X バンドクライストロン用ブルームライン型パルス電源の R&D
小林靖雄1,A)、今久保知史 A)、萬代新一 A)、徳本修一 B)、門倉英一 B)、松本修二 B)、明本光生 B)
A)

石川島播磨重工業（株）〒235-8501 横浜市磯子区新中原町 1 番地
B)

文部科学省 高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1
表 1 ﾌﾞﾙｰﾑﾗｲﾝ型パルス電源仕様

概要
PPM収束Xバンドパルスクライストロンのドライブ用に使用しているブルームライン型パルス電源のR&Dを行った。
その電源の構成、特徴（通常のPFN型と比較しての有利な点、不利な点の評価。またPFN充電方式にインバータ電源方式を採用した紹介、及びその制御システムの特徴等）について報告する。

項目（ﾊﾟﾙｽﾄﾗﾝｽ 1 次側）
出力70kVmax
1.5μsec

パルス巾（フラットトップ部）

繰返し周期

充電器

１．はじめに現在、高エネルギー加速器研究機構（以下 KEK）
で JLC（Japan Linear Collider）用の PPM 収束 X
バンドクライストロンの開発を行っており、そのドライブ用に IHI で製作したブルームライン型 PFN で構成されたパルス電源を使用している。
’91 年に製作してから現在まで、仕様の変更、改良により以下の箇所を変更してきた。
パルストランス部（昇圧比 1:7 から 1:8 へ）、PFN部（パルス巾フラットトップ部 1.5μsec にするため段数を 40 段×2 並列化）、リバース回路部（シミュレーションでの解析を行い、使用素子・定数の最適化）、サイラトロン部（異常放電時の目視可能な構造への改造）、充電器部（サイリスタ整流直流電源を用いた共振充電方式からインバータ方式への置換え）、制御盤（リレーシーケンス方式からシーケンサを用いたタッチパネル操作化）を行ってきたが、1つのシステムとして完結してきているので紹介する。

仕様
パルス電圧

PFN50p/s

電源容量34kW

入力電圧3φ,420V

充電電圧70kVmax

平均充電電流1.2A

キャリア周波数10kHz

インピーダンス17.4Ω

PFN 段数（片側）20 段の 2 並列

PFN 定数（ｺｲﾙ､ｺﾝﾃﾞﾝｻ）

1.06μH,3.5nF

昇圧比

1:8

パルストランス

2.2 装置写真及び概略配置図
出力ケーブル

ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ
ﾊﾟﾙｽﾄﾗﾝｽ
ﾌﾞﾙｰﾑﾗｲﾝ PFN 部

ﾌﾞﾙｰﾑﾗｲﾝ
ﾊﾟﾙｽ電源4000mmｻｲﾗﾄﾛﾝ

ﾘﾊﾞｰｽ回路

２．電源仕様充電器
高圧部

現在の電源の主な構成は、インバータ方式充電器部、サイラトロンスイッチ放電部、ブルームライン型 PFN 部、リバース回路部、パルストランス部、制御監視装置の 6 部であり、昨年、充電器部と制御監視装置を新規製作した。
主な仕様について以下にまとめ、装置の写真、概略配置図、回路図及び充電器の特徴について紹介する。

制御盤

以下、表１にまとめる。
1

E-mail: yasuo_kobayashi_1@ihi.co.jp

充電器
低圧部
2100mm
高さ：1700mm

写真 1

2.1 電源仕様

ｻｲﾗﾄﾛﾝ
ﾄﾞﾗｲﾊﾞ回路装置写真

図 1 ﾌﾞﾙｰﾑﾗｲﾝﾊﾟﾙｽ
電源概略配置図

2.5 装置概略回路図
パルス電源充電器

ﾓｼﾞｭﾚｰﾀ部

AC 3φ
40050Hz

クライストロン
高周波トランス

チョッパー回路部
3相全波整流部

インバータ回路部

サイラトロン／リバース回路

全波整流部

パルストランス

ﾌﾞﾙｰﾑﾗｲﾝ型PFN

図 2：装置概略回路図

３．通常の PFN 型と比較したブルームライン型の特徴
以下に通常の PFN 型を基準に比較した時の有利な点、不利な点について表にまとめる。

有利な点

不利な点

表 2 有利な点、不利な点
条件
内容
PFN へ の 充 パルストランスの昇圧
電 電 圧 を 同 比低くできる
値 に し た 場 出力パルス電圧の立上合り、立下り時間が短い
パ ル ス ト ラ PFN への充電電圧を半ン ス の 昇 圧 分にできる比を同値にした場合
パルストランス 1 次側両端子に電圧がかかるので片側を接地できない
PFN のコンデンサーの充電電圧が反転するので寿命に影響する

また、この電源出力条件での従来型 PFN とブルー
ムライン型 PFN におけるクライストロンへの出力電圧波形の比較をシミュレーションにて解析を行い、上記の特徴を確認した。シミュレーション条件を表3 に、結果を図 3 に示す。
表 3 シミュレーション共通条件
共通条件
ﾊﾟﾙｽ巾（ﾌﾗｯﾄﾄｯﾌﾟ）
1 次 PFN 充電電圧
PFN ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ（Ω）1 段当り
ｸﾗｲｽﾄﾛﾝｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ

出力波形仕様
1.5
Usec
70
KV
17.4 Ω1114 Ω

表 4 シミュレーション各条件
各条件
従来型
ﾌﾞﾙｰﾑﾗｲﾝ型
ﾊﾟﾙｽﾄﾗﾝｽ昇圧比
1:16
1:8ﾌﾞﾙｰﾑﾗｲﾝ PFN
20 段
PFN 段数
20 段（2 並列）（4 並列）
時間 μsec
10345

ﾌﾞﾙｰﾑﾗｲﾝ型PFN
段数片側20段×2並列

100
出
力 200
電圧 300
kV
400
500

2

ﾌﾞﾙｰﾑﾗｲﾝ型ﾊﾟﾙｽ巾 2.5μsec
従来型ﾊﾟﾙｽ巾
3.3μsec

従来型PFN
段数20段×4並列600

図 3 シミュレーション結果

４．充電器の特徴
従来方式（整流、共振充電）にて運転を行ってきたが、昨年新規にインバータ方式の製作を行い現在この方式で運転中である。特徴について説明する。
（１）従来方式のように平滑用の大容量のコンデンサ、共振充電を行うための共振充電用チョーク、デスパイカ等が不要になり、小型化が行える。
（２）インバータ方式により小容量の電荷を高周波で PFN へ充電するため充電を細かく制御可能となり、充電電圧の安定度を高精度に行うことが可能となる。

6

（３）チョッパー回路によりインバータ側の充電電圧をコントロールしているので、給電用の商用電圧が変動してもパルス電源の出力パルス電圧にその変動分の影響を受けない。
（４）チョッパー回路により出力設定値とインバータ側の充電電圧値を比例の関係で充電させているため、PFN への充電時間が充電電圧値にかかわらず常に一定にできる。
そのため、コマンドチャージ方式にした場合、どの電圧値においても、チャージ動作終了後からサイラトロン放電までの時間が一定となり、パルスの繰返しが低いときの PFN 充電電圧の漏れ電流による電圧効果の影響がなくなるので、設定値を固定させ、繰返し時間を変化させたときの出力値の変動が生じないという利点がある。図 4 参照
充電電圧Vを行っている。図 5 にコマンドチャージ方式の電源動作タイムチャートを示す。

５．充電電圧の安定性能
充電電圧 45kV､50Hz 運転で繰返し PFN 充電電圧の再現性安定度の測定を行った。その結果、45kV±0.18％の変動であることを確認した。従来方式の充電方式（サイリスタ整流+共振充電）では充電電圧に対する変動が数%程度であったのに対して 1/10 程度改善することができた。
実際のクライストロン定格電圧運転時の PFN 充電電圧波形及び電源出力パルス波形を図 6、7 に示す。

6．課題
コマンドチャージ方式での運転時の課題として、マスターパルス信号に対してのサイラトロン動作指令信号のタイミングが変動（delay 回路部の IC のｼﾞｯﾀｰによる）し、運転に影響するので、その対策を検討中である。

Vo

7．謝辞
従来方式

一連の研究開発を行う上で常に新しいアイデアとご指導頂いている高エネルギー加速器研究機構の諸先生方に心から感謝いたします。

V≒Vo

53kV25Hz

コマンドチャージ方式（５）コマンドチャージ方式の運転動作タイミングについて以下に記載する。
10V､2μsec のマスタパルス信号を基準に充電器、モニタに対して同期を取り運転し、サイラトロン動作タイミングを遅延回路により遅らせて動作させることでコマンドチャージ

PFN充電電圧 （kV)

図 4：従来方式とコマンドチャージ方式の比較

6040200050

100150

2 00-20
TIME (msec)

図 6：PFN 充電電圧波形（実波形）
マスタパルス信号
2μsec

2μsec

010V

充電器
インバータ動作
PFN充電電圧動作

出力電圧 (kV)

サイラトロン動作指令信号

10010V

0123-100-200

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ波形
実波形-300-400

2msec

16msec繰返し周期に1msec より変化

図 5：コマンドチャージ方式の電源動作
タイムチャート-500

TIME （μsec）

図 7：電源出力パルス波形

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