High-efficiency klystron design with multi-cell output cavity

Abstract

대규모 과학시설이 개발됨에 따라 클라이스트론의 효율은 초기 설립 비용 및 운영 비용을 절감하는 중요한 문제가 됩니다. 따라서 기존의 클라이스트론 효율성을 높이기 위한 다양한 노력이 진행 중입니다. 그 중 포항가속기연구소에서 40%의 효율로 사용되는 S-band 80-MW 클라이스트론과 같이 높은 퍼비언스 빔을 사용하는 클라이스트론 효율을 높이기 위한 연구를 진행하였습니다. 다중 셀 출력 공동 개념을 연구에 적용했고 다중 셀 출력 공동의 설계 매개 변수인 셀 주파수, 셀 간 거리, 셀 간 커플링 및 마지막 셀의 로드 Q를 최적화하여 최대 60%의 효율을 달성했습니다. 이를 위해 2-D PIC 코드인 FCI를 사용하여 다중 셀 출력 공동의 설계 매개 변수를 최적화하였고 실제 공동 구조는 3-D 코드인 CST의 MWS와 PIC를 사용하여 설계하였습니다. 그리고 다중 셀 출력 공동의 전력 변환 프로세스를 시뮬레이션을 통해 얻은 입자 운동 및 전자기장 데이터를 분석하여 최적화하였습니다.

As large-scale scientific facilities develop, klystron efficiency becomes an important issue to reduce high operating costs. Various efforts are in progress in order to enhance the efficiency of existing klystrons. We designed high-perveance (~2 μP) klystrons with much improved power-conversion efficiency for the S-band 80-MW klystrons used at the Pohang Accelerator Laboratory (PAL) having 40% efficiency. The multi-cell output cavity concept was adapted for the study. Efficiency as high as 60% was achieved by full optimization of the design parameters, such as cell frequencies, cell-to-cell distances, coupling between cells, and the loaded Q of the last cell, in the multi-cell output cavity. Simulation of the beam-dynamics was performed using the field charge interaction (FCI) code with a MATALB script to find the design parameters that maximize efficiency. The multi-cell output structure, on the other hand, was designed using Microwave Studio (MWS) in Computer Simulation Technology (CST) based on the FCI results. Finally, the verification of the multi-cell output cavity design was performed using the Particle-in-Cell (PIC) solver in CST, resulting in 56% efficiency. The power conversion process was optimized by analyzing particle motions and electromagnetic field data generated from the FCI and CST-PIC codes.