Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, Japan

PASJ2016 TUP032

SPring-8 蓄積リングクライストロン用 90kV 直流高圧電源の更新
RENEWAL OF A 90 KV DC POWER SUPPLY FOR THE KLYSTRON OF THE SPRING-8
STORAGE RING
惠郷博文#, A, B), 石井美保 B), 大橋裕二 B), 小林和生 B), 近藤力 A, B), 佐々木茂樹 A, B), 高嶋武雄 B), 熊谷教孝 B),
福井達 A), 勝部貴光 C), 齋藤寛典 D), 溝田樹容子 D), 今野修二 E), 山﨑長治 E)#, A, B), Miho IshiiB), Yuji OhashiB), Kazuo KobayashiB), Chikara KondoA, B), Shigeki SasakiA, B), Takeo
Hiroyasu EgoTakashimaB), Noritaka KumagaiB), Toru FukuiA), Takamitsu KatsubeC), Hironori SaitoD), Kiyoko MizotaD),
Shuji KonnoE), Choji YamazakiE)
A)
Institute of Physical and Chemical Research (RIKEN)
B)
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)C)
SPring-8 Service Co., Ltd. (SES)D)
TOSHIBA Co.
E)
Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Co. (TMEIC)

Abstract
90 kV DC power supplies for the 508.58 MHz 1.2 MW klystrons, TOSHIBA E3732, in the SPring-8 storage ring arebeing replaced with new ones because the old power supplies recently suffer from troubles or failures by aging in 20-yearoperation. A cathode voltage of 90 kV is generated from three-phase 6.6 kV AC line with a conventional 12-phase fullwave rectifier having step-up transformers with both Δ-Y and Δ−Δ connections. RF powers ranging from 700 kW to 900
kW are needed for a beam of 100 mA to be accelerated in the storage ring. Though the new power supplies have noregulator for cathode voltage and a change in receiving voltage modulates the cathode voltage, the klystron output power
is regulated modulating an anode voltage to the klystron and controlling an RF input power with feedback loop. Besides,
no protecting circuit such as a high-current crowbar switch is implemented because no short-circuit by arc in the klystronhas happened in the operation. The simple and streamlined constitution of the power supply decreases trouble and yields
low cost in maintenance.
ようになったため、2014 年度より高圧電源の更新を開始
1. はじめにした。放射光共用運転の妨げにならないように工期を３SPring-8 蓄積リングには、A、B、C、D で識別される４ 年に分けて高圧電源を更新中である。2014 年度に 4 ス
つの RF ステーションがある。各ステーションには 508.58 テーション分の高圧電源の製作を行い、2015 年度に老MHz で共振する定在波型高周波加速空胴が 8 台設置 朽化が進んでいた C、D ステーションの高圧電源の入れされ、計 32 台で 16MV のビーム加速を行っている[1]。こ 替え工事を行った。A、B ステーションは 2016 年度に更れら空胴の大電力高周波源として東芝製クライストロン 新する。
E3732 を 5 台使用している。Table 1 に E3732 の定格を示す。括弧値は製造工場における 1.2MW 出力試験時の値である。
蓄積電流 100mA での定常運転ではステーションあたり、約 700kW の RF 出力を要し、トラブル等で１ステーションが使用できない場合、約 900kW の RF 出力で運転される。このクライストロンの駆動電源として電圧 90kV、電流 20A の直流高圧電源が必要となる。そのため、サイリスタ式直流高圧電源が開発され[2]、1994 年 D ステーション、1997 年 B、C ステーション、2000 年 A ステーションの３期に分けて製作、設置された。建設年度当時の運転計画によって各電源の仕様が一部異なり、D ステーション電源のアノード電圧はカソード電圧の抵抗分割方式、B、C ステーションでは変調アノード電源を別途設けており、A ステーションは 12 相整流方式でクライストロン2 台を駆動するタイプとした。
しかしながら、約 20 年間の大電力運転によって構成部品の寿命超過、老朽化等による動作不良が発生する___________________________________________# ego@spring8.or.jp- 914 -Table 1: Specifications of Klystron E3732
Operating frequency (f)508.58MHz

Output RF power (CW) (Po)

1.2

MW

Efficiency (η)> 60 (65.1)%

Instantaneous bandwidth (-1dB)> 0.7

MHzGain (G)> 45 (59.8)

dB

Cathode voltage (Vk)

> -96 (-92.4)

kV

Beam current (Ib)

21 (20.1)

A

Anode voltage (Va)

< 68 (63.0)

kV

Anode current (Ia)

< 5 (0.1)

mA

Heater voltage (Vh)< 15 (11.0)

V

Heater current (Ih)

25 (23.5)

A

Focusing coil current (Icoil)

10 (8.0)AProceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 1: Block diagram of the new 90 kV DC power supply.
更新後の高圧電源は旧来のサイリスタ式ではなく、12相全波整流方式である。この更新電源の開発指針を第２章、電源各部の詳細を第３章、更新設置した C、D ステーションでの運転状況を第 4 章で報告する。

2.

更新における設計指針

更新高圧電源の主回路・制御電源単線結線図をFigure 1 に示す。6.6 kV 真空遮断機（VCB）付閉鎖配電盤、直流変換器（変圧整流器）、直流高圧盤、変調アノード電源、ヒータ電源から構成される。カソード部は旧電源とは異なり、サイリスタ整流方式ではなく、ダイオードブリッジを用いた 12 相全波整流方式である。基本構成
は、蓄積リングの RF テストスタンドに設置されている高圧電源から誘導電圧調整器（IVR）とクローバスイッチを省いたものである。テストスタンドの高圧電源は高エネル
ギー加速器研究機構で開発された B タイプ電源[3]と同型の東芝製電源で、1990 年に理化学研究所和光本所に設置され、1995 年に SPring-8 へ移設したものである。
加速電圧低下によるビーム寿命減少等の制約を受けることになるが、３ステーションでも 100mA のビーム加速運転は可能であることから、A ステーションで行ってきたクライストロン２本駆動は今後必要ないと判断した。そのため、更新後はすべての RF ステーションでクライストロン１台駆動とし、現在の電源３種を 90kV-20A の単一仕様電源に統一した。
2.1

タップ切換 12 相全波整流方式

サイリスタ式高圧電源では、サイリスタ点弧角の制御によってクライストロンのカソード電圧を 45kV から 90kV まで連続的に可変できた。よって、放射光共用開始当初より 2003 年度まで行ったビーム寿命で決まる電流減少運転（Figure 2）においては、カソード電圧制御による約20％の RF 出力調整を行って対応した（B、C ステーションは、アノード電圧の変調で対応）。しかし、2004 年度より 100mA のトップアップ運転（蓄積ビーム電流の変動を抑えるように随時ビーム入射を行い、定電流にする運転）が開始された[4]。トップアップ運転により、現在のビーム電流変動は 0.05％以内に抑えられ、定強度の放射光供給が可能となっている。これにより、挿入光源個別のギャップ駆動による数%程度の小さな変動はあるが、放射光利用運転中のクライストロン RF 出力は、ほぼ一定である（Figure 3）。そのため、更新高圧電源では、カソード電圧の設定は３段のタップ切換方式（70、80、90 kV）とした。通常の 700kW 出力では 80kV タップで運転する。
Figure 4 に工場試験で測定した 80kV での出力特性例を示す。３ステーション 100mA 運転では 900kW を超える高出力が必要となるが、80kV 印加での RF 出力はクライストロンによって 900kW から 970kW 程度の個体差があるので、出力が不足する場合は 90 kV 運転（1.1MW 出力可）で対応する。また、SPring-8 アップグレード計画[5,6]では蓄積リングのビームエネルギーを 8 GeV から 6GeV に下げるため、必要な RF 電力も下がるので、70kVタップでの運用を予定している。
テストスタンドで用いられている 6.6kV 受電電圧の調整と安定化用の IVR は、周辺の機器に対して誤動作を引き起こすノイズ源となることが多いため、設置しない。
実際、テストスタンドでも IVR 調整モータの駆動により、IVR 制御回路のサージ抑制用パスコンからアースラインへ回り込んだノイズにより、ローレベル制御系の誤動作を引き起こした。対策としてパスコンの除去にてローレベル機器へのノイズを低減させた。一方、IVR が無いため、ビーム入射時の電流変化や温度等の環境要因による緩やかな変化によって生じる負荷変動に対しては主にア
ノード電圧の調整（ビーム引き出し電流の調整）にて、数- 915 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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kHz オーダーまでの短時間変化にはクライストロン励振
RF 信号のフィードバックにて RF 出力を安定化することとした。
2.2

短絡保護回路の省略

クライストロンから安定に大電力高周波を出力させるにはカソード電圧のリプルを低く抑える必要があるため、平滑コンデンサを用いる。クライストロン内でのアーク放電
時に、このコンデンサ等に蓄積されたエネルギーがクライストロンへ流入されないようにクライストロンの入力部にクローバスイッチ等の短絡保護装置が一般的に設置される。クライストロン保護基準として 24J を超えるエネルギーがクライストロンへ流入しないように短時間での保護動作が求められる。しかし、IVR 等からの電気的ノイズによってクローバスイッチが誤動作するとクライストロンの運転が停止し、加速電圧の不足から放射光の供給が停止してしまう。このことからクローバスイッチを省略しながらもクライストロン保護を行えるようにサイリスタを用いた
starpoint 制御の 90kV 高圧電源を開発した[2]。しかしながら、20 年間の蓄積リング RF 運転においてクライストロン短絡現象は一度も発生しなかった。そこで、短絡時のクライストロン保護回路の設置は省略することとした。

Figure 4: Dependences of the klystron output power on
input power and Va at Vk of 80 kV.

3.

高圧電源構成更新高圧電源は、VCB 付閉鎖配電盤、直流変換器、直流高圧盤、変調アノード電源、ヒータ電源から構成される。各部の詳細について以下に示す。
3.1

閉鎖配電盤

定格 7.2kV-600A、遮断電流 20kA、遮断速度 3 サイクル内の VCB を収めた閉鎖配電盤で 6.6kV の 3 相交流受電を行う。閉鎖配電盤の交流出力は、直流変換器へ直接給電される。
3.2

Figure 2: Stored beam current (Red line) and RF output
power of the klystron (Blue line) in C-station in thecurrent-decay operation in April 2003.

直流変換器には Y-Δ重畳昇圧トランスと 12 相整流ブリッジダイオードが収められている。90kV、80kV、70kVの電圧を発生させるため、昇圧トランスには 3 タップ無電圧切換器が設けられ、昇圧比 6.6：35、6.6：31.1、6.6：27.2 が現場および遠隔で選択できる。変換器内の電力損失として全損 15kW（無負荷損 5kW、負荷損 10kW）となっている。変換器内を冷却するため、変換器内部循環冷却オイルと熱交換器を介して 150L/min の冷却水を供給する。
3.3

Figure 3: Stored beam current (Red line) and RF output
power of the klystron (Blue line) in C-station in the topup operation in April 2015.

直流変換器

直流高圧盤

直流高圧盤には設計値 7.5μF（2.5μF 3 並列、実測値7.3μF）の平滑コンデンサ、23.3Ω（70Ω 3 並列）平滑抵抗、5Ωクライストロン直列抵抗等が収められており、直流変換器からの入力は 0.5％p-p 以下の電圧リプルとなるように平滑される。クライストロンのコレクタが接地となるため、カソードにはマイナス電圧で印加される。直流高圧盤内でクライストロンアーク放電による短絡過電流が検出された場合、60 μs 以内にトリップ信号を VCB に送信し、60Hz の受電１サイクル内に VCB を OFF にする保護回路が組み込まれている。Figure 3 の RSS で示される 10kΩ
抵抗は電源投入時に平滑コンデンサへのラッシュ電流を抑制するもので、VCB ON 応答の 1s 後にスイッチ SSが閉じられる。また、RDS で示される 44 kΩ抵抗は電源運転停止時に平滑コンデンサに蓄積されている電荷を放電させるためのものである。

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遠隔調整、各部の電圧・電流表示を行う。また、専用検ヒータ電源とアノード電源はカソード電位の高圧ボック 出回路にて応答速度 1ms で異常・故障検出を行い、検ス内に収納され、ヒータ変調アノード電源と呼ばれている。 出から応答時間 7ms 以下でアノード電源 OFF 指令を出
ヒータ電源は単相 AC 200V 受電のサイリスタ整流方 してインターロック保護動作を行う。重故障時には VCB式を用いており、定格 20V-25A、電流リプル 0.5％p-p 以 でカソード出力も OFF する。操作性や設定頻度を考慮下の定電流電源である。仕様安定度は、電源変動± して、低圧と高圧の ON/OFF、カソード電圧タップ切換、10％、負荷変動±10％に対して±0.5％である。基準負 アノード電圧の現場調整（ヘリポット操作）、そして異常時
荷 0.8Ωを用いた単体試験でのリプル実測値は 0.06％p- のリセット以外はタッチパネルで設定するようにした。遠隔操作、データ収集は SPring-8 制御システムで定式化
p 以下、安定度±0.04％以内であった。
された
FL-net 通信で行う。
変調アノード電源は、定格 80kV-10mA（0V から設定
コレクタ冷却装置の冷却能力から、クライストロンコレク
電圧 95%値までの立上速度＜0.4s）、電圧リプル 0.5％pp 以下の定電圧電源である。仕様安定度は、電源変動 タ損失電力の上限は 800kW である。RF 出力中にイン±10％、負荷変動±10％に対して、±0.5％である。カ ターロック等で RF 入力を停止するとコレクタ損失が増大
ソードからのビーム引き出し電流を決めるアノード電圧は、 する。この損失を抑えるため、RF 入力 OFF 時にクライス
最大 80kV の高圧であるが、ビームからアノードへ流れ込 トロンビーム電流を下げるようにアノード電圧を下降させむ電流は通常小さく（＜1mA）、また、高速のレスポンス るが、アノード電源のレスポンス時間を考慮して、RF 入を必要としないので、コックロフト・ウォルトン方式を用い 力停止から 0.3s 間、コレクタ損失の検出をマスクする。もた電源としている。充電器として駆動周波数 20kHz の し、0.3s 後にもコレクタ損失が制限値を上回る場合はアIGBT インバータ電源を用いている。また、アノード電圧 ノード電源出力の OFF、VCB によるカソード電圧 OFF にがカソード電圧を超えないように、カソード電圧の 70％以 てクライストロンの保護を行う。コレクタ損失量の演算、保下（制御盤にて設定値変更可能）になるように制限、制 護シーケンスは制御盤内の基板と PLC によって行われ御される。アノード電源の出力部にはカソード・アース間 ている。
電圧分割抵抗列（20MΩ：200MΩ）が接続され、高圧運
高圧運転
転開始時、充電前にアノード電位が浮くことのないように 4.
2016 年 3 月に入れ替えを行った C、D ステーションのなっている。基準負荷を用いた 80kV、10mA 試験では、リプルは 0.3％p-p 以下、安定度は±0.06％以内であっ 高圧電源（Figure 5）は、4 ヶ月の運転を通じて支障となるた。また、16.6MΩダミー抵抗での応答特性は 0.27s で 問題はなく、安定した運転が行われている。カソード電圧の設定は 80kV タップで、ビーム電流 100mA の放射あった。
光利用運転において 630kW から 670kW の RF 出力と3.5 集束コイル電源なっており、その時の測定結果を次に示す。
集束コイル電源は定格 650V-10A、電流リプル 0.5％p• 電圧制御回路のないカソード電圧は受電変動の影p 以下のサイリスタ式定電流電源である。仕様安定度は響を受ける。Figure 6 にカソード電圧と受電電圧電源変動±10％、負荷変動±10％に対して±0.5％であ（ V6.6 ） の 関 係 を 示 す 。 カ ソ ー ド 電 圧 の 平 均 値 はる。基準負荷を接続した定格電流通電試験でのリプル
81kV で、受電変動による影響は±2.5％p-p であっは 0.12％p-p、安定度±0.25％以内であった。
た。
• 6.6kV 受電電力から 81kV 直流出力への変換効率
3.6 現場制御盤の実測値は C ステーションで 96.6%、D ステーショ
クライストロン現場制御盤は高圧電源の統括制御を行ンで 94.7%となり、D ステーションの効率は C ステー
うためのものである。電源各部への低電圧電源の供給とションに比べて約 2%低かった。
遮断、運転シーケンス管理、カソード電圧のタップ切換、• 81kV 直流出力から RF 出力の変換効率は C ステー
アノード電圧、ヒータ電流、集束コイル電流の現場またはションで 62.4%、D ステーションで 57.2%であった。
3.4

ヒータ変調アノード電源

Figure 5: Layout (Left) and photo (Right) of the power supply in the RF D-station.

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D ステーションの効率が良くないが、RF 出力量に応じてアノード電圧を変える電圧変調装置の設定が最適化されていない可能性があるため、今後、確認調整を行う予定である。
クライストロンに接続した実負荷でのアノード電圧リプルは C ステーションで 0.8%p-p、D ステーションで0.5%p-p となり、48kV から 50kV 程度の運転で電圧が低い分、基準負荷を用いた単体工場試験の値と異なる結果であった。
ヒータ電流のリプルは 23A 設定に対して C ステーション 0.2%p-p、D ステーション 0.1%p-p、集束コイ
ル電流のリプルは 8A 設定に対して C ステーション0.08%p-p、D ステーション 0.09%p-p であった。

各位に感謝いたします。

参考文献[1] Y. Kawashima et al., "How to Stably Store Electron Beam ina Synchrotron Radiation Facility from the Point of View ofan RF System Design", Proceedings of EPAC08, Genoa,
2008, pp. 1485-1487.
[2] N. Kumagai et al., "Starpoint Controller for the KlystronPower Supply In the SPring-8 Storage Ring", Proceedings ofInt. Power Electronics Conf., Yokohama, 1995, pp. 14971500.
[3] T. Abe et al., "Performance and Operational results of the RFsystems for the KEK B-factory", Prog. Theor. Exp. Phys.,2013, 2013 03A006[4] H. Ohkuma, "TOP-UP OPERATION IN LIGHT
SOURCES", Proceedings of EPAC08, Genoa, 2008, pp. 3640.
[5] H. Tanaka et al., "SPring-8 UPGRADE PROJECT",
Proceedings of IPAC2016, Busan, 2016, pp. 2867-2870.
[6] H. Ego et al., "RF SYSTEM OF THE SPring-8 UPGRADE
PROJECT", Proceedings of IPAC2016, Busan, 2016, pp.
414-416.

Figure 6: Measured dependences of Vk on V6.6.

5.

まとめ

約 20 年間の高周波大電力運転によってクライストロン
用 90kV 直流高圧電源が経年劣化し、部品の寿命超過、老朽化等による動作不良が発生するようになったため、高圧電源を更新中である。新電源では、旧来のサイリス
タ式ではなく 12 相全波整流方式を採用、6.6kV ライン
VCB 付閉鎖配電盤、3 タップ電圧切換直流変換器、直流高圧盤、80kV 変調アノード電源、ヒータ電源から構成される。受電電圧の調整と安定化に用いられる IVR は、誤動作を引き起こすノイズ源となることが多いため、設置せず、運転に必要な 700kW から 900kW の電力調整と安定化は変調アノード電源とローレベル RF 機器でのフィードバックにより行っている。また、20 年間の RF 運転でクライストロン短絡現象は一度も発生しなかったため、短絡時保護回路の設置も省いた。蓄積リングの４つのRF ステーションの内、昨年度更新した２ステーションでの高圧運転で、特に大きな問題はなく、更新電源は安定に運転されている。また、電源構成の簡略化と合理化により、信頼性の向上、故障やメンテナンスコストの低減を期待している。

謝辞
更新電源の設計および製作に関して（株）東芝の川島秀一氏に心より感謝いたします。また、電源の製作、RFステーションへの据え付け調整作業に当たられたニチコン（株）、及び、東芝プラントシステム（株）の担当スタッフ- 918 -