Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 WEP076

電子リング低エミッタンスビーム取り出しシステム用
アボートキッカー電磁石電源の開発
DEVELOPMENT OF ABORT KICKER ELECTROMAGNET POWER SUPPLY FOR
ELECTRON RING LOW EMITTANCE BEAM TAKING SYSTEMS黄瀬圭祐#, A), 徳地明 A), 三増俊広 B)
Keisuke Kise #, A), Akira TokuchiA), Toshihiro MimashiB)
A)
Pulsed Power Japan Laboratory Ltd. PPJ）
B)
High Energy Accelerator Research Organization（KEK）

Abstract
Research and development of the SuperKEKB electron accelerator which are large current and a low emittance electron
accelerator are advanced by the amount on high energy accelerator research organization (KEK). A SuperKEKB electron
accelerator needs kicker electromagnets with a faster rise time than those in ordinary KEKB accelerator from a requestof larger beam current. The abort kicker system used for a electron ring consists of four magnets for horizontal direction
and one magnet for vertical direction. This paper is concerned with development of the abort kicker electromagnet power
supply which achieve a current at rise time of 200 ns, a peak current of 2.1kAp, a current flattop duration of 10us on ahorizontal kicker magnet of 2.2μH, and a peak current of 2.1kA on a vertical kicker magnet.

1.

はじめに

現在高エネルギー加速器研究機構では大電流かつ低エミッタンス加速器である SuperKEKB 加速器の研究開発が進められている。SuperKEKB 加速器では、大電流を加速する空洞の要求から、KEKB で使用されたようなアボートキッカーの立上り時間では不十分で、より速い立上りのキッカー電磁石が必要とされている。電子リング用低エミッタンスビーム取り出しシステムに使用されるアボートキッカー電磁石は、水平方向 4 台、垂直方向 1 台からなる。
またこのシステムは、その他ビームを広げる為の六極電磁石 1 台、ビームをビームダンプへ導くランバートソンセプタム電磁石１台及び、チタンの取り出し窓からなる。本発表は水平方向 2.2μH というインダクタンスに対して、立上り時間 200ns、ピーク電流 1.7kAp、電流ピーク持続時間 10us と垂直方向マグネットに対して 10μs での電流が 2.1kA を実現した、アボートキッカー電磁石電源の開発に関するものである。

2.

電子リング低エミッタンスビーム取り出しシステム

高エネルギー円形加速器にはアボートキッカーマ
グネットが必要である。周長 3km と言った大型の円形加速器の中には高エネルギーの電子、陽電子、が光の速さに近い速度で回っている。これらの粒子は真空容器の中を磁石の力で制御されながら、壁に衝突しないように回転してる。ところが、加速器に異常が起きたり、制御に問題が発生した場合は、急峻にこれらの高速粒子を回収しないと、粒子がビームパイプや他の機器に当たり、機器に損傷を与えたり壁に穴をあけるなどの障害を与える。アボートキッカーはこのように加速器を緊急停止する場合に、急速にマグネットに電流を流して、高速粒子を安全にビームダンプに回収させるためのものである。円形加速器の中で高速粒子は円形軌道上に連続的に存在しているが、この円形軌道上に一部高速粒子が存在していない隙間がある。アボートキッカーはこの隙間部分が通過するわずかの時間の間に電流を立ち上げることで、この隙間の後から侵入してくる高速粒子をビームダンプに捕捉する。アボートキッカーの電流立ち上がりが早くなると、その分、円形軌道上の粒子の隙間は狭くすることが出来るので、加速器の中を周回する粒子の量を増やすことが出来、加速器、加速空洞の利用効率が向上する。
SuperKEKB 加速器は非対称な電子／陽電子コライ
ダ ー で あ る 。 こ の 加 速 器 は 、 7GeV 電 子 リ ン グ（HER）および 4GeV 陽電子リング（LER）により構成されている。デザインビーム電流は LER の HERと 3.1A の 2.62A である。そして、デザイン水平方向
エミッタンスは HER の 4.6nm および LER の 3.2nmである。アクセラレータコンポーネントとベル II 検出器の保護、および放射線安全のために、個々のリングはビームアボートシステムを持っている。それらは、蓄えられたビームをビームダンプに回収し、リング上のどこにおいてもビームが加速器の機器に衝突することを防止している。加速器のビーム仕様
を Table 1 に示す。

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PASJ2015 WEP076

Table 1: Emittance, Beam Current and Beam Size at theExtraction Window in the SuperKEKB Accelerator
Complex
HERLER

Beam Energy

7 GeV

4GeV

Beam Current

2.62A

3.6A

Horizontal.Emittance

4.6nm

3.2nm

σx@window

0.36mm0.74mm3.

アボートキッカー電源

3.1

目標仕様

電子リング用低エミッタンスビーム取り出しシス
テムに使用されるアボートキッカー電磁石は水平方向４台、垂直方向１台で、各々のキッカー電磁石のインダクタンスは Table 2 に示す通りである。5 台の負荷を一台の充電器で充電し、1 台のサイラトロンで同時に放電する。水平電磁石に立ち上がり時間２００nsec で １．７kA 電流を流し、それを １０μsec 間持続させる。垂直電磁石には１０μsec で２．
１kA の電流を流す。
Table 2: Specifications of Power Supplies for Abort Kicker
Magnets
H Kicker① 水平用磁気圧縮回路
出力電流を 10μs 間持続させるために、パワークローバー回路を基板実装で使用している。電流の立上りを高速化（200ns）する為に磁気スイッチを使用している。１台の放電スイッチで水平電磁石電源、水平電磁石用パワークローバ電源、垂直電磁石電源、四極電磁石電源、四極電磁石用パワークローバ電源にパルス電源を供給するため、パルストランスを使用する。
パルストランス、磁気スイッチに使用するコアの形状は全て同じ同心構造であることから、実装方法
として、全てのコアを同一中心軸上に並べて配置し、円筒状の油タンクの中に収納した。パワークロー
バー回路基板、コンデンサも同様に円形で実装した。
円筒の片端面が入力端子側になり、もう一方の端面が出力端子側になるが、それぞれの端面の中心部分に絶縁貫通端子を設け、大気側から油中へバイアス電流を通電できる構造とする。両端面に取り付けた絶縁貫通端子間は油タンク内で中心軸上に沿って電気的に接続されており、この端子間に電流を導通することで全てのコアにバイアス電流を流すことができる。出力端子部に CT を実装し、出力電流のモニターを行っている。油はシリコンオイルを使用している。Fig. 2 にタンク内部組立図、Fig. 4 に外観写真を示す。

V Kicker

Inductance

2.4μH

7.5μH

Output Current

1.7kA

2.1kA@10usec

Wave Rise Time≦ 200nsec-≧ 10μs-

(2%-90%)
Output Duration

3.2設計構成

充電器は出力電圧 DC40k を使用し、スイッチン
グ素子はサイラトロン CX1175C を使用する。1 台の充電器、サイラトロンで水平電磁石 4 台、垂直電磁石 1 台に電力を供給する。Fig. 1 にアボートキッ
カー電源のブロック図を示す。

Figure 2: Inner structure of pulse compressor for horizontal
magnet.

Figure 1: Block diagram of the power supply for kicker
magnet.

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PASJ2015 WEP076② 垂直パルストランス
垂直パルストランスは負荷 7.5uH に対して 10μsec
時に 2.1kA の電流が出力されるように内部パラメータを調整し設計した。水平用磁気圧縮回路と同様に円筒状の油タンクに収納した。出力端子部に CT を実装し、出力電流のモニターを行っている。油はシリコンオイルを使用している。Fig. 3にタンク内部組立図、Fig. 4 に外観写真を示す。

Figure 5: Output Current Pulse Forms (Horizontal).

Figure 3: Inner structure of pulse transformer for verticalmagnet.

Figure 6: Output Current Pulse Forms (Vertical).

4.

Figure 4: photographs of a pulse compressor for ahorizontal magnet (left) and a pulse transformer for a
vertical magnet (right).
3.3

今後の展望

従来のアボートキッカーの立ち上がり時間は 2μsec 程度あり、それがさらに 0.5μsec 程度まで改善されてきた。今回、われわれが開発したアボートキッカー電源はそれを更に 0.2μsec にまで短縮出来ることが確認できた。アボートキッカー電源は立ち上がりを早くしようとすると、電源の電圧が 100kV 以上と非常に高くなり、その放電スイッチの実現が技術的に非常に困難であったが、今回、磁気圧縮回路と言う新しい回路方式を採用することにより、従来方式に対して圧倒的な高速化を実現できた。
単体評価試験により目標仕様どおりの特性を確認できた。次のフェーズとして、水平４台、垂直１台の５台を同時での性能評価、電磁石と接続しての性能評価を経て、本年度(2015 年)中に設置完了する予定である。

参考文献

評価試験結果単体での評価試験結果を以下に示す。Fig. 5 は水平用磁気圧縮回路のタンク内に実装したカレントモニターの出力電流波形である。立上り時間 200ns、ピーク電流 1.7kA、10μsec 間持続している。Fig. 6は垂直用パルストランスのタンク内に実装したカレントモニターの出力電流波形である。10μsec で2.1kA の出力を確認した。

[1] T.Mimashi, et al., “THE DESIGN OF BEAM ABORTSYSTEM FOR THE SUPERKEKB”, IPAC’10,The 1stInternational
Particle
Accelerator
Conference
Kyoto,Japan/May 23-28,2010.

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