SuperKEKB 用フラックスコンセントレータ電源の現状
PRESENT STATUS OF FLUX CONCENTRATOR MODULATOR FOR SUPERKEKB明本光生#, A)B）, 榎本嘉範 A)B), 紙谷琢哉 A)B), 川村真人 A) , 中島啓光 A) , 福田茂樹 A)B) , 横山和枝 A)B)
Mitsuo Akemoto#, A)B), Yoshinori Enomoto A)B), Takuya Kamitani A)B) , Masato Kawamura A) , Hiromitsu Nakajima A) ,Shigeki Fukuda A)B) , Kazue Yokoyama A)B)A)
High Energy Accelerator Research Organization(KEK)
B)
The Graduate University for Advanced Studies(SOKENDAI)

Abstract
We have developed a modulator for the SuperKEKB positron source flux concentrator, which requires 12 kA in asinusoidal half wave current for a pulse magnet with an inductance of 1 µH. The modulator has two thyratron switches
and a current pulse of 12 kA with a width of 8 µs has been successfully generated at 50 Hz. We have a plan to develop asolid-state switch to replace the thyratorns, which improves the reliability and maintainability of the modulator.

1.

はじめに

現在 KEK 電子陽電子入射器では、SuperKEKB のPhase-II へ向けての改造[1]が進められている。本稿ではこれに向けた陽電子生成標的直後においてビームを強く収束するためのフラックスコンセントレータ(FC)型パルスソレノイド[2-3]にパルス電流を供給する電源(FC 電源)[4]の現状について報告する。

2.

設計

SuperKEKB の FC はインダクタンス約 1µH のパルスコイルが使用され、加速器トンネル内のビームラインに設置され、約 21m の給電ラインを通して地上部に設置された FC 用パルス電源から幅 8µs の半正弦波形でピーク電流 12 kA、繰り返し 50Hz のパルス電流が供給される。
Figure 1 に FC 電源の回路構成図を示すように、FCシステムを単純化(回路抵抗を無視)すると、LC の共振回路と等価である。FC 電源の主コンデンサの総容量をCt、FC システム(電源回路＋給電ライン＋FC コイル)の全インダクタンスを Lt とすると、FC に流れるパルスのピーク電流 IP とパルス幅（半周期）T/2 はそれぞれ(1)と(2)式で与えられる。但し、V0 はコンデンサの充電電圧である。

CtLt

(1)

⎛ T ⎞
Pulsewidth⎜ ⎟ = π Lt Ct⎝ 2 ⎠(2)

I p = V0€____________________________________________#FC 電源を設計する場合、ピーク出力電流をできる限り大きくそしてピーク出力電圧とパルス幅を小さくすることが求められる。即ち、(1)、(2)式から充電電圧とコンデンサ容量をできる限り小さくし、電源回路と給電ラインを含めた全インダクタンスをできる限り低減することが求められる。FC コイルのインダクタンスは 1µH であるので、この値に釣り合った電源の回路インダクタンスが求められる。

mitsuo.akemoto@kek.jp€

Figure 1: Simplified schematic diagram of FC Modulator.

3.

FC 電源

3.1

概要

Figure 1 に FC 電源の回路構成図を示す。FC 電源は２つの主コンデンサ(容量 0.7 µF)を充電する高圧充電器(スイッチング電源)、主コンデンサを同時に放電させる 2本のサイラトロンスイッチで構成する。この回路方式はIHEP 等で使用されている。
主コンデンサは容量 0.35 µF のコンデンサが２台並列接続し、スイッチング電源で最大 25kV まで充電され、サイラトロンで放電する。放電された電流は 21m の給電ラインを通して FC コイルに流れる。コイルの戻りの電流は主コンデンサに並列接続されたシャント回路(シャントダイオードとシャント抵抗)ですべて吸収される。シャント抵
抗の値はシャントダイオードのピーク電流とサイラトロンの逆電圧を決める重要なパラメータで、逆電圧が 10 kV 以下になるようにその値を 2 Ω に決定した。シャント抵抗は

水冷式定格電力 7 kW(東海高熱工業製 WD-5, 8 Ω 4台並列接続)を採用した。Table 1 に FC 電源の主な仕様を示す。

3.2

給電ライン[6]Figure 3 に FC テストスタンド(運転実機と同一仕様)の給電ラインの写真を示す。給電ラインの印加電圧(FC 電源の出力電圧)を低減するために、給電ラインのインダクタンスの低減に努めた。給電ラインは長さ 18m の並列接
Table 1: Specification of the FC Modulator
続された 10 本の高圧同軸ケーブルと長さ 2 m の銅三重Peak current
12 kA
平行平板ライン(幅 250mm、板間距離 35mm)と FC コイ
ルと接続するための長さ 0.54m の銅平行平板ライン(幅Pulse width
8 µs75mm、板間距離 35mm)から構成する。直接、高圧同軸ケーブで FC コイルに接続しないのは、放射線の影響か
Load inductance
1 µH
ら防ぐためにケーブを遠くに離したいのと同時に、FC がTotal inductance~3.35 µH故障した時、短時間で FC を交換できるようにラインがワンタッチで取り外しできるように、銅平行平板ラインの中Capacitance
1.4 µF
間部分に両端にフォークプラグが付いた銅板で接続するようになっている。また、スパイク電圧を低減するため
Charging voltage
17 kVに、三重平行平板の中間付近に CR スナーバ回路(容Repetition rate
50 Hz
量 100 nF のコンデンサと 2.5 Ω の水冷式抵抗器を直列接続)を設置している。FC コイルを含めて三重平行平板ラインの上流からインダクタンスを測定したところ、1.79FC 電源の配線インダクタンスを極力小さくするために、µH であった。また、高圧同軸ケーブルは特性インピーダ主コンデンサから出力される電流と戻ってくる電流がつく
ンス 50 Ω、内部導体の外径 6mm、外部導体の外径る磁場が打ち消しあうような配線の配置を行い、かつ磁22.1mm、長さ 18m で、並列 10 本のインダクタンスは計場空間を小さくなるようにできる限り配線間を近づけるよ
算値で 0.45 µH になる。従って、FC コイルを含めた給電
う に し た 。 FC 電 源 の 内 部 イ ン ダ ク タ ン ス の 実 測 値 はラインの総インダクタンスは 2.24 µH になる。
1.11µH であった。
Figure 2 に FC 電源の正面からの写真を示す。筐体のサイズは 1.8m(W)x1.5m(D)x2.3m(H)である。サイラトロン、充電用スイッチング電源[5]をはじめ、FC 電源に使用されるあらゆるユニット類はすべて入射器で使用されているものを利用した。そのため電源の保守と製作費用を大幅に削減することができた。ピーク電流 12kA のパルスは筐体上部から並列 10 本の高圧同軸ケーブルから出力される。

Figure 3: Pulse transmission line at the FC test stand.
3.3

Figure 2: Front side view of FC Modulator.

運転

テストスタンドで実負荷 FC コイルを使用して通電試験を行った。充電電圧 17 KV、繰り返し 50 Hz 運転時で測定した FC 電源の充電波形と出力電流波形をそれぞれFigure 4 と Figure 5 に示す。出力電流はピーク電流12kA の 8 µs の半正弦波形が得られた。出力電流波形は高圧同軸ケーブルと三重平行平板ラインの接続部に取り付けられた CT(Pearson Model 301X)で測定した。高圧同軸ケーブルの低圧側を 10 本のケーブルで束ねてこの CT に通している。また、この電流波形は常時モニターされ、CT より上流に短絡異常が起きた場合はそのピーク電流が低下し、また CT より下流に短絡異常が起きた場合はそのピーク電流が上昇するので、それを検知することによって、出力電流のインターロックとして利用している。

もし抵抗素子の締め付けが不十分である場合は、抵抗素子を研磨加工することで面制度を上げ、冷却板との面接触不良を抑制する方法をとる予定である。

Figure 6: Discharge breakdown of the ceramic resistor
unit and its resistor element.

Figure 4: Charging waveforms at a charging voltage of 17kV.

5.

まとめSuperKEKB で使用するフラックスコンセントレータ型
パルスソレノイドに 12kA のパルス電流を供給する電源を開発した。現在、試験と運転に使用されている。
電源に使用しているサイラトロンは電子管であるが故に動作が不安定で、寿命に大きなばらつきと比較的短いことから保守が大変である。これは最終的には運転コストの増大に繋がる。そこでサイラトロンを半導体スイッチに置き換えることを予定している。

謝辞
パルス電源の開発にあたりましては、日本高周波(株)の山田洋人氏に大変お世話になりました。この場をお借りしてお礼を申し上げます。

Figure 5: Pulse current waveform at a charging voltage of
17 kV.

参考文献[1] K. Natsui et al., “Present Status of the KEK
Electron/Positron Injector Linac”, these Proceedings.
[2] K. Kamitani et al., “SuperKEKB Phase1(Injector+Ring)
Status Report”, Proceedings of the 13th Annual Meeting of4. トラブル
Particle Accelerator Society of Japan, Tsuruga, pp. 4-8,2016.
FC テストスタンドで 12kA の連続運転中に、シャント抵 [3] Y. Enomoto et al., “Development of a Flux Concentrator
抗として使用している間接水冷抵抗器(東海高熱工業製
for SuperKEKB”, Proceedings of the 13th Annual MeetingWD-5)各回路 1 台の、合計 2 台が放電を起こして破損
of Particle Accelerator Society of Japan, Tsuruga, pp. 520523, 2016.
する故障が発生した。その１台の破損状況を Figure 6 に示す。大きく破損した抵抗素子には亀裂、割れがあり、 [4] M. Akemoto et al., “Development of Flux Concentrator
Modulator for SuperKEKB”, Proceedings of the 10th電極面が放電で黒く変色していた。また抵抗素子の締めAnnual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,
付けに使用する FRP 棒が熱によって破損していた。このNagoya, pp. 1015-1017, 2013.
故障は 12kA 運転時間で約 500 時間で起こった。この [5] M. Kawamura et al., “Present Status of Inverter Supplies
for Modulators in KEK Electron-Positron Linac”, these
抵抗器の使用条件(12kA 運転時)はピーク電圧 6 kV、Proceedings.
ピーク電流 800 A、半周期幅 8 µs、繰り返し 50 Hz で発[6] K. Kamitani et al., “Present Status of the Positron Source
熱量は約 1 kW で冷却水の流量は 5 リッター/分である。
Upgrade for SuperKEKB”, Proceedings of the 12th Annual
これらの条件は抵抗器の使用条件に十分満足している。
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Tsuruga,
破損状況から、組立時の締付け片荷重による面接触不pp. 1064-1068, 2015.

良によるものと推測される。現在、これが原因であるか調べるために、締め付けを確認した抵抗器使って、また抵抗素子の温度を常時モニターしながら試験を行っている。