THOA10

牛本 信二(三菱電機システムサービス株式会社)
惠郷博文, 肥後 壽泰, 由元 崇(KEK)

第20回日本加速器学会年会
日本大学理工学部船橋キャンパス 2023/8/31

目次
1. 背景
2. 開発目標
3. システム概要
4. PXIシステム
5. 動作試験
6. 放電加速管特定試験
7. まとめと今後の課題

1. 背景 KEK 電子陽電子入射器(e-/e+ LINAC)
 全長 600m （180度偏向部含む）
 8つのセクター(各セクターに4～8つの加速ユニット）で構成
 4つの蓄積リングと e+ Dumping Ring へエネルギーの異なる
e-/e+ ビームを最大 50Hz のパルス毎に切り替えて入射（同時入射）

長期間にわたり高水準での安定運転が求められる

1. 背景 e-/e+ LINACでは200本以上のS-band加速管を使用中
 通常クライストロン１台あたり４本の加速管へRFを供給するユニット構造
 PFタイプは40年近く使用中。近年、不具合の発生が増加Type

使用開始時期

使用数

PFタイプ

1980年代(建設初期)

125

KEKBタイプ

1990年代(KEKB運転)

74

LAS(Large Aperture S-band) 2010年代(SuperKEKB運転)
新型加速管

2020年代1016

1. 背景 e-/e+ LINACでは200本以上のS-band加速管を使用中
 通常クライストロン１台あたり４本の加速管へRFを供給するユニット構造
 PFタイプは40年近く使用中。近年、不具合の発生が増加
ユニットの使用中止、パワーを下げた運転

加速器の長期安定運転に影響大Type

使用開始時期

使用数

PFタイプ

1980年代(建設初期)

125

KEKBタイプ

1990年代(KEKB運転)

74

LAS(Large Aperture S-band) 2010年代(SuperKEKB運転)
新型加速管

2020年代1016

1. 背景 加速管不具合事例
 水漏れ
 目視確認 (特定容易)
 加速管内部での放電頻度増加

1. 背景 加速管不具合事例
 水漏れ
 目視確認 (特定容易)
 加速管内部での放電頻度増加
 RFモニタ箇所の制限(ユニット内での特定が困難）

音響センサーを用いた放電加速管特定の研究(非破壊かつ低コスト)
新たなデータ収集システムの開発

RFモニタ

2. 開発目標【従来の計測における問題点】
 オシロスコープの使用【開発目標】
 高分解能＆多チャンネルADC

 低分解能(微弱信号の処理困難)

 最大50Hzデータ処理

 測定チャンネル制限（4ch/台）

 トリガ信号の汎用性

 適切なトリガ信号の確保が困難

 データ収集自動化

 パルス毎のデータ保存不可

 ダミーロード部での測定
 加速管以外の放電時も反応 PXIシステムの導入
 加速管からの直接信号を測定

3. システム概要

 地上部
 PC(データ収集プログラム)
 PXIシステム 中継ケーブル
 シールド付多芯ケーブル(15m) トンネル内 4ch信号中継BOX
 音響センサー

4. PXIシステム
②①

③

④

本システムの計測機器は National Instruments 社のPXIシステムを使用
型番仕様用途① PXIe-1083

5-Slot (5 Hybrid Slots),
Up to 2 GB/s PXI Chassis

PXIシャーシ② PXIe-8301

Thunderbolt™ 3 PXI RemoteControl Module

PC通信③ PXIe-4309

Up to 28-Bit, 32-Channel, Up to 2MS/s, ±15 V Flexible Resolution
PXI Analog Input Module

音響センサー用ADC④ PXIe-5160

500 MHz, 2.5 GS/s, 10-Bit PXIOscilloscope

RF信号モニタ用

4. PXIシステム②③④④①

パルス幅：4μs③

音響センサー
信号：数ms

リングバッファ5. 動作試験

 e-/e+ LINAC 内の加速管試験施設(新型加速管エージング中)にて動作試験【目的】
 データ収集プログラム開発
 機器設置コストの把握 加速管本体および加速管導波管部における放電時の信号検出

加速管導波管部(2か所×2)（簡易クランプ）

加速管本体(4か所)（インシュロック）

取付面へはグリス等の塗布なし

5. 動作試験
 データ収集プログラム

LabVIEW で作成
 50Hzでのデータ収集
 RF出力停止時、メモリ上の10パルス分のデータを出力【50Hz動作時のPXIe-4309パラメータ】
 サンプリングレート:１MS/s
 CH数：8ch
 CH毎のデータ数：5000 (5ms 相当)

5. 動作試験
 データ解析プログラム

データ収集プログラムで保存されたデータを以下の手順で自動解析
1) パルス毎の信号表示
2) FFTで周波数分布変換
3) 各CHの周波数分布をパルス毎に表示
横軸:パルス
縦軸:周波数
濃淡:周波数毎の信号強度

(1)

(2)

(3)

5. 動作試験【データ解析】
 複数の通常パルス信号の平均をバックグラウンドとして処理
 微細な信号の変化
放電なし

放電あり

5. 動作試験【試験結果】
 50Hzデータ収集実現
 センサーの簡易取付状態でも信号を確認（～50㎷）
 加速管導波管部でも管内放電時に信号を確認

5. 動作試験【試験結果】
 50Hzデータ収集実現
 センサーの簡易取付状態でも信号を確認（～50㎷）
 加速管導波管部でも管内放電時に信号を確認

6. 放電加速管特定試験【試験箇所】
 #4-6 ユニット (放電頻度が多いため、定格よりRFパワーを下げて使用中）※試験時は 25Hz 運転【試験準備】
 事前のメンテナンス日にシステム一式を設置［地上部] PC＋PXI（計測機器）
中継シールドケーブル(15m×2)［トンネル内］ 4ch信号中継BOX(2台) 音響センサー(8個［2箇所×4本分］)※クランプによる簡易固定6. 放電加速管特定試験【試験箇所】
 #4-6 ユニット (放電頻度が多いため、定格よりRFパワーを下げて使用中）※試験時は 25Hz 運転【試験準備】
 事前のメンテナンス日にシステム一式を設置［地上部] PC＋PXI（計測機器）
中継シールドケーブル(15m×2)［トンネル内］ 4ch信号中継BOX(2台) 音響センサー(8個［2箇所×4本分］)※クランプによる簡易固定6. 放電加速管特定試験【試験箇所】
 #4-6 ユニット (放電頻度が多いため、定格よりRFパワーを下げて使用中）※試験時は 25Hz 運転【試験準備】
 事前のメンテナンス日にシステム一式を設置［地上部] PC＋PXI（計測機器）
中継シールドケーブル(15m×2)［トンネル内］ 4ch信号中継BOX(2台) 音響センサー(8個［2箇所×4本分］)※クランプによる簡易固定6. 放電加速管特定試験【試験箇所】
 #4-6 ユニット (放電頻度が多いため、定格よりRFパワーを下げて使用中）※試験時は 25Hz 運転【試験準備】
 事前のメンテナンス日にシステム一式を設置［地上部] PC＋PXI（計測機器）
中継シールドケーブル(15m×2)［トンネル内］ 4ch信号中継BOX(2台) 音響センサー(8個［2箇所×4本分］)※クランプによる簡易固定6. 放電加速管特定試験【試験方法】
 LINAC 単独運転時、一時的に＃4-6ユニットのRFパワーを定格に戻し、放電によるクライストロンのダウンを発生させデータ収集【試験結果】
 計測中7回のVSWRインターロック(放電による反射波過大)によるダウンが発生
 全イベントでデータ自動保存に成功
データ収集プログラムから出力されたデータ

6. 放電加速管特定試験【放電時の信号】
 放電時の信号は ±10 ～ ±60㎷ の範囲で観測 比較的小規模な放電の様子も捉えることに成功

6. 放電加速管特定試験

複数の放電を検知

1/7

3/7

2/7

4/7

複数の放電を検知

6. 放電加速管特定試験
5/7

6/7

全イベントでユニット最上流の加速管に設置した2か所のセンサーのみ反応

ユニット1本目の加速管が放電

7/7

7. まとめと今後の課題
 PXIシステムを用いた音響センサーデータ収集システムを作成
 動作試験において50Hzでのデータ収集を確認 加速管導波管部で管内放電起因の信号捕捉に成功
 PFタイプ加速管を使用した加速ユニット内で放電加速管を特定【今後の課題】
 データ解析方法の改善による管内放電位置の推定 ユニット内導波管における放電調査