加速器と電子管技術
高エネルギー加速器研究機構
福田 茂樹

2013/8/4‐5

第10回日本加速器学会・技術研修会

1Accelerator Laboratory

本学会でのお話の内容• 電子管の昨今• 関連する電子管簡単な原理・現状・メンテな
ど、加速器で使用される電子管の主なものを
ユーザーサイド目線でお話ししたい。
– 熱電子カソード– ◎サイラトロンとその取扱い方– ◎クライストロンとその取扱い方– その他○IOT/（板極管/Magnetron/Gyratron）
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2Accelerator Laboratory

電子管技術の現状• 電子管は現在時代遅れ的で世間一般では使用頻度は少な
くなってきているが、加速器分野では、半導体で代替えされない部分でまだ電子管又は関連技術が使用されている。
（用途的住み分け：電子管：高電圧にかかわるもの⇔半導体：大電流）• 主な用途：– 熱電子の発生：電子銃カソード
TVのブラウン管の衰退により熱電子銃陰極の調達が非常にやりにくくなった。加速器用途では海外メーカが頼り– 大電力・大電流SW素子：サイラトロン– 大電流マイクロ波源：板極管・IOT・クライストロン・ジャイラトロンその他のデバイス（多くの会社が撤退した。米国では日本よりも電子管分野は健闘している。あまり廃業しているところは少ないようである。Military‐useの関係もあるように思える）

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3

Accelerator Laboratory

電子管技術が廃れたことによる問題点•

電子管メーカーが採算取れなくなり、廃業、部門縮小等で生産を中止：メーカーが減少 （日本）•

一方で高電圧下でのデバイス運転による、SWや大電力マイクロ波源発生の用途では電子管のニーズは続くと思われる。
⇔
世の中一般の経済的ニーズと加速器のニースの間にずれが生ずる••

このままの現状が続くと、数少ない会社も撤退し、調達が不可能になる恐れがある。
どうするか？？

•

何れ必要な電子管デバイスは加速器のように自分で設計して製作する時代が来るかもしれない
それは可能か？→設計は可能である！
– 電子管デバイスの動作原理等は物理的な内容が豊富である。
– 加速器研究者にとってなじみ安いものである⇒
一方で若い人は寄り付かないために知識不足に陥りやすい。
（従来から電子管分野は会社任せ、ブラックボックスで扱ってきた）
一方で電子管全盛時代に確立した技術の維持は難しい。これは信頼性のある電子管デバイスを作るのが難しいということを意味する。（金属工学、表面物性物理など）
現在ですら、昔のような信頼性の高いデバイスの入手が段々困難になっている。
勝手使用したデバイスで同じ会社の同じ型名でも昔と同じでない！！
カタログに有っても問い合わせると製造中止となっている（この辺の事情は海外でも同様である）•••

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4Accelerator Laboratory

電子銃・カソード
電子管と言えばまず必要なコンポーネントは電子銃カソードである。
熱陰極、例陰極いろいろあるがその辺の事情はどうか

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5

Accelerator Laboratory

ブラウン管の消滅が与えた影響•

TV業界は現在プラズマDisplay・液晶Display・有機LEDと変遷が激しい。ブラウン管が消えて久しい。このような状況で手頃に入手できる熱陰極カソードの製造
メーカは日本では激減している。

•

私は熱陰極カソードを使い加速器の教材などを作ったことがあるが、その時に使用した安く入手できる熱陰極カソードメーカーは既になく入手困難である。

•

電子加速器では電子銃が必須でありRF電子銃が盛んになったとはいえ、熱電子
銃へのニーズは高い。この分野では米国をはじめ日本でもカソードの供給メーカは健在であり、十分に供給の要望にこたえてくれているので心強い。米国では電管分野が日本と比べて廃れているとは言えない状況である。Millitary Demand 等
幅広い需要がある事、若い研究者・技術者もそれなりにいる点が日本と違うとこ
ろである。

•

米国では Eimac 社、Spectramat社、 Semicon社、 Heatwave社 等がカソードを供給している。国内でも東芝社を始め、製造しているところはいくつかある

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6

Accelerator Laboratory

•

•

•

•
•

•

現在電子管や加速器に使われている
カソード

20～30年前に使用されていた酸化物被覆陰極はその比較的低温でのエミッション特性が良くすぐれたものであったが、真空雰囲気の残留ガスに敏感であり、また水分に弱くエミッションが減少する欠点から次第に使われなくなった。
Ba含浸型カソード(BIカソード）と呼ばれるBaO、CaO、Al2O3などをWベースの多孔質に吸着させたものが酸化物カソードに置き換わり、動作点は高いが安定な陰極として使われ始めた（B型カソード、S型カソード）。
その後、Ba含浸型カソードの表面に希土類の元素をコーティングして動作温度を下げる試みが始まり、IrコートやOsコートしたカソードで動作温度が低いものが開発され、それが主流となった。（Osは人体に有害なために日本では使用されない）
電子ライナックの電子銃にはEimac社のBIカソードが良く使用される。一部にはLaB6カソードも使われる。
大電力パルスクライストロンではSLACが1980年代に採用した、Scandateカソード（Sc２O3とアルミナのMixをWベースのポーラスに吸着させたもの）が使用され始めた。KEKでも使用するクライストロンにこれを採用したので、現在多くのパルス管ではScandateカ
ソードが使用されている。これはFSCL領域（Fully Space-charge Limited)にならない特性を持っている。
最近の加速器の電子銃はRF電子銃が多く採用され、熱陰極型カソードのニーズは減少している。管球などの製造にあたっては長納期部品なので要注意。

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7

Accelerator Laboratory

サイラトロン
代表的な電子管スィッチングデバイスであるサイラトロンについて
現状、技術的な取扱いで重要なものについて述べる
ここでは主に加速器に用いる大電力用のサイラトロンについて述べる

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8

Accelerator Laboratory

何故サイラトロンか？
KEKの規模と統計から言えること• KEKは加速器の規模が大きいので電子管の管種、運転の統計（故障統計、寿命統計、維持管理統計）などの蓄積がある。この辺から何が重要な因子か推測がつく。
• 電子ライナックの運転において、RF源の故障が一番多く、その中でもRF電源トラブルが多い。以下に示すようにその中でサイラトロンの占める位置が大きい。
また、サイラトロンはクライストロンまでは行かないまでも値段が高価であり、なるべく寿命を長く持たせながら使用を続けることが重要である。
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9

Accelerator Laboratory

KEK電子・陽電子入射器

・B中間子・反B中間子を大量に作り、その崩壊過 程を観察してそこにCP対称性の破れがあるかど うかを検証する。（９９年より実験開始）
・ CP対称性の破れを証明。
・前人未踏のルミノシティ１０３４cm-2s-1を達成。

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上空から見たKEK
入射ビーム
Ring
粒子
エネルギー
バンチ当りの電荷
パルス幅
蓄積電流
つぎたし開始電流
入射時間
入射間隔

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HER
LER
電子
陽電子
8 GeV
3.5 GeV
1 nC
0.6 nC
シングルバンチ
1150 mA
1250 mA~700 mA~900 mA
1 min
5 min
1h
1h

PF
電子
2.5 GeV
0.2 nC

PF-AR
電子
2.5 GeV
0.2 nC
1 ns
400 mA
40 mA~250 mA
0 mA
3 min
2 min
24 h
8h

10

KEKB 電子陽電子ライナックのRF源
旧型電源

Accelerator Laboratory

Klystron Specifications
OutputPowerRF Pulse Width
Efficiency
Perveance
Beam Voltage
RepetitionRate

46 MW
4.0 µs45 %2.1 µA/V3/2
298kV
50Hz

SLED
Klystron
新型コンパクト電源

Modulator Specifications
Max. Peak OutputPower
Max. Average OutputPower
Pulse Transformer Ratio
Primary OutputVoltage
Primary OutputCurrent
Total PFN Capacitance
Pulse Rise time(10-90%)
Pulse Flatness(P-P)
Pulse Width
ThyratronAnode Voltage
ThyratronAnode Current
ThyratronAverage Anode Current
RepetitionRate

108MW
30 kW
1:13.522.5 kV
4.8 kA
0.6 µF
0.8 µs0.3 %5.6 µs
45 kV
4.8 kA
1.3 A
50 Hz

Pulse Modulator

Pulse Transformer Tank

KEKBリニアックRF源：60台使用
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Circuit Diagram of KEKB Modulator
Accelerator Laboratory

クライストロン電圧・電流、RF波形

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12

Accelerator Laboratory

運転時間と故障率の履歴

KEKB用の総運転時間（高圧印加時間）：約75,000時間（２００９年７月）

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13

RF系及びクライストロン電源のトラブル

解析

Accelerator Laboratory• ライナックの故障内訳（FY2007）• 電源の故障内訳

運転時間全体 : 6322 Hours
機械故障時間 : 114 Hours

電源の故障時間= 17.6 Hours

53% of RF failure

RF源の信頼性は直接的にライナックの信頼性に直結する
2013/8/4‐5•Keep-alive 電流調整
•Thyratron 故障•Air cooling fan

電源の稼働率=0.997

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14

Accelerator Laboratory

•
•

•
•
•
•

サイラトロンの動作原理

ガスを封入した電子管などで電圧をかけた時の気体放電特性を利用したものである
ガス入り放電管に電圧をかけると、初めはタウゼンド放電と呼ばれる電圧につれてわずかに放電電流が増加する現象が起きる。ある閾値の電圧(絶縁破壊電圧）を超えると急に放電電流が増え電極間電圧が下がるグロー放電領域となる。
さらに電圧をかけると放電が進むアーク放電領域となる。この特性は管内ガス圧ｐｘ電極距離ｄと放電電圧の関係を示した
右図（パッシェンの法則）となる。
熱陰極を用い適当なガスを封入し（サイラトロンの場合水素封入が多い)アーク放電を持続させたものがサイラトロンである。
通常はGridが入りこのG電極電位をから陽極電位に近づけると放電が開始される。放電電流は大きく、電極間電圧は低いのでSwの役割を果たす。
臨界格子電圧を超えてから放電が完成するまではかなり時間を要し、これをイオン化時間と呼ぶ。
放電を停止させるには、中で生じた正イオンが再結合して消滅することが必要で（消イオン時間）イオン化時間より長い

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Accelerator Laboratory

水素入りサイラトロン①• 下図に水素入りサイラトロを示す。
• 初期はガラス真空管で出来たサイラトロンが多かった。現在
セラミック管が多い

一部のものの仕様は後で表にて示す

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Accelerator Laboratory

水素入りサイラトロン②
グリッド点火過程

グリッドから陰極への放電過程
陽極電圧
陽極から陰極への放電過程
グリッド電圧

グリッド点火電圧
グリッド電圧

陽極電流
グリッド電流グリッド点火電流

水素入りThyの放電開始時間

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Accelerator Laboratory

サイラトロンの構造

アノード電極

コトロール
グリッド
補助
グリッド
カソード電極
ヒータ
リザーバ
タンク

F241の内部構造
寿命時間：41,458H

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18

Accelerator Laboratory•

パルス電源のSW素子としてのサイラトロン

レーダやクライストロンのパルス電源に用いられるSW素子として当初Spark Gap
や真空SW(イグナイトロン)を使っていたが仕様に合わなかった。1963年代に当時出始めた水素入りサイラトロンを採用し始め現在につながった。

• いろいろな水素入りサイラトロン
品名

陽極逆耐電圧 陽極順耐電圧

ピーク陽極電入力インピー フィラメント電 フィラメント電
トリガー電圧
流
ダンス
圧
流
A
V
Ω
V
A

単位

ｋV

ｋV

3G45 (1G45P)

3

3

35

>150

<100

6.3

2.5

4C35 (1G35P)

8

8

90

>150

<100

6.3

6.3

5C22 (2G22P)

16

16

325

200-300

500

6.3

10

5948
1257
8479
(KU275A)

25
33

25
33

1000
2000

700-1000
1320-2500

20-50
20-50

6.3
6.3

30
40

50

50

4000

1500

100

6.3

75

• 現在の大きいサラトロンの実際 → 次スライド参照
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ライナックで使用されるサイラトロン
Accelerato Laboratory

サイラトロンF‐241の規格と使用値
ヒータ電圧

6.3 V

ヒータ電流

70 A(最大)

リザーバ電圧

2.5~6.0 V

リザーバ電流20 A(最大)

ピークアノード電圧

45 kV (最大50 kV)

ピークアノード電流

4.8 kA(最大10 kV)

平均アノード電流

1.3 A(最大8 A)

アノード電流立上り率

5 kA/µs(最大10kA/µs)

ピーク制御グリッド電圧

1.0~4.0 kV

制御グリッドパルス幅2 µs(70%値で)Litton
L4888BCX2410K

F241

L4888B

Heater（Vac/Aac）

6.3/75

6.3/65

6.3/70Reservoir（Vac/Aac）

5.0/17.5

4.5/15

4.5/20Max. Peak Anode Voltage(kV)

60

50

50

Max. Peak Anode Current(kA)

15

10

10

Max. Average Anode Current(A)

10

8

8

Max. Anode Heating Factor(109 ・V・A・pps)

300

250

400

サイラトロンの設置
Driver circuit•Keep alive has ~250 mA dc current at 100 V
2013/8/4‐5

ITT
F‐241

E2V
CX2410K

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Accelerator Laboratory

サイラトロンの機能及び加速器運転に与える影響• サイラトロンの機能– サイラトロンはスィチイング素子であり、PFNに充電された電荷をサイ
ラトロンを通じて放電させ、パルス波形を生成する。
 サイラトロンの電子管機能（カソード、電極間耐圧、冷却）– 放電タイミングを与えるトリガー信号ですぐにパルスを発生させ、パルス遅れやジッターを極力小さくする。
 管内水素分圧調整（リザーバ電圧）、Keep‐alive機能– SWオフの管はPFNに対する充電の高電圧に十分耐えなければならない。
 サイラトロンの耐圧(各電極間のセラミックの耐圧：クリーニング）– パルス放電後に逆充電等起こさずに速やかに次のパルス生成に備える。
 サイラトロン周辺の回路、パルス電源の動作点（負荷整合等）• サイラトロンのメンテナンスは上記の機能を正常に保つことを念頭に置いて行う。

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21

KEKにおけるサイラトロンの運転状況、故障

内訳及び寿命Accelerator Laboratory• 統計期間(1998・9月〜 2008・2月）
サイラトロンの故障（Fault)内訳

サイラトロンの運転時間

etc
Reservoir
failureArcing

G1 arcing
Failure ofkeep-alive: 25%

サイラトロンの寿命分布: 全管数=74

KEKで確立したサイラトロンのメンテ等の取り組み

Number of Tubes

10
CX2410K
F241
L4888B

8
6
4
2
0

0

10

20

30

40

50

Time(kHours)

60

性能、寿命はロット毎、会社ごとで異なる。
寿命は平均で33,400時間となった。
2013/8/4‐57080•納入後使用前に全数受け入れ高圧試験•重要な所では早めに交換を行う（2年ごと、12000時間目安）•運転上・重要度の低い所は交換した中古品使用•あらかじめ寿命の予想を行い交換計画を立てる（keep-aliveの故障モード、リザーバ設定履歴から判断）•長期シャットダウン時のメンテナンス（リザーバ電圧調整、ジッターやパルスタイミングチェック、
清掃）

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22サイラトロンのメンテナンス作業

Accelerator Laboratory

サイラトロンの 平均故障間隔（MTTF） : 33,400 時間 (2月. 2008)
かかるコストを最小にして寿命をなるべく伸ばす

KEKでの取組み
•

•

•
•
•

受け入れ試験 （Acceptance Test）
会社(vendor)では必ずしもフル定格では出荷試験はやってくれない。
100時間運転でBreak down rate が 0.05/ 1 hour 以下であることを確認
Switching Jitter が 10 ns以下であることを確認
Anode delay timeの確認
予備的に故障前に交換を実施
KEKライナック６０ユニットのうち、運転上重要な部分（バンチャー部、入射部、陽電子変換部直後等）では2年の運転時間 (~14,000 時間) を目安に新品のサイラトロンに交換する。
交換されたものは比較的重要度の低いユニットで再利用を行う。
点検や調整を定期的に行う
Reservoir voltage、 keep-alive current, switching jitter
補助グリッド電圧の調整
異常時に定期的メンテナンス（夏冬2階のシャットダウン時実施）
サイラトロンのレンジングと不良品の交換。電極間セラミックの清掃。インターロック動作履
歴、リザーバ電圧、補助グリッド電圧の調整履歴の確認

2013/8/4‐5

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23

Accelerator Laboratory

サイラトロンの受け入れ試験•2004年度より実施•Es=42 kV、リザーバ電圧値はメーカ指定値で２時間以上のエージング後、連続運転して下記の事項を同時に満足したサイラトロンを合格とする。
1. Break Down率< 0.05 回/hour であること。
2. Jitter < 20 nsであること。
3. Anode Delay Timeの特性が正常であること。
・時間変動しないこと。
（リザーバ電圧によって大きく変動しないこと）•受入れ試験結果
2001年度(CX2410K)
合格率27%(3/11)
2003年度(CX2410K)
合格率73%(8/11)
2004年度(L4888B)
合格率93%(14/15)
2005年度(L4888B)
合格率100%(15/15)•サイラトロンの工場試験
CX2410Kの場合
・ 50kV, 6.5µs(FWHM), 6kA, 100pps pulse.
・ Reliability test > 8 hours (Run time ~ 17 hours)
2013/8/4‐5

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24サイラトロンのレンジング・
キープアライブの調整

Accelerator Laboratory

サイラトロンの性能を最大限に保つためには切れの良いスィッチングを保つことである。
→トリガーパルスで速やかに管内で放電が起きなければならない。
• Reservoir 調整•

それを左右するのは管内に封じ込まれた水素の分圧を常時最適に保つ。館内には水素リザーバという水素吸蔵素子があり、電圧を加えることで水素分圧を変えることが出来る。
水素分圧が高いｰｰｰ放電しやすい。しまいには連続放電する
水素分圧が低いｰｰｰ放電しにくい。放電しても時間的に安定でないためにジッターが多くなる。

レンジング調整ー水素分圧を丁度良い電圧に保つ•

Keep‐alive 機能
速やかにトリガーパルスに反応するためにKeep‐alive電極というものがあり、ここに電圧をかけることにより常時カソードとKeep‐alive電極間で予備的な放電を持続させている（Keep‐alive機能）
場合によってはここにPre‐triggerパルスを本トリガー前にかけてKeep‐alive機能を確実化させる場合もある。これによりパルスジッターが大幅に減少させることが出来る。
適切なkeep‐alive電圧をかける必要がある。経年変化があるので調整も必要である。

2013/8/4‐5

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25

サイラトロンの動作点の調整

Accelerator Laboratory

レンジング（リザーバ電圧調整）の例
ガス圧の調整下限値

2013/8/4‐5

設定値

上限値

レンジング記録の例
Tube Type: CX2410K

S/N: 68(95)96‐10‐11: 5‐2取り付け
02‐11‐12: HV‐ON時でIkeep(H,L)ITL
02‐11‐18: HV‐ON時でIkeep(H,L)ITL
03‐01‐08: 運転時Ikeep流れない

第10回日本加速器学会・技術研修会

S/N: 55(95)96‐10‐11: 5‐1取り付け
03‐01‐30: HV‐ON時でIkeep流れない
S/N: 69(95)96‐10‐11: 3‐4取り付け
02‐11‐29: HV‐ON時でIkeep(H,L)ITL
03‐01‐07: Ikeep流れない26

サイラトロンの使用時間と寿命分布
Accelerator Laboratory（２００８年２月現在）

現在運転中のサイラトロン使用時間 : ６０本

サイラトロンの寿命 : ７４本• 運転期間１９９８年９月〜２００８年２月• 製造上及び取り扱い上の不良
使用中の使い方の不適、不注意などによるものは除いた。

品質に大きなバラツキがある

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27

各サイラトロンの寿命分布
Accelerator Laboratory（２００８年２月現在）

Minimum HV(kHours)
Maximum HV(kHours)
Number of Thyratrons
Mean(kHours)

統計

CX2410K
6.0
52.3
34
32.8

F241
6.4
66.0
19
38.9

L4888B
7.9
57.5
21
28.5

全体平均寿命＝33.4k 時間
毎年延びている
2013/8/4‐5

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28

サイラトロンの故障モードと寿命

Accelerator Laboratory

点弧不安定(7%)
ヒータ関係(6%)
アノード
放電(1%)

リザーバ故障(7%)

耐圧不良(32%)

G1放電(13%)2013/8/4‐5

キープアライブ故障(25%)

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29耐圧不良サイラトロンの内部

Accelerator Laboratory

Tube Type: CX2410K
S/N: 65‐9605
Lifetime: 18,432 Hours

Anode Gap

CathodeLower Gap

Grid 1

Anode

2013/8/4‐5

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G1での放電と改善

Accelerator Laboratory

Tube Type: CX2410K
S/N: 85‐98450
Lifetime: 21,510 Hours

原因• G1カソードの構造に起因した問題でカソードからG1をサポートする小さな
3mm程度のセラミック絶縁物にアーク放電が起きる。

G1電極
セラミック管の側面に電極を置く構造。
セラミック絶縁の長さ
75 mm

G1放電を改善した
CX2411G1接続端子での放電痕

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31

Anode Delay Time

Accelerator Laboratory

正常サイラトロン

Grid Trigger & Klystron Voltage Waveforms

Anode Delay Time vs Reservoir Voltage

Anode Delay Time
25%(10V)
Thyratron Trigger
25%(3V)

Klystron Voltage

Rsv = 4.6 V(Recommended Rsv=4.6 V)

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Accelerator Laboratory

Anode Delay Timeの 異常特性の例

CX２４１０Kで最近みられるようになった現象
Anode delay time vs TimeThyratron Cathode and Grid
Grid 2
Grid 1

CathodeGrid1とGrid2の距離を変更したことが原因？
→ 解決済

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Accelerator Laboratory•••

Kicker等に使用されるサイラトロン

加速器におけるサイラトロンの他の使用例は円形加速器における、入射や取り出しようのKickerに使用されるものである。ここではKEKのATF及びKEKBに使用されているものを紹介する。
ここで使用されるサイラトロンの特徴はパルス幅が狭く速い立ち上がりが要
求されることである。
ATFで使用されているサイラトロン：基本的にSLACと同じシステムを使用している– 入射Kicker
CX‐1671D x 2– 取り出しKicker CX‐1671D x 2(パルス平坦部:300ns & 60 ns)
使用時間および繰り返しが低いために現在まで
故障例はない取り出しKickerでのdouble kicker system

2013/8/4‐5

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Accelerator Laboratory

KEKBにおけるサイラトロン
型番

１２本

35kV
（12kV LER
20kV HER)

2kA

CX1826A
CX1154CCX1174１本

20kV(LER)

1.3kA
1.7kA

CX1154
CX1154C

１本

35kV (HER)

3.6kA
2.7kA

CX1175

２本

30kV
(5kV)

定格電圧
（運転電圧）

入射キッカー
電磁石電源(LER/HER)
アボートキッカー
電磁石電源(LER)
アボートキッカー
電磁石電源(HER)
ビーム調整用
垂直方向キッカー

2013/8/4‐5

電源
定格
電流

使用
本数

第10回日本加速器学会・技術研修会

CX117435

保守

Accelerator Laboratory• 夏期保守点検を毎年行っている• 入射キッカー電源のサイラトロンの寿命– CX1154C: ３−４年（50Hz max)
– CX1826A,CX1174は、CX1154Cの２倍以上• アボートキッカー– HER CX1175は、１度交換した– LER CX1154 (CX1154C)は、サイラトロン故障のた
め ２回交換2013/8/4‐5

第10回日本加速器学会・技術研修会

36

Accelerator Laboratory

問題点• CX1154Cは、ダブルパルストリガーで使用する事によって、タイムジッター、トリガータイミ
ングのドリフトが押さえられるようになった。
• SuperKEKBでは、入射頻度が格段に上がるため、より寿命の長いサイラトロンをテスト（候補 CX1174,CX1826A)– これとは別に、半導体スイッチへの置き換えのR＆Dも行っている。

2013/8/4‐5

第10回日本加速器学会・技術研修会

37

サイラトロンの半導体化
Accelerator Laboratory

Structure of SI Thyristor

SIサイリスタSI Thyristor （Cathode）
Diode for Inverse Current
Isolation Band
Gate Electrode

CathodeBuried Gate

Channel
n
Pe++

Gate

n‐
 92 mm

SI Thyristor

Anode

Wafer

P
e

Current Flow

Diagram of the on‐state SI thyristor•Voltage•Turn off current•RMS current•dI/dt2013/8/4‐5

第10回日本加速器学会・技術研修会

4.0 kV
600A
600A
150kA/µs•Normally‐on type device
Vg=‐20V•西沢潤一氏の発明•現在は製造されていない

38

SIサイリスタの性能評価試験
Accelerator Laboratory

ターンオン特性の評価装置

低インダクタンス得るために同軸構造

SI‐Thyristor and Gate driver circuit
Capacitor

Equivalent circuit
DiodesPhotography of the test circuit

Circuit inductance(~136nH)
2013/8/4‐5

第10回日本加速器学会・技術研修会

3945kV SIサイリスタスイッチ
Accelerator Laboratory

SIサイリスタ 15素子直列接続• Hold‐off voltage
45 kV• Peak current• Pulse width• Repetition rates
50 pps• Device:RS1600PA40T1(4kV)]• Connection• Insulation• Cooling

6,000 A
6 µs
SI‐Thyristor[NGK15 devices in series
Oil
Forced oil cooling

700 mmSwitch assembly
2013/8/4‐5

Basic circuit diagram
第10回日本加速器学会・技術研修会

Gate driver circuit
andSI‐thyristor

40

SIスイッチの試験

Accelerator Laboratory

ATFで実機での性能試験

Operation Parameters• Peak output power• Hold‐off voltage• Peak current• Pulse width• Repetition rates• di/dt

2013/8/4‐5

136 MW
45 kV
6 kA
6 µs
25 pps
10 kA/µs

第10回日本加速器学会・技術研修会

41

SIスイッチのスイッチロスの測定

Accelerator Laboratory•Measurement of switch losses by means of calorimetry

PFN
Voltage(kV)

PFNStored energy(J/pulse)

SwitchLosses(J/pulse)

20

162

30

Details of switch losses
Balanceresisters(J/pulse)

Gate
Circuits(J/pulse)

Devices(J/pulse)

9.4(5.8%)

0.98(10.5%)

0.8(8.5%)

7.6(81.0%)

365

21.3(5.8%)

1.92(9.0%)

0.8 (3.8%)

18.6(87.2%)

40

648

32.8(5.1%)

2.77(8.5%)

0.8 (2.4%)

29.2(89.1%)

45

820

41.1(5.0%)

3.10(7.4%)

0.8 (2.4%)

37.2(90.7%)45kVで5 % のスイチング損失(課題)
130 W/˚C

2013/8/4‐5

第10回日本加速器学会・技術研修会

42

Accelerator Laboratory

サイラトロンとSIスイッチの比較
Switching Current

Thyratron : EEV CX1536

2013/8/4‐5

Switching Voltage

Thyratron Switching Time(90‐10%): 40 ns
Solid‐State Switching Time(90‐10%): 208 ns

第10回日本加速器学会・技術研修会

43

Accelerator Laboratory

サイラトロンの価格•

サイラトロンの寿命は２０K～30ｋ時間程度である。時にはそれ良いずっと短い時間で使用不能になる。

•

電子ライナック用のサイラトロンンは概ねどこでもKEKと同じような型式のものを使用している。

•

KEKは毎年10本近いサイラトロンを入札で購入しているが、大学や小さい研究所では１～2本ずつ位しか購入できず、KEKより高い価格で購入せざるを得ない。

•

価格は150～200万円/本である。

•

過去にKEKの入札にあわせて、大学で購入時期をきめ代理店にKEKの数量の価格での購入を行ったことがる。このような仕組みを作ると大学等で安くサイラトロンの調達が可能となる。

2013/8/4‐5

第10回日本加速器学会・技術研修会

44Accelerator Laboratory

RF源としての電子管
主にクライストロン・ついでIOTについて簡単な原理・現状・使用状況・メンテなど紹介する

2013/8/4‐5

第10回日本加速器学会・技術研修会

45

Accelerator Laboratory

加速器に適したRF源• 加速器のRF源に要求される因子
1.

2.
3.
4.

5.
6.

2013/8/4-5

周波数レンジ‐ 0.3 GHz以上の周波数帯ではクライストロンが最適のRF源である。0.3 GHz以下の場合は、半導体増幅器、 IOT 及び板極管などが使用される。安定度の面からMagnetronやTWTはあまり使用されない。半導体
増幅器を除くとほとんどが電子管デバイスである。
尖頭電力値ーエネルギー利得と関連：大きければ短いライナックですみ、コストが安い。印加電圧が高くなるので、管内、加速管内での放電を以下に抑えるかが重要。
平均電力値ーデューティサイクルやパルス繰り返律と関連。CW加速器でも重要。
利得 – 励振増幅器と関連する。高利得であることが望ましい。一般にクライストロンは高利得で50ｄBは容易である。一方IOTでは大体２０～２５ｄBである。板極管などは更に定利得である。電力用手とロードでは5‐6ｄB位しかない。
位相安定性 –クライストロンは電圧駆動型デバイスであり、印加電圧が安定であれば出力電力の位相もまた安定である。加速器では重要な項目。
システムの簡便さ、有用性、そして長寿命性：クライストロンは非常に成熟したデバイスでありこれらの要求を満たす。
第10回日本加速器学会・技術研修会

46可能なRF源 –現状

Accelerator Laboratory

加速器に適した周波数範囲

加速器用途の可能なRF源の中ではクライストロンが平均出力、パルス尖頭出力の点でも最適なデバイスである。

パルス尖頭電力 対 周波数

平均電力 対 周波数

各種RF源の比較」

2013/8/4-5

Efficiency (%)

Bandwidth(%)

Gridded Tube

10‐50

1‐10

Klystron

30‐70

1‐5

Gain
(dB)

Relative
Operating
Voltage

Relative
Complexity ofOperation

6‐15

Low

1

40‐60

High

2

Magnetron

40‐80

High

3

Helix TWT

20‐40

30‐120

30‐50

High

3

Coupled Cavity TWT

20‐40

5‐40

30‐50

High

3

Gyratron

10‐40

1

30‐40

Low

5

第10回日本加速器学会・技術研修会

47電子管での重要なパラメーター; PerveanceAccelerator Laboratory, KEK

Perveanceの定義

サイモンの式

これは空間電荷力を特徴付けるもので、電子の集群過程に深く関係する。効率を左右する。

2013/8/4-5

低 perveance クライストロンは高効率であるが印加電圧は高い

第10回日本加速器学会・技術研修会

48

何故ライナックのRF源はクライストロンか
Accelerator Laboratory, KEK

周波数が３２４MHｚ(J‐Park)以上ではクライストロンがRF源として使用されている。

真空管式とクライストロンの場合のシステムの違い

ゲインが高く(40～50dB）構成が簡単(右図）
電圧駆動型で位相、振幅とも制御しやすい。
TWTのように広帯域ではないが加速器は狭帯域で十分。
大電力化が可能。（～150MW)

クライストロンの概念図
2013/8/4‐5

利得が低いために複雑な多段構成
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単純な構成

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