Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Maintenance Activity of RF Sources in KEK Electron-Positron Linac
Y.Imai1,A), H.KumanoA), T.TofukuA), T.MorotomiA), M.AkemotoB), H.KatagiriB), T.ShidaraB), T.TakenakaB),
H.NakajimaB), K.NakaoB), H.HonmaB), T.Matsumoto B), S.MichizonoB), Y.YanoB), S.FukudaB)A)
Mitsubishi Electric System & Service Co., Ltd.
2-8-8 Umezono, Tsukuba, Ibaraki, 305-0045
B)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
Fifty-nine high-power klystrons and modulators are used at KEKB injecter linac. Both klystrons and thyratrons(switching tubes for the modulators) are key components of the rf sources and the stable operation of these tubes are
required for stable beam operation. Rf windows in waveguide system are also important for the klystron exchange
during beam operation. The routine checkup (such as pulse waveforms) and fault statistics are utilized for the proper
maintenance work. These maintenance activities play an important role for minimizing operational loss-time.

KEK 電子陽電子入射器における高周波源の維持管理
40,000〜45,000時間運転している台数が最も多い。
これはKEKB入射に伴うビームエネルギー増強時、クライストロンアセンブリを19台増設したことが反映されている。

１．はじめにKEK 電子陽電子入射器では４つの異なるリングへのビーム入射を行なっている。その高周波源としてクライストロンギャラリーに大電力クライストロンが59台設置されており、年間約7,000時間の長期連続運転を行なっている [1] 。これまでは1時間程度の頻度での入射で、入射の合間には高周波源の点検が可能であったが、2004年1月からKEKBリングへの連続入射が始まり[2]、高周波源の停止を伴うような点検は難しくなった。このため、不具合の事前予測は重要となってきている。
本稿ではクライストロン、高周波窓、サイラトロンの維持管理について述べる。

２．クライストロンアセンブリ
2.1 概況

クライストロンアセンブリは主にクライストロン（ KLY ） 、 パ ル ス ト ラ ン ス （ PT ） 、 集 束 電 磁 石（MAG）、タンクで構成されている。（図1）
このクライストロンアセンブリの使用状況及び2000年度以降撤去したものの使用時間を図2に示す。
運転使用中のクライストロンアセンブリは、
12015

使用中撤去済み

1050〜
55〜
110 0〜
115 5〜
220 0〜
225 5〜
330 0〜
335 5〜
440 0〜
445 5〜50

2.2 使用状況及び撤去原因

図１：クライストロンアセンブリ構成図

台数(台)大電力クライストロンの仕様は周波数2856 MHz、平均パルス出力電力41 MW、RFパルス幅4μs、繰り返し50 ppsとなっている。特に入射器電子銃付近、陽電子発生部付近でのクライストロンアセンブリの故障は加速器の運転停止となるため、重点的な点検が必要となる[3]。

運転時間(×1,000 h)

図２：クライストロン運転使用時間分布

E-mail: yimai@post.kek.jp317Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

表１：2000年度以降撤去したクライストロン
アセンブリの撤去原因と年度毎の台数

セン
ブリ

2001

2002

2003

計

アセンブリ交換数

9910937

エミッション減少

21025

KLY発振等01203

KLYヒーター断線

0001

14

33212PT不具合（タンク内放電含む）

交MAG不具合02035換

絶縁油劣化
KLY窓リーク（撤去後確認）

003031(4)

2(1)

1(2)

1(1)

5(8)

その他20103

理由

表1に2000年度以降撤去したクライストロンアセ
ンブリの撤去原因と年度毎の台数を示す。
年間平均10台程度のアセンブリ交換を行なっており、クライストロン本体と他のアセンブリに起因するものの数はほぼ同数である。また、交換時に高周波窓のリークが確認されるものもある。アセンブリ
交換理由のその他には、不具合は無いが運転の都合上交換した箇所が含まれている。
表２：クライストロンアセンブリの不具合内容と点検項目
不具合内容

不具合事前予測のための点検項目

クライストロンアセンブリの不具合事前予測のため、様々な項目において年3回定期点検を行なっている。表2に過去に発生した主な不具合内容とこれに対応した点検項目を示す。
パルストランス放電はクライストロンタンクに使用している冷却水配管接続部のOリング劣化による水漏れが原因で発生することが多くなってきたため、アセンブリ組み立て時にパーツ交換及び加圧試験を実施することにより、この不具合の発生減少に努めている。

３．導波管高周波窓
3.1 概況
高周波窓は真空を保持し高周波を通過させる為に用いられ、クライストロンの出力部と導波管部に使用されている。導波管高周波窓は、クライストロンアセンブリ交換の際、ビームラインを大気解放することなく作業が出来るようにするため設置されている。加速器運転中に不具合の発生したクライストロ
ンアセンブリを交換する際は、導波管高周波窓にリークが発生していない事が条件になるため、データ測定により高周波窓の不具合を事前に把握し長期メンテナンス時に交換しておくことが重要となる。

故障原因他

Oxideカソードを使用していたKLY･ イ ン タ ー ロ ッ ク 作 頃は第1の交換理由であったがBIカソードに変更後放電頻度は電子銃放電 動履歴確認激減した。
長時間運転(通常約3万時間以･dip test(ヒーター電圧を下げ 上 ) に よ り カ ソ ー ド か ら の エ
エミッショ
た時のパービアンス ミッションが減少する。
ン減少の変化を測定)[4]･パービアンス測定
長時間運転後、自励発振や寄KLY発振 ･RF出力波形確認
生発振(高周波を入力した場合発振が重畳される)が生じる。
KLYヒー ･ イ ン タ ー ロ ッ ク 作 機 械 的 振 動 や 発 熱 に よ り カター断線 動履歴確認
ソードヒーターが断線する。
･ タ ン ク 内 絶 縁 油 劣 碍子の放電による破損やパルストランスタンクの冷却水Oリ化確認
PT放電･ イ ン タ ー ロ ッ ク 作 ングの経時劣化による漏水に起因する。
動履歴確認
磁石内の冷却水配管からの水漏れにより磁石の絶縁が低下する。絶縁抵抗が低くなるとMAG地絡 ･抵抗(地絡)測定
定格電流を流すことが出来なくなる。
クライストロンを交換した際にリークが明らかになること
高周波窓･温度、放射線測定 がある。まれに放電による破不具合
損で高周波が出力されなくなることもある。
･フィーダ−ガス圧点検
その他･RF反射波形確認[5]･電磁石電源校正

3.2 使用状況及び撤去原因
図3に導波管窓の現在の使用状況及び1998年度以降撤去したものの使用時間を示す。
導波管窓の主な交換理由はリーク、X線発生、VSWR多発、汚れ、温度上昇、寿命に分けている。
使用している窓の平均運転時間は33,000時間、交換窓の平均寿命は19,000時間である。
2520

使用中撤去済み

151050〜
55〜
1010〜
1515〜
2020〜
2525〜
3030〜
3535〜
4040〜
4545〜
5050〜
5555〜
6060〜

ア

2000

ユニット数(個)

年 度

2.3 維持管理

運転使用時間(×1,000 h)

図３：導波管窓運転使用時間分布3.3 維持管理不具合を事前に把握するために年3回窓温度測定を行なっている。窓温度が低くても窓の真空リークがあるものや温度が高くても正常に動作しているものがあるが、経験的に温度が上昇していくものは破壊につながることが分かっている[6]。定期的に測定を継続して温度上昇が認められる場合には早めに交318

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

過ぎれば放電開始のタイミングが一定とならずに遅換を行なっている。しかし、これ以外にも破壊の原れやジッタを引き起こす。この水素ガスを調整する因があると考えられるため、まったく兆候がなく、偶然リークが見つかることも多い。これを考慮して、 ためにリザーバ電圧調整を行なう。リザーバ電圧の最適値は経時変化するため定期的に調整する必要が入射器電子銃付近等の重要な場所について、長期メある。
ンテナンス期間中にクライストロンと導波管窓間の調整方法は、年1回、リザーバ電圧を上げ下げし窒素パージを行なって高周波窓のリークの有無を確て、連続導通状態（上限値）、大きなジッタ（30ns認している。
以上）が発生する状態（下限値）を探し、その平均
また、過去に破壊された窓のうち、放射線が強く値を最適値とする方法が採用されている。年3回発生したものがあったため、放射線も窓温度と同時ジッタの測定を行なうことにより、ジッタが大きくに測定を行なっている。
なっている場合にはリザーバ電圧を上げる処置を行っている。また、加速器運転中に連続導通状態と４．サイラトロンなりインターロックが作動する事が多発した場合は、リザーバ電圧を下げる処置を施している。
4.1 概況
その他に、点弧タイミング、補助グリッド電圧測
クライストロン電源の高圧パルスのスイッチとし定も年3回実施し、不具合の事前予測に努めている。て45 kV、4.5 kAをスイッチングする水素サイラト
最近、納入時の初期不良による早期交換が度々発ロンが使用されている。サイラトロンの維持におい生したため、本年度からテストベンチにおいて性能て重要な事は安定した加速器運転のためにサイラト試験及び数十時間のランニング試験を行なった。こロンの動作を安定に保つ事及び保守費軽減のためにれにより、交換時から動作の安定したサイラトロン
出来るだけ長く使用する事である。そのためには定の使用が可能となった。
期点検、調整を欠く事が出来ない。更に、定期点検、調整により、不具合の前兆をいち早く捉え、早めに５．まとめ事前交換を行なう事も重要である[7]。
過去の蓄積データをもとに定期的な点検を行なう
4.2 使用状況及び故障ことで、トラブルの早期発見及び対処を行なっている。これにより、加速器停止を伴う突発的なトラブ
図4にサイラトロンの現在の使用状況及び1998年
ル件数は年々減少してきている。
度以降故障したものの使用時間を示す。
安定した加速器運転のためには、今後もデータを平均寿命は約30,000時間であり、現在30,000時間蓄積させ、不具合特定の精度を更に高めるよう努め
以上使用されているサイラトロンが15台と全体の約1/4を占めている[8]。ていく必要がある。
2015

使用中
故障

参考文献

〜
55〜
110 0〜
115 5〜
220 0〜
225 5〜
330 0〜
335 5〜
440 0〜
445 5〜
550 0〜55

台数(台)[1] 小 川 雄 二 郎 , “KEK 電 子 ・ 陽 電 子 入 射 器 の 現 状 ”,
Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting inJapan, 2003, pp.10-12.
[2] Y.Ogawa, “Present status of the KEK electron/positron
5injector linac”, presented in this meeting.
0[3] 諸富哲夫, 他, “KEKリニアックにおけるクライストロンアセンブリ及び高周波窓の維持管理”, Proceedings ofthe 28th Linear Accelerator Meeting in Japan, 2003,
pp.333-335.
運転時間(×1,000 h)[4] K.Nakao, et al., “Results of High-Power klystron Dip Test in
図４：サイラトロン運転使用時間分布
the KEK Linac”, presented in this meeting.
（初期不良により設置直後に故障した[5] H.Katagiri, et al., “Data taking system of the RFものは含まず）
measurements at KEK e-/e+ injector linac”, presented inthis meeting.
入射器電子銃付近、陽電子発生部付近等の故障は[6] S.Michizono, et al., “RF-windows used at the KEKB linac”,
加速器の運転停止を伴うため、不具合の前兆発生のAppl. Surf. Sci., 169-170, 2001, pp.742-746.
有無に関わらず早期事前交換を行なっている。
[7] 国安祐, 他, “KEK 8GeV Linac サイラトロン運転管理”,
Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in
サイラトロンの主な故障として耐圧不良、リザー
Japan, 2003, pp.342-344.
バガス減少、補助グリッドの放電、アノード部放電、
[8]
明本光生,
他, “KEK 8GeV リニアックでのサイラトロ異常ノイズ発生が挙げられる。
ン使用状況”, Proceedings of the 28th Linear Accelerator
4.3 維持管理Meeting in Japan, 2003, pp.321-323.
10

水素サイラトロンは内部の水素ガス圧が高過ぎると自己放電を起して連続導通状態となる。一方、低319