70kW アンプの設計及び特性試験
石川盛1,A)、藤本哲也 A)、成田

克久 A)、小林藤澤A)

千広 A)、青木高志Ｂ）、佐藤高之 A)、佐野悦信 A)、仲伏廣光 A)幸夫Ｂ）

加速器エンジニアリング株式会社〒263-0043 千葉県千葉市稲毛区小仲台 2-13-1B)

放射線医学総合研究所〒263-8555 千葉県千葉市稲毛区穴川 4-9-1

概要SG

HIMAC 入射器では DTL 高周波系の維持・管理・開発用に真空管調整装置を設けている。本装置の出力をパルス 1.4MW に増強し、DTL 終段アンプで発生している高調波及び寄生振動等を調査することを目的として、電源の改造と新たに 70kW 中間段アンプを設計した。今回 70kW アンプを設計製作した経緯と測定した結果を報告する。

RG‑55/U

5kWトランジスタアンプ

真空管調整装置制御盤

WX‑39D

1．はじめにHIMAC 入射器 DTL は、質量電荷比が 1/2〜1/7 までの重粒子を 0.8MeV/u から 6MeV/u まで加速する【1】。
このため、DTL 高周波系では 1 台のトランジスタアンプと 2 台の真空管アンプをカスケード接続している。
終段アンプには THALES 社製 RS2074SK の真空管を使用している。この真空管は 100MHz 付近での大電力増幅に適したものであり、その寿命は 20000 時間でも問題がないという報告もあるが【1】、HIMAC では治療照射中のトラブルを防ぐため、12000 時間を目安に交換している。交換した真空管は予備品として保管している。
現真空管調整装置は、予備品として保管してある真空管のフィラメントエージング及び調整運転を目的として、5kW トランジスタアンプと DTL 終段アンプと同じ構造のアンプで構成されているが、中間段アンプが無いため 1.4MW 出力は不可能である。そこで今回中間段アンプを製作することにした。図 1 に現状の概略図を示す。

2．現状の運用と DTL 終段アンプの問題点
真空管調整装置はフィラメントエージングの他、CW 20kW 出力の運転が可能である。またプレート電源はパルス対応になっていなが duty0.1%以下のパルス運転であれば 140kW 出力運転が可能である。
HIMAC DTL 終段アンプで高出力運転を行うときの問題点は、寄生振動や高調波に起因してアンプ内で放電を起こすことである。放電が連続して起きた場合、反射電力の過大等で運転の続行が不可能になる。
1

S.Ishikawa 043-206-3201

aec2g@nirs.go.jp

直流電源

終段アンプ

WX‑203D
WX‑203D方向性結合器

水冷式ダミーロード

図1

現状の真空管調整装置の概略図

現状の真空管調整装置では中間段アンプがなく高出力運転が不可能なためこれらの調査が行えない。また予備品として保管してある真空管が、高出力運転できるかどうかの判断も DTL 終段アンプに組み込み高出力運転しなければ確認できなかった。しかし DTL
終段アンプは筐体が大きいため高所での作業となり、また慎重な作業が要求されるため非常に時間がかかる。さらにビームライン室で行うため、ビームが停止している月 2 回のメンテナンス日か年 2 回の定期点検の時しか行えない。
以上のことを調査するため、真空管調整装置の終段アンプの出力を 1.4MW にして高出力運転を可能とし、DTL 終段アンプと同じ状態を本装置で再現させるため、電源の改造と 70kW 中間段アンプの設計・製作を行った。
また予備品の真空管に対してどの程度の周期でエージングを行えばよいか判断するため、プレート電極に 42kV 印加したときのリーク電流の測定を行っている。図 2 はそのリーク電流の経年変化を表したも

0.350.30

電流値（mA）

0.25
0.20
0.150.10

出力

出力3200mm

0.050.00
2000年9月

図22001年2月

2001年7月
日付

2001年12月

2002年6月

2010mm入力

リーク電流の経年変化
入力のである。真空管内の真空度が悪化してくるとリーク電流が増加し、そのリーク電流量をエージング周期の判断基準に使えないかと考えたが、2 年間の測定ではリーク電流が増加する傾向が見られない。真空管の劣化の判断にこの方法が有効かどうか、もう少しこの調査を継続してから判断したいと考えている。

３．70kW
３．70kW アンプ特徴
今回作成する 70kW アンプは、使用する真空管（THALES 社製 RS2058CJ）は DTL 中間段アンプと同だが、陽極同調回路を 3/4λから 1/4λに変更した。出
力は DTL 中間段アンプと同じ 70kW とした。
既設の DTL 中間段アンプは出力回路が 3/4λで筐体自体の高さが約 3m ある。そこで入力回路・出力回路を 1/4λにさせることで回路自体を短くして DTL中間段アンプよりも小さくし、また調整のしやすさ、トラブル時の調査のしやすさを考えてなるべくシンプルになるように設計した。下記に DTL 中段アンプと新設アンプの比較表を示す。
表1

DTL 中間段アンプと新設アンプの比較
DTL 中間段アンプ
新設アンプ
RS2058CJ
RS2058CJ
使用する真空管動作方式
C 級増幅
C 級増幅
周波数100MHz
100MHz
最大出力
70kW
70kW
出力回路
3/4λ 同軸１/4λ 同軸
入力回路
3/4λ レッヘル型
1/4λ 同軸
容量結合
同軸直結
出力の取り出し出力接栓
WX‑120DWX‑120D
入力接栓
WX‑39DWX‑39D
図 3 は DTL 中間段アンプと新設アンプの大きさの比較を表したものである。新設アンプはかなり小さ
く出力調整、メンテナンス等における高所での作業がなくなった。

1430mm

1000mm

図3

大きさの比較

DTL 中間段アンプの出力結合は、容量結合としているが、70kW アンプは計算により出力回路の 50Ωの位置を求め、そこへ出力導波管を直結する方式をとった。また DTL 中間段アンプの入力回路は 3/4λレッヘル型であるが、70kW アンプは 1/4λ同軸型とし、入力整合はスタブの上下及び真空バリコンを使用することにした。また入力回路に 2 つのモニター端子を設けトラブル時の調査が容易にできるようにした。
真空管を組み込むソケット部分も改良し、G1、G2電極にモニターを 2 つずつ設けた。これもトラブル時に調査を容易にするためである。また DTL 中間段
アンプの G1、G2 給電線は出力回路を通してソケットに繋がっているが、70kW アンプの給電線は、出力回路を通さないで接続できるように工夫してある。

４．各電源の改造
パルス運転が可能なように真空管調整装置終段アンプの直流電源を改造した。
プ レ ー ト 電 源 の 出 力 は パ ル ス で DC20kV 100Aduty0.36%とした。またサグが 10%以下になるようにコンデンサの容量を計算から求め 60μF とした。また使用する真空管（THALES 社製 RS2074SK）の I2t がTHALES 社の基準で 900A2s 以下となっているが、この容量であれば、負荷側に 15Ω（540W）程度の電流制
限抵抗を入れれば基準を下回る（850A２s）ことが判明したため高速遮断用のクローバー回路を設けなかった。また、各グリット電源はパルスでの過電流が検出できるように改造した。またコントロールグリ
ット電源はパルス運転に対応するためバンクコンデンサを追加した。

５．高周波特性測定

300

今回測定したアンプが計算通り動作するか、また寄生振動を起こしそうな共振点がないか確認するた
め入力、出力回路の高周波特性の測定を行った。

200

5.1 出力回路の測定

Ω

10005060708090100110120130140

150-100-200
出力回路の共振特性を測定した。出力回路長は G2-300
ソケットから 440mm の位置で 100MHz になるが、計算Refrequency(MHz)より求めた値では 450mm であり 1%の誤差に収まった。
Im
また 282MHz と 373MHz 付近に共振する波形を確認し
図 5 入力回路共振特性（計算）たが、100MHz の高調波に重ならないので、運用上問題ないと思われる。
次に出力整合位置の測定であるが、出力導波管側を 50Ωで終端し、出力回路のモニター部分におけるインピーダンス測定をすることで求めた。出力位置が正しければモニター位置でのインピーダンスは370Ω（計算で求めた値）になるが、測定では 430Ω程度になり 370Ωにならなかった。ずれた原因として出力回路のショート板の位置が計算した位置より10mm ほどずれたことにより、整合位置も 92mm（計算では 110mm）にずれてしまったからと考えられる。こ図 6 入力回路周波数特性（実測）
れは出力部の簡単な改造で修正できそうである。
さらに入力端−出力端のスルー特性を測定した。
5.3 G1−G2 共振特性
この測定は 10Hz から測定しアンプで寄生振動を起こ真空管の G1−G2 電極とバイパスコンデンサの共振しそうな共振点がないかを調べるために行った。図 4特性を測定した。測定は給電用端子を使用して行っにアンプの入力−出力スルー特性を示す。その結果た。計算から求めたバイパスコンデンサの共振周波高調波に重なるような共振点は観測されなかった。
数は 168MHz であるが実測は 174MHz でほぼ一致している。以前 DTL 終段アンプでは G1−G2 回路において 23MHz の発振が起こりプレートに大電流が流れたことがある。今回の測定ではこのような 100MHz 以下の共振点もなかった。

6．
．今後の予定図4

入力−出力スルー特性

5.2 入力回路
入力回路は真空管の動作抵抗 10Ωを見込んで入力端から 50Ωに見えるように設計してある。よって入力回路の測定はアンプが動作状態にならないと測定できない。ここでは、無動作時の入力動作抵抗が無限大であると仮定し、計算による入力端から見たインピーダンスの周波数特性（図 5）と無動作時の実測（図 6）が一致するようなスタブ Lv と可変コンデンサ Cv の大きさを求めた。その結果 Lv215mm（計算では Lv175mm）、Cv93.2pF（ 計算では Cv116pF）で入力の整合が取れることがわかった。計算とずれたのは入力回路の特性インピーダンスが計算と実物で多少ずれていたからである。

今回 70kW アンプを新規に設計製作しその高周波特性を調べたが 100MHz で安定に動作しそうである。現在 70kW アンプには電源がないため、パワー出しは行っていない。したがって真空管調整装置は 1.4MW での運転は未だ行っていない。今後の予定としては、70kW アンプの電源及び制御装置を組み込み 70kW アンプ単体で動作試験を行い、さらに真空管調整装置に組み込み高出力運転を行う。
また、THALES 社製 RS2074SK のプレート−グリット間リーク電流の測定を平行して行い、真空管の劣化が本装置で確認できるかを判断する。

参考文献【1】T.Fujimoto, et al

Status of the bench-test system for thetubes in the HIMAC DTL linac Proceedings of the 25th Linear
Accelerator Meeting in Japan(July 12-14, 2000, Himezi, Japan)