2026-03-07T20:56:45Z https://ir.soken.ac.jp/oai

oai:ir.soken.ac.jp:00000573 2023-06-20T14:52:19Z 2:428:14

リニアコライダーの為の大電力高周波窓の開発三浦, 厚ミウラ, アツシ MIURA, Atsushi 本研究は､透過電力100MW級の高周波窓の開発を目指して研究を進め､高周波窓破壊の主 な原因が50MWを超える領域では高周波窓材料のセラミックス内部の空孔と焼結助剤にある ことを明らかにし､これらを除去することによって300MWを超える大電力が透過しても破壊 しない高周波窓を開発したものである｡ 　素粒子の研究を今後もさらに押し進めるには重心系のエネルギーが300GeV以上のリニア コライダーが必要であるとされているが､このようなリニアコライダーで電子や陽電子を 加速するには100?200MW級の大電力クライストロンが千本以上必要であり､そのほとんど すべてのクライストロンが同時に稼働条件を充たさなければならない｡大電力クライスト ロンから加速管本体へ導波管を経由して大電力高周波を移送するが､クライストロンと導 波管との間には真空を遮断しながら大電力を通過させる高純度セラミックス製の高周波窓 が多数用いられている｡大電力がこの高周波窓を通過する際に､大電力に耐えられず窓が 破壊することが起こり､100MW級のクライストロンを開発しリニアコライダーを順調に運転 していうえで､信頼性の高い大電力高周波窓の開発は不可欠な課題である｡ 　本論文は､高周波窓の破壊原因の追求をとうして､従来の技術では困難と考えられてい た透過電力100MWを超える大電力高周波窓の開発に関し研究を進めたものである｡ 　最初に､破壊の原因となると考えられた1)誘電体材料(セラミックス)の材質選択､2)材 料の表面処理条件､3)電磁気学的窓の構造などについて研究を進めた｡その結果､数十MW 程度の領域では破壊はセラミックス窓の表面でのマルチパクタが主な原因と考えられ､Ti Nを窓の表面にコーティングすることによって破壊を減らすことができることがわかった｡ しかし､透過電力がさらに増大していくと再び破壊が起こった｡この破壊を調査したとこ ろ､破壊はセラミックス内部からも起こっていることが明かとなった｡これらのことから､ 4)焼結助剤による局所的な誘電損失の増加､5)セラミックス焼結時に生じる内部空孔に電 界が集中し内部放電による局所的な温度上昇､6)これらの過程によってついにはセラミッ クスの溶融や熱歪みによる亀裂の発生という破壊機構を推察した｡ 　次いで､これらの推察された破壊原因を確定するために試料セラミックスの製作と実験 による検証を行った｡試料セラミックスとして､空孔率､焼結助剤の含有量と種類を制御 したものを多数用意した｡空孔率と焼結助剤との間には製作技術上の関連があったが､Ho t Isostatic Pressing:HIPと呼ばれる処理技術を適用することによってそれぞれをかな り分離して製作した｡破壊領域が内部にある電力領域なので､表面処理の影響を少なくす るためのTiNコーティングをあえて行わず条件を統一した｡ 　これらの試料をレゾナントリングに挿入設置して大電力による破壊実験を行った｡使用 したレゾナントリングでは310MWまでの試験が可能である｡高周波窓で放電が生じた場合に は位相が変化するため透過電力は自動的にすばやく減衰するので､レゾナントリングでの 試験は誘電体が急激に最終破壊にまで至らずに破壊途中を観察するのに適している｡ 　レゾナントリングに設置した試料セラミックスを通過する電力を徐々に大きくしながら アルミな表面での発光現象を観察した｡発光パターン及びパルス的な時間依存性の結果を マルチパクタを想定した計算機シミレーションの結果と比較検討したところよい一致がみ られたことから､低電力領域での破壊現象の原因の一つにマルチパクタが強く関係すること を明らかにした｡ 　さらに通過電力を大きくして50MWを超える領域にはいるともはやマルチパクタは起こら なくなることが明かとなったが､通過電力がパルスであるということは低電力領域と高電 力領域との間を往復することから､TiNコーティングはマルチパクタの抑制に有効であり､ 破壊を防ぐのに役にたっている｡50MW以上の領域での破壊原因を明らかにするため､セラ ミックス空孔率と焼結助剤の量をそれぞれパラメターに選んで破壊実験を繰り返した｡実 験の結果､純度が高くて空孔率の低いアルミナほど高周波損失が低く破壊姿しないことが わかり､純度99.9%の高純度アルミナで空孔率を0.5%以下に抑えたものを製作できれば透過 電力300MWまで破壊しないことが明かとなった｡このような高純度低空孔率のアルミナセラ ミックスを製作できたのはHIP法の採用による｡ 　次ぎに､高周波損失を増加させる原因となる焼結助剤にMg0があるが､Mg0を全く含まな いアルミナセラミックスを用いて高周波窓を製作し大電力試験を行ったところ､高周波損 失が最も少なく300MWを超える電力が通過しても破壊しないことが確かめられた｡このこと は誘電体中の空孔周りの電磁界の解析からも裏付けられた｡ 　以上のように､実験と結果の解析からの推察とに基づいて､次の実験試料を製作し大電 力通過実験を多数回繰り返すという手法によって､当初目標とした100MW級の大電力高周波 窓を開発することに成功した｡以上述べたような考えに従って材料を選択し､高周波窓を 製作すれば大電力クライストロン用の窓として実用に耐える有効な窓を手にすることがで きるようになる｡ application/pdf 総研大甲第71号 jpn thesis https://ir.soken.ac.jp/records/573 博士（工学） 1994-03-24 総合研究大学院大学 https://ir.soken.ac.jp/record/573/files/甲71_要旨.pdf application/pdf 332.9 kB 2016-02-17 https://ir.soken.ac.jp/record/573/files/甲71_本文.pdf application/pdf 4.4 MB 2016-02-17