス送信機が、前記第2のパルスマグネトロン出力信号を前記送信機出力へ方向付けて前記パルスRF送信機出力信号として送信するように構成されている、請求項1または2に記載のシステム。 - 前記RFパルス送信機が、前記第1のマグネトロンへの前記パルスRF送信機入力信号の方向付けと、前記第2のマグネトロンへの前記第1のパルスマグネトロン出力信号の方向付けと、前記送信機出力への前記第2のパルスマグネトロン出力信号の方向付けとを同時に行って前記RFパルス送信機を反射波から保護するように構成された4ポートサーキュレータをさらに含む、請求項6に記載のシステム。
- 前記RFパルス送信機が、前記第2のDC電源を制御することにより前記パルスRF送信機出力信号の電力を制御するように構成された位相および電力コントローラをさらに含む、請求項6または7に記載のシステム。
- 前記送信機出力に結合され、前記パルスRF送信機出力信号を受信して、前記パルスRF送信機出力信号により駆動されるように構成された超伝導RF(SRF)加速空洞をさらに備え、前記RFパルス送信機が、前記SRF加速空洞のパルスRF加速場の位相および振幅を測定するように構成されたRFプローブをさらに含み、前記位相および電力コントローラが、前記パルスRF加速場の前記測定された位相を前記パルスRF送信機入力信号の位相と比較することに基づいて前記パルスRF加速場の位相を制御するとともに、前記パルスRF加速場の前記測定された振幅に基づいて前記パルスRF送信機出力信号の電力を制御するように構成されている、請求項6〜8のうちのいずれか一項に記載のシステム。
- 無線周波数(RF)電力生成のための方法であって、
パルスRF送信機入力信号を受信すること、
第1の自励しきい値電圧を有する第1のマグネトロンを動作させることであって、
第1の直流(DC)電源を使用して、前記第1の自励しきい値電圧未満の第1の電圧レベルで前記第1のマグネトロンを駆動すること、
前記パルスRF送信機入力信号を使用した内部変調によって第1のパルスマグネトロン出力信号を生成すること、
を含む前記第1のマグネトロンを動作させること、
前記第1のパルスマグネトロン出力信号を使用してパルスRF送信機出力信号を生成すること、を備える方法。 - 前記パルスRF送信機出力信号を使用して超伝導RF加速空洞を駆動することをさらに備える請求項10に記載の方法。
- 1つまたは複数のサーキュレータを使用して前記パルスRF送信機入力信号から前記パルスRF送信機出力信号を分離することをさらに備える請求項10または11に記載の方法。
- 前記パルスRF送信機入力信号および前記パルスRF送信機出力信号を測定すること、
当該測定結果を使用して前記第1のDC電源を制御すること、
をさらに備える請求項10〜12のうちのいずれか一項に記載の方法。 - 第2の自励しきい値電圧を有する第2のマグネトロンを動作させることであって、
第2のDC電源を使用して、前記第2の自励しきい値電圧未満の第2の電圧レベルで前記第2のマグネトロンを駆動すること、
前記第1のパルスマグネトロン出力信号を使用した内部変調により第2のパルスマグネトロン出力信号を生成すること、
を含む前記第2のマグネトロンを動作させること、
前記第2のパルスマグネトロン出力信号を前記パルスRF送信機出力信号として送信すること、
をさらに備える請求項10または11に記載の方法。 - サーキュレータを使用して、前記第1のマグネトロンへの前記パルスRF送信機入力信号の方向付けと、前記第2のマグネトロンへの前記第1のパルスマグネトロン出力信号の方向付けと、前記パルスRF送信機出力信号を送信する出力への前記第2のパルスマグネトロン出力信号の方向付けとを同時に行うことをさらに備える請求項14に記載の方法。
- 前記パルスRF送信機出力信号を使用して超伝導RF(SRF)加速空洞を駆動すること、
前記SRF空洞内のパルスRF加速場の位相および振幅を測定すること、
当該測定結果を使用して、前記パルスRF送信機入力信号の位相と前記第2のDC電源の電圧とを制御することにより、前記パルスRF送信機出力信号の位相および振幅を制御すること、
をさらに備える請求項14または15に記載の方法。 - 加速空洞を駆動するためのシステムであって、
入力インジェクションロック信号を受信するマグネトロンであって、前記マグネトロンの自励に必要な臨界電圧未満の未臨界カソード電圧で前記マグネトロンを前記入力インジェクションロック信号により動作させることが可能な場合に前記入力インジェクションロック信号を使用してインジェクションロック出力信号を生成し、前記入力インジェクションロック信号の強さが前記未臨界カソード電圧で前記マグネトロンを動作させるには十分でない場合に前記インジェクションロック出力信号を遮断するように構成された前記マグネトロンと、
前記マグネトロンに結合され、前記未臨界カソード電圧を供給するとともに当該カソード電圧を制御することにより前記インジェクションロック出力信号の電力を制御するように構成されたカソード電圧供給システムと、を備えるシステム。 - 前記カソード電圧供給システムが、前記未臨界カソード電圧を供給して、前記入力インジェクションロック信号を制御することにより前記マグネトロンをオンオフ可能にするように構成されている、請求項17に記載のシステム。
- 前記マグネトロンに直列に接続された追加のマグネトロンをさらに備え、前記追加のマグネトロンが、前記インジェクションロック出力信号を受信して、前記追加のマグネトロンの自励に必要な臨界電圧未満の追加の未臨界カソード電圧で動作することにより追加の出力信号を生成して前記追加の出力信号の電力を制御するように構成されている、請求項17に記載のシステム。
- 前記追加のマグネトロンが、超伝導無線周波数(RF)加速空洞である前記加速空洞を駆動するのに適したRFパルス信号である前記追加の出力信号を生成するように構成されている、請求項19に記載のシステム。
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Title |
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