The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

理研超電導リングサイクロトロンセクター電磁石の電源システム
大西純一、冨中利治、奥野広樹、長瀬誠、後藤彰
理化学研究所 加速器基盤研究部〒351-0198 埼玉県和光市広沢２－１

概要
理化学研究所で建設を進めている超電導リングサイクロトロン（ＳＲＣ）のセクター電磁石の電源システムの設計を行い、超電導メインコイル及びトリムコイル電源の実機を製作した。本論文では超電導コイルの保護回路を中心に電源システムの設計について述べる。

2

SRC 超電導コイル電源システムの構成

2.1

超電導コイル接続回路

図２にメインコイル及び超電導トリムコイルと電源の接続図を示す。メインコイルは定格電流値 5200 A の主電源(P0)とセクター間のコイル電流を微調する 100 A 補助電源
6 台 (P01~P06) により励磁される。トリムコイルは 4 台の
1 はじめに定格電流値 3200 A の主電源(P1~P4)と２台の 400 A (P11,P12)及び６台の 100 A (P21~P42)の補助電源が使用される。
理化学研究所で建設を行っている「RI ビームファクトリ
トリムコイル電源はすべて、電流の極性を切り替えることー」は既存の重イオンリニアックとリングサイクロトロンができる。補助電源はビーム入射取出し用電磁石などによからのビームをさらに 3 つのサイクロトロンでカスケードる磁場の 1 次ハーモニック成分を補正するために使用され加速して、すべての元素にわたり核子あたり 350 MeV からる。図２に示すようにトリムコイルの電流リードは液体ヘ450 MeV までのエネルギーの１次ビームを生成する[1]。最リウム温度への入熱を小さくするため、コイル間の電流リ終段に置かれる超電導リングサイクロトロン（SRC）は６台のセクター電磁石からなり、軌道部分の最大磁場が 3.8 T、 ードを共通化している。共通部の電流リードの定格は運転に必要な電流値を考慮し 4200A とし、それ以上の電流が流蓄積エネルギーが 250 MJ で、総ヨーク重量は 7800 トンでれないように電源にインターロックを設定した。
ある[2]。図１にセクター電磁石の平面図と立面図を示す。
上下 1 対の超電導メインコイルと 4 対の超電導トリムコイ
ルによりビーム軌道面に等時性磁場を生成する。この他に磁場の微調整を行う２２対の常伝導のトリムコイルが置かれている。以下では超電導のメインコイルとトリムコイ
ルの電源システムについて述べる。

Fz support

2.2

各電源の仕様

各電源の諸元を表１に示す。各電源は定電流モードで運転し高い安定度を要する。電流のランプ速度は超電導コイ
ルにおける渦電流損失による熱負荷量と電源容量を考慮して決定した。図３にメインコイルとトリムコイル主電源の回路構成を示す。メインコイル主電源は IGBT を使用したコンバータ回路＋チョッパー回路、トリムコイル主電源
はサイリスタ＋トランジスタにより定電流出力を得ている。主電源の電流検出はＤＣＣＴ（HiTEC 社 TOPACC,CURACC）を使用した。メインコイル主電源の模擬負荷による通電試験では８時間の安定度は 4.5 ppm であった。

Fθ support

表１：電源の諸元

Connecting Plate

台数S.C. Trim coil

Main CoilFr support

Beam chamber&N.C.Trim coil

Connecting Plate

7.2 m
図１：ＳＲＣセクター電磁石

超伝導メインコイル主電源

1

超伝導メインコイル分流電源
超伝導トリムコイル主電源
超伝導トリムコイル分流電源（コイル＃１用）
超伝導トリムコイル分流電源（コイル＃２，３，４用）

6426出力電流 出力電圧 ランプ速度 ８時間安
保護抵抗
定度
（Ａ）
（Ｖ）
(A/s)
0.3Ω
－６
5200
±350.1～1.5 5ｘ100.015Ω
－52Ω
100±160.1～1.5 2ｘ103200
±80.1～5.0 5ｘ10 －6 0.05Ω
400
100±10±163

超電導コイル保護回路

3.1

放電モード

0.1～5.02ｘ10 －50.1Ω

0.1～5.0－40.3Ω

1ｘ10

コイルにクエンチが起きた場合や電源異常時などには電源を確実に遮断して、電磁石の蓄積エネルギーを所定の時定数で保護抵抗に放出させる必要がある。メインコイル
は高速放電用と低速放電用の抵抗値がそれぞれ 0.3ΩとThe 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

P0
P02

5200A
P03
P04

P05

P06

100A

100A

100A

100A

100A

100A

MAMB

MCMD

MEM2

S1S2

S3

P01

M1P1

S4
Main coil

S5

S6

P3

P2P4

P11

P12

P21

P22

P31

P32

P41

P42400A

400A

100A

100A

100A

100A

100A

100A

TATB

TCTD

TETF

TG

TH

T1T2

S1 S2 S3 S4 S5Trim coil 1

S6

S1 S2 S3 S4 S5Trim coil 2T3S6T4

S1 S2 S3 S4 S5Trim coil 3S6

S1 S2 S3 S4 S5Trim coil 4T5S6

図２：超電導セクター電磁石配線図
M1, M2, MA~ME, T1~T5, TA~TH は電流リードを示す。
Coil protection circuit
IGBT Converter

IGBT Chopper

HSCB2

HSCB1

表２：各電源の放電モード
R1

R2

AC Input

THY1

D1

Main coil

THY2
R1

メインコイル主電源
SCR Converter

TRS Bank

DCCB2

DCCB1

トリムコイル
主電源
補助電源
高速放電
遮断
高速放電
遮断
低速放電
遮断
低速放電
遮断
運転継続 運転継続
運転継続 運転継続
低速放電
遮断
運転継続
遮断

R1

AC Input
D1Trim coil

トリムコイル主電源

図３：電源回路
0.015Ωの放電抵抗（図３上の R1 及び R2）を持つ。高速放電はメインコイルがクエンチした時に使用し、その時定数（約 6０秒）は常伝導転移したコイルの温度が最高 150 K 程度になるように決められている[3]。一方、停電、電源故障、冷却水停止、冷凍機異常などコイルクエンチ以外の原因で電源を停止させる必要がある場合は、急激な電流減衰により発生する液体ヘリウム温度における渦電流損失を小さくするため低速放電を行う。
超電導トリムコイルの高速放電用の保護抵抗（図３下のR1）は 0.05Ωで、放電時間はコイル１から４のインダクタンスにより 0.3～3.8 秒である。低速放電は図３下のクラン
プダイオード D1 によって行われ、放電時間は 0.4～55 秒である。クエンチ及び故障時の各電源の放電モードを表２にまとめる。

3.2

メインコイル
主電源
補助電源
高速放電遮断メインコイルクエンチ
クエンチ
トリムコイルクエンチ
運転継続 運転継続冷凍システム異常
低速放電
遮断
停電
低速放電
遮断
メインコイル主電源故障 低速放電
遮断
故障
遮断
メインコイル補助電源故障 運転継続
運転継続 運転継続
トリムコイル主電源故障
トリムコイル補助電源故障 運転継続 運転継続

電源遮断の手順、保護抵抗器

メインコイルにクエンチが発生した場合は、図３のメイ
ンコイル主電源の回路図で、①出力チョッパーのゲートをオフする。②サイリスタ THY1 を ON して転流させる。

③直流遮断器 HSCB1 と HSCB2 を開極して、励磁電流を保護抵抗Ｒ１に転流させ、コイルの蓄積エネルギーを保護抵抗に消費させる。この動作によりコイル電流は時定数L/R = 63 s で減衰する。２つの直流遮断器を開極するのは一つが動作しなかった場合のバックアップである。クエン
チ以外の異常時は直流遮断器 HSCB2 を開極するととも
THY2 を ON し、1/20 の抵抗値の R2 により低速放電が行う。
保護抵抗はそれぞれ重量約 2 トンの鉄製の抵抗器からなり、通常風冷であるが、停電時などを考慮して無冷却で全エネルギーを吸収できる設計としている。抵抗器は通電試験を行った結果、最高温度上昇は約２００度であった。

3.3

コイルのインダクタンス

１台のセクター電磁石におけるメインコイルとトリムコイルの配置を図４に示す。各コイルの自己インダクタン
スと相互インダクタンスは３次元の磁場計算コード
TOSACA で各励磁状態によるエネルギーを計算することにより求めた。結果を表３に示す。６台のセクター電磁石間の磁気的な結合は大きくないため、無視している。また、
ＳＲＣセクター電磁石は鉄ヨークを持っているために励磁レベルによってインダクタンスが変化するが、メインコイルについては最大励磁した場合の全エネルギーから計算し、トリムコイルは鉄芯のある場合とない場合の値を併記している。

The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

6000
Trim 1Trim 2
Trim 3
Trim 4Main

Current (A)

5000
4000
3000
2000
1000
0Trim coil 1
Trim coil 2

Trim coil 3

Trim coil 4-1000

Main coil

020406080

1001000
Trim 1
Trim 2
Trim 3
Trim 4Main

Voltage (V)800

図４：コイル配置図

600
400
2000

表３：各コイルのインダクタンス（６セクター電磁石）トリムコイルのインダクタンスは鉄ヨークを考慮した場合（前）としない場合（後）を示す。
（単位：mH）
Main
Trim1
Trim2
Trim3
Trim4

3.4

Main
18782-51/-18-1180/-364
813/273445/139

Trim1

Trim2

Trim3

1.8/1.3
9.7/4.2
0.0/0.1
0.0/0.0

188/880.1/3.5
0.0/1.3

89/42
46/18

052/31

電源遮断時のコイル電流と電圧

コイル保護回路の信頼性向上対策

コイル保護回路の信頼性の向上を図るため、以下のような対策を行った。
（１）直流遮断器を 2 台直列に接続し 2重化を行った。
（２）停電時にも動作が可能であるように、クエンチ検出や直流遮断器操作などの制御電源をＡＣ電源とＵＰＳ電源の 2 系統の入力として 2 重化した。
（３）

20406080100Time (sec.)

Trim4

コイル間に磁気的な結合があるので、高速放電および低速放電時のコイル電流及び電圧について回路シミュレーションを行い、保護抵抗値を決定し安全性を確認した。
メインコイルの高速放電を行う場合、最初にすべての補助電源を遮断し、次にトリムコイル主電源の遮断を行った
後、メインコイル主電源の遮断を行う必要がある。このときのメインコイルとトリムコイルの電流と電圧の変化の計算結果を図５に示す。電流方向は図４に示す方向で、定格電流値から t = 0.5 s にトリムコイルを、t = 1.0 s にメインコイルを遮断した場合である。図からトリムコイル電流の増加や過電圧が生じていないことが分かる。
一方、トリムコイルの高速放電は回路シミュレーションによるとトリムコイル電源の極性によりメインコイルの電流値が最大 145A 程度増加する場合があるが、メインコイル主電源の運転は継続が可能であることが分かった。また、メインコイル及び各トリムコイルの低速放電及び分流電源の遮断では、他の電源への誘起電圧は小さく運転は継続できることが確認できた。

3.5-200

図５：メインコイル高速放電時の電流と電圧
直流遮断シーケンスは通常ＰＬＣで制御するが、ＰＬＣ異常 時 のた めリ レー 回路 に よる バッ クア ップ を設 けた 。
（４）停電時、断水時において動作が可能なように、保護抵抗器及び還流ダイオードは自冷式とした。一部風冷の必要なものは冷却ファン電源をＵＰＳでバックアップした。
（５）メインコイルのクエンチ検出器を２重化した。
（６）直流遮断器は定格電流値の１０％以上の過電流で自己遮断するようにした。

4

おわりに

理研超電導リングサイクロトロン（ＳＲＣ）セクター電磁石の電源の設計と製作は日立エンジニアリング（株）によって行われ、2003 年 3 月に完成した。電源の調整及び通電試験はＳＲＣの据付及び冷却後、2005 年後半に行う予定である。

参考文献[1] Y. Yano et al., Proceedings of the 16th Int. Conf on
Cyclotrons and Their Applications, East Lansing, USA 2001,
p. 161.
[2] A. Goto et al., Proceedings of the 16th Int. Conf on
Cyclotrons and Their Applications, East Lansing, USA 2001,
p. 319.
[3] T. Tominaka et al., IEEE Trans. Applied Superconductivity,
vol. 12 (2002), p1587.