Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 WEP34SKEKB 加速器 LS1 中における大電力高周波源の状況
CURRENT STATUS OF THE HIGH POWER RF SYSTEM FOR SKEKB MR IN LS1
渡邉謙 #, 吉田正人, 吉本伸一, 丸塚勝美, 池野孝
Ken Watanabe , Masato Yoshida, Shin-ichi Yoshimoto, Katsumi Marutsuka, Takashi Ikeno
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)#

Abstract

The high power rf system installed in the power supply buildings has the role of supplying RF power to the ARES
cavities and the superconducting rf cavities to operate the SuperKEKB accelerator. This report will report on the current
status of high power rf system and renewal of aging components during the period up to LS1 from July 2022.

1.

はじめに

SuperKEKB 加速器主リング（MR）および陽電子用ダ
ンピングリング（DR）地上部にある大電源棟に設置される
大電力高周波源は、地下トンネルに配置された常伝導型 ARES 空洞、単セル型超伝導加速空洞および DR 空
洞へ RF パワーを供給する役割を持つ[1]。2019 年初旬
から Phase3 という位置づけで物理実験のための運転が開始され、本格的な営業運転モードとなった[2]。その後、2022 年 6 月まで約 3 年にわたり通常運転が行われた[3]。
2022 年 7 月からは加速器および Belle-II 検出器の改造を行うため、2023 年 12 月まで続くロングシャットダウン期間（LS1）が設けられた。本報告では、この LS1 中の状況についてまとめる。

2.

LS1 中の状況

LS1 期間中においては、入力カプラの交換を行った
ARES 空洞（D8-C、D8-D）および予備空洞と入れ替えた
D5-A（ARES 空洞）の 3 ステーションに対し、大電力試験のための計 3 週間の運転を行った。この運転では保守
後、10 年を経過した制御モジュールの動作不良などいく
つかの軽故障が発生した。これらは予備モジュールと交換するなどの対応で対処した。
各種冷却系においては、特にクライストロン冷却系で使用される空冷塔（AFC）の老朽化が進んでおり、その対応として、その補修作業を急ピッチで実施している。
立体回路周りでは、大電力用ウォーターロードの保守を中心に作業を実施している。SuperKEKB 加速器建設時に製造・修繕した各種大電力用ウォーターロードも、運用開始からすでに 10 年を経過した。損耗状況を経過観察しながら長寿命化に向けた開発を継続している。
2.1 クライストロンおよびクライストロン電源
LS1 中にクライストロンに対して実施した作業は、定期保守のみである。前述の大電力試験など必要に応じてクライストロンを運転しているが、クライストロン本体に対して特に問題は発生しておらず、現状を維持している。
一方、クライストロン電源は LS1 中の 2022 年夏季と2023 年夏季の 2 期に分けて、富士地区を中心に定期保守を実施している。他にも老朽化対策の一環として AC___________________________________________# kenw@post.kek.jp

6.6 kV を受電する受電盤内の VCB の更新も適宜進めている。対象はテストステーションを除く 15 台であり、
2020～2022 年度の間に合計 9 台の更新が完了した。今後も継続して更新を進める。次いで、設置から 20 年を経過したクライストロン電源制御用 PLC の更新も本格的に開始した。2023 年度は PLC の調達に充て、2024 年度から順次更新を進めていく計画である。
2.2 立体回路
立体回路周りでは、大電力用ウォーターロード（連続波 1.2 MW 仕様、f0= 508.9 MHz）の保守を中心に実施している。SuperKEKB 加速器 MR のリング RF で使用するウォーターロードは 2 種あり、30 ステーションすべてに設置される[4, 5]。Figure 1 にウォーターロードの高周波
窓周辺の断面構造を示す。導波管の規格は WR-1500
である。想定される運用に対し、十分な吸収特性とウォーターロードを含む冷却系全体の寿命を考慮し、純水に市水を混ぜた混合水を吸収体として使用している。
水質は導電率で管理し、5~20 µS/cm の範囲で運用している。ウォーターロード設計に際し、U タイトシールを用いた水に対するシール、アルミ製導波管とステンレス製
水タンクの接触面で機能させる RF に対するシールド機能を両立させることが求められる。
直近の状況として、D5-A で使用される円筒導波管型
ウォーターロードで発生した事例を報告する。このロードは、2022ab の運転までに高周波窓接続フランジから冷Figure 1: Cross section of water load around RF window.
却水の微少リークが発見され、また同箇所からの電波漏洩の増大が検出された。2023 年 5 月にその原因調査の- 586 -

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ためのロードの分解作業を実施したところ、アルミ導波管の接触面に沿った形で高周波窓の割れが発見された。
一方でこの高周波窓と U タイトシールとの接触面においては、ごく一部にシール面を跨ぐようなクラックが検出されたが、状況から割れの起点ではないと判断した。また、
ヘリコ溝内には、溝加工に起因したシール面を跨ぐわず
かな段差が検出された。微少リークの主要因としてヘリコ溝の加工の問題と推測している。この冷却水のリークにより、RF シールドとして機能させていたアルミ製導波管が腐食した（水酸化アルミとなる）。アルミ部分が導体から誘電体へ変質したことで、電磁波に対する遮蔽効果が弱くなったと判断している。本機に対しては、高周波窓の交換と新たな仕様の U タイトシールを採用することを計画している。Figure 2 および Fig. 3 に分解後の高周波窓、導波管および水タンクの様子を示す。

器において、特に寿命という観点で高周波窓周辺の構造に問題があることが受入れ試験後の運用で判ってきた。
以降、Ｕタイトシールの状況にフォーカスして述べる。
D5-A で使用するロードは 2013 年 3 月にまでに製作された初期ロッド 3 台のうちの 1 台である。製作後、受入れ試験の一環として、加圧試験を行う。このとき、加速器へ組み込んだときの状況を想定し、常温（~30 ℃）および温水（35~40 ℃）の環境下で試験した。加速器運転時に接続する冷却水システムの水圧（入）は、開放系のため最大で 0.15 MPa となる。この圧力環境において想定される水温の変化に対しリークしない設計が求められる。
試作機を含む製作初期の U タイトシールの仕様は、矩形導波管型のものを踏襲した（外皮：銅、表面処理なし）。
初期ロッド 3 台に対して行われた加圧試験では、3 台す
べてにおいて温水環境下においてリークが確認された。

Figure 3: Waveguide and water tank after disassembly of
D5-A.

Figure 2: RF window after disassembly of D5-A.
2.3 円筒型ウォーターロードの運用および開発状況
円筒導波管型ウォーターロードは、KEKB 建設当初
1998 年に開発された矩形導波管型ウォーターロードの後継機に相当するものである。開発の経緯に高周波窓
周辺の発熱の抑制と小型化が挙げられ、KEKB の運転終了後の 2010 年から開発がスタートし、2012 年 3 月に試作機が完成した。2013 年 3 月に 3 台、その後 2014 年
3 月までに 8 台の計 12 台を製作した。これらのロードは大穂地区（D4、D5）に設置される大電力高周波源に全数が組み込まれ SuperKEKB 加速器の運転に用いられている。Table 1 に円筒型ウォーターロードの運用と開発履歴をまとめる。試作機および初期ロッドの 3 台を含む
計 4 台に対し、最大入力 1 MW の大電力試験を実施し、製作後に行う受入れ試験では、高周波窓周辺の発熱が抑えられ、RF シールドの機能が仕様を満たすことを確認している。し かしながら 、開発当初の設計方針では、
KEKB を超える運転期間が想定される SuperKEKB 加速

当時、加圧試験の際に用いた水は低電力試験の実施も兼ね市水としていた。リークの状況を把握するため、4台すべてのロードに対して、加圧・加温のサイクル試験を実施した。いずれもサイクル試験の回数と共にリークの状況に変化が見られ、3 サイクル目の加圧試験では温水
環境下においてもリークは検出されなくなった。このとき試験に要した期間は 1 週間である。試験後、U タイトシー
ルの状況確認のため、分解調査を行ったところ、外皮の銅表面の腐食を検知、また、配管内の異物および腐食により生成された物質がシール周辺に堆積していた。これによる目詰まりがシール性向上の原因となったと推測した。同時に初期に発生したリークが原因でアルミ製導波管側の RF シールド部分も大きく腐食したことも確認した。Figure 4 に分解調査の様子をまとめる。なお、試作機に対してもサイクル試験を実施したが、製作から約 1 年半経過した段階での試験ということもあり、温水環境下でもリークは検出されなかった。当時、試作機は納品後、- 587 -

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受入れ試験のため約 1 ヵ月の期間に亘って水張り、試験後は水抜きをして保管していた。後日実施した分解調査では、初期ロッド 3 台と同様にＵタイトシールに腐食が検出された[6]。

Table 1: History of Operation for the Cylindrical
Waveguide Type Water Loads
Mar

Fabrication of a proto-type water-load.

2012

High-power test (1MW) was done.

Mar

Fabrication of three water-loads (1st).

2013

Water leak appeared during a pressure test by hotwater.
Disassembly work for failure diagnosis.

June

Prepared a U-tight seal with tin coating.

2013

Assembly work with new U-tight seal (2nd ver).
A pressure test by water got through (Max 1.0 MPa).
High-power test (1MW) was done.

Aug

Water cooling system for D4 and D5 was built.

2014

12 water loads set to the RF stations.
Started the operation with tap water.

Oct

Detected corrosion from the cooling pipe of waterloads.

2015

Figure 4: Damage on the surface of U-tight seal cause by
tap-water.
U タイトシールのシール性および耐食性の向上を目的に、シール最表面にメッキ処理を施すことを検討した。
2013 年 6 月に外皮の表面にスズをメッキした U タイト
シールを用意し、初期ロッド 3 台に対し、シールの交換作業を実施した（高周波窓：ダメージなし。再使用した）。
交換後に実施した加圧試験では飛躍的なシール性の改善が見られ、温水かつ 1.0 MPa の環境下においてもリークは検出されなかった。続いて行った大電力試験でも、正常な動作を示した（吸収体：市水）。シール性の改善が確認された後、この仕様を反映させた 8 台を 2014 年 3月までに製作した。この 8 台は納品後、直に大穂地区の立体回路へ組み込んだ。

Aug

Failure diagnosis was done for 12 water-loads.

2016

Then, small water leak due to corrosion of tin
coating part and a damage of RF shield on the
waveguide were detected for all water loads.

Dec

Prepared a U-tight seal with Ag+Au coating.

2016

Assembly work with new U-tight seal (3rd ver) for
one station.
A pressure test by water got through (~0.3 MPa).
Assembly work with new U-tight seal (3rd ver) for
all other stations.

Nov
2017
2018

A large water leak from D4-G occurred due to a
crack in the RF window (**).

June
2018

Install a water leak detection system for all waterloads of MR and DR.

July

A large water leak from D5-C occurred due to a
crack in the RF window (**).

Apr

2018
June
2020

Oct
2021

Figure 5: Corrosion of the U-tight seal with tin coating.

Water quality was changed from tap water (~350µS/cm) to mixed water (~20 µS/cm).
E-field level from flanges of RF window wasincreased due to unknown factor.

July

2023

A small water leak from D5-A and D5-E detectedby visual inspection. E-field level from flanges of
RF window also was increased due to this waterleak.
A large water leak from D4-A occurred due to a
crack in the RF window (**).
Disassembly work for D5-A to check cause of
microwave and water leaks.

** It was detected several days after an epicenter earthquakewith a seismic intensity of 4 of higher occurred.

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スズメッキ部分が完全に無くなり、外皮も侵食を受けたことが確認された。また、堆積物が蓄積しやすい隙間部分
で腐食の進行が速い傾向が見られた。
立ち上げから 2 年後の 2016 年時点で長期運転に際し、その保守性に対し多くの問題が発覚した。この対策として U タイトシールの耐食性の向上を再考し、最表面を金でコーティングする方針とした。ただし、外皮の上に金（~5 µm）のみのメッキでは、メッキの隙間（孔）から外皮が侵食される可能性が考えられたため、外皮と金の間に50 µm の銀メッキを挟む 2 層構造とした。2016 年 12 月に
D4-E のウォーターロード 1 台を用いて、上記仕様のFigure 6: Cross section of U-tight seal with tin coating afterU
タイトシールの性能試験を行った。本試験では初期仕
disassembly at Oct 2016.
様のメッキなしのシールと比較してシール性の向上が確
ウォーターロードの実質的な運用は、2014 年 10 月か 認された。1 年後の 2017 年 11 月に残るすべてのウォーら開始した。2014 年 8 月までに D4 、D5 に冷却水循環 ターロードに対し、上記仕様の U タイトシールの交換を装置を製作し、次いで配管系の製作・繋ぎこみを行った。 実施し た。こ の とき外し た 高周 波窓 に対し 、ダ メ ージ
ウォーターロード側に通水する系は閉回路とし、熱交換 チェックを行ったが、割れ・欠けといった機械的な欠損は用の冷却水は施設供給の未処理水を利用する構成とし 検出されなかった。このため、高周波窓に対しては、付た。配管材質は SUS304 相当を採用した。運用開始当時 着した赤錆などの汚れの除去を目的に洗浄を行うのみ
は、市水を吸収体として採用した。以後、Phase1 開始 にとどめ、再利用する方針とした。組立後に行った加圧（2016 年）までにリング RF の立ち上げを進めていった。
試験では、常温および温水環境下で 0.3 MPa、30 分保
運用開始から約 1 年経過した 2015 年 8 月にウォー 持でリークなしを確認した（ただし、規定トルクでの組立
ターロード本体および冷却水系の配管溶接部から腐食 では、微少リークが検出された固体があり、対応として増による水漏れが検出された。外観検査で検出した溶接 し締めをしたロードもある）。ここで、スズメッキ仕様の U タ
部の腐食以外にも接続フランジ周りにおいてもパッキン イトシールは、前述のように規定トルクの締結において－フランジ間において隙間腐食が発生していた。腐食の 1.0 MPa の耐水圧性能を示した。一方で耐食性を考慮し原因は循環水の水質によるものと判明し、吸収体の水質 た銀、金の 2 層構造では、適用する数量が多くなると思うの変更の必要性が生じた。水質変更にあたり、各ウォー ようにシール性能をコントロールできず、シール性能に関ターロードの電気的特性に対する水質・水温依存性を調 しては後退した結果となった。Figure 7 に銀＋金 2 層の査した[7]。円筒型ウォーターロードは、水タンク部分の メッキを施した U タイトシールの断面観察の様子を示す。
全長が矩形導波管型より短いこともあり、純水を吸収体として採用した場合、35 ℃を超える温水環境下において、十分な吸収特性を有しないことが測定より確認された。
一方で、一般に SUS 相当で構成される配管系において10 年を超える期間の運用を考慮した場合、貯水する水
質は純水に近いほどよい傾向がある。ここで水質依存の調査では、市水を純水で希釈し、その割合を導電率で評価した混合水を吸収体の候補として考え、その特性を測定し た。そ の結果、導電率 5~20 µS/cm（市水割合2~5 %）の混合水であれば、想定される水温変動の範囲 Figure 7: Cross section of U-tight seal with Ag + Au
において十分な吸収特性を有することが確認された。以 coating after disassembly at June 2018.
後、2015 年 10 月から現在に至るまで、混合水を吸収体
2 層構造の U タイトシールへ交換した後の 2018 年 4として使用している。水質の管理は冷却水配管系に挿入
月、7月、2021 年 10 月に高周波窓の割れが原因によるされた導電率計で常時モニタリングし、必要に応じて、市水漏れが発生した。いずれも割れの起点は、アルミ製導水又は純水を給水することで対応している。
2016 年夏季の運転では、高周波窓接続フランジ周り 波管側とのあたり面であり、また、この割れは U タイトシー
から電波漏洩の増大が検出され、その原因調査のため ルのシール面を跨ぐ形に成長していた[8]。この水漏れに同年 8 月にウォーターロードの分解調査を実施した。 が検出される数日前には震度 4 を超える直下型の地震
そのときの様子を Fig. 5 にまとめる。分解調査では、U タ が発生しており、その振動が高周波窓の割れの引き金
イトシールまわりに冷却水配管で発生した赤錆が堆積し になった可能性も考えられる。このとき U タイトシール表ており、赤錆が起因と思われるメッキおよび外皮の腐食 面の状況もチェックしたが、シール表面に対して腐食はが確認された。また、他の原因の一つに冷却系立ち上 一切検出されなかった。表面材質を金とすることにより耐げ時に採用した市水の影響もあったと推測する。U タイト 食性が向上することが確認された。高周波窓が割れた
シールに発生した腐食の分布を観察すると、RF 入力時 ウォーターロード 3 台に対する修理は、アルミ製導波管の電磁界分布に依存する形で腐食の進行に有意な差 の機械加工による補修、高周波窓および U タイトシールが見られた。Figure 6 に分解調査で外したスズメッキ仕様 の交換で対応した。直近の状況は 2.2 に示す通りである。
現状、冷却水まわりの配管系の腐食は、吸収体の水質の U タイトシール断面の様子を示す。水と接触していた- 589 -

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PASJ2023 WEP34を市水から純水に近い混合水に変更したことにより進行が止まり、良好な状態を維持している。今後も5~20 µS/cm の混合水での運用を継続する方針である。
U タイトシールについては、シール性と耐食性を両立させたコーティングについて再検討する必要がある。銀＋金メッキ仕様の U タイトシールのシール性の問題は、富士、日光地区で使用する矩形導波管型のウォーターロードでも確認されている[2, 9]。矩形導波管型では、微少リークの状況には個体差が見られ、リークが発生していないロードも存在する。一方で、スズメッキ仕様では、矩形導波管型でも円筒型導波管型と同様に非常に良い
シール性を示している。また、矩形導波管型ウォーターロードで使用しているスズメッキ仕様の U タイトシールは混合水環境下の長期間の使用において、8 年以上の使用に耐えうるデータが定期検査の結果から得られている。
同時にこれまでの運用の経験から、市水環境下では 10
年を超える長期間の運転に適さないことも判明している。
これらの調査結果から、U タイトシールのコーティングとして、外皮の銅を保護するための金に加え、シール性の向上を目的とした層として、スズを採用した 2 層構造を検討している。2023 年度に実施する D5-A のウォーターロー
ドの修理に合わせて、新シールの試験を計画している。
2.4 インフラ周り
インフラ周りでは、トリスタン時に建設し、現在も引き続き運用している蒸気冷却系の老朽化対策を進めている。
2022 年～2025 年にかけて腐食している空冷塔の通風口
まわりの補強工事を行う計画を立てている。2023 年度までに MR の運転に使用される 6 台の空冷塔のうち半数の 3 台に対し、工事を行う予定である。また、ファン用モーターの更新も適宜実施しており、現時点で負荷の大きい商用側（50 Hz 固定）の更新が完了している。その他には、ファンの運転に使用するインバータユニットの更新も進めており、老朽化が原因の突然の故障を想定し、
LS1 中に 1980 年代のユニットすべての入替を計画している（Fig. 8）。

た。LS1 中は、主としてクライストロン冷却系の老朽化対策を中心に作業を計画、空冷塔の補強・補修工事およびファン用モーターの更新を進めた。同時にファン駆動
用のインバーターおよび電磁開閉器など制御盤まわりの更新も進めた。
立体回路では、大電力用ウォーターロードの損耗調査とその診断結果を元に性能向上を目的とした開発を進めいている。現状では、耐食性とシール性の両方を兼ね備えた U タイトシールの開発を中心にスタディを進めている。
今後も継続する運転のために予備機の調達を行いつつ、各種老朽化対策を進めていく。

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Thailand, 2022, pp. 1-5. MOPLXGD1.
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systems during phase2 operation in SuperKEKB”,
Proceedings of the IPAC19, Melbourne, Australia, 2019, pp.
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system of MR for the operation until 2022ab in SuperKEKB”,
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[7] K. Watanabe et al., “Current status of the high-power RF
systems in SuperKEKB for phase2”, Proceedings of the 14th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,
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WEP055.
[8] K. Watanabe et al., “Current status of the high-power RF
systems during phase2 operation in SuperKEKB”,
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Accelerator Society of Japan, August 7-10, 2018, Nagaoka,
pp. 464-467, PASJ2018 WEP057.
[9] K. Watanabe et al., “Survey and analysis of the actual
condition of the rectangular-type water load for high powerrf system in MR of SKEKB”, Proceedings of the 19th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, October
18-21, 2022, Online (Kyushu University), pp. 464-468,
PASJ2022 TUP054.

Figure 8: Update of INV for klystron cooling unit.

3.

まとめ

本報告では SuperKEKB 加速器 2022ab 終了後に開始した LS1 期間中における大電力高周波源の状況と円筒導波管型ウォーターロードの開発状況について述べ- 590 -