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)

PULSE MODULATOR FOR X-BAND KLYSTRON AT GLCTA
M.Akemoto 1, H.Honma, H.Nakajima, T.Shidara, S.Fukuda
High Energy Accelerator Research Organization(KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
This paper presents an X-band klystron modulator recently constructed for the Global Linear Collider TestAccelerator(GLCTA) at KEK. The modulator is a thyratron-switched line-type design, and operates two klystrons up to75 MW peak power, 1.6µs rf pulse width and up to 150 Hz repetition rate. The major goals of the modulator arereasonably compact size and high reliability. One notable feature is the use of eight 30kJ/s switching power supplies inparallel to charge the pulse forming network. These supplies are a major contributor to compact size of the modulator.
The design, specifications and results of performance tests of the modulator are described.

GLCTAのXバンドクライストロン用パルス電源
１．はじめに
現在、GLCを推進するためのXバンド大電力試験設備(GLCTA）の整備(平成15〜17年の3年計画)が、KEKアセンブリホールで急ピッチに進められている。
ここでは、XバンドRFシステムの試験が計画[1] さ れており、75MW PPM Xバンドクライストロン2本が新たに装備される。今回、それを駆動するパルス電源を製作した。
限られたスペースと短期間で立ち上げなければならないことから、ピーク出力電力283MW、平均出力電力194kWと大電力でありながら、小型で信頼性の高いパルス電源が要求される。また、RFシステムとして長期間運転するので、運転・保守・管理が容易にできることも求められる。本稿では、新規に製作したパルス電源の設計・製作及び性能試験について報告する。

２．設計の指針

続する伝送ラインはパルス伝送特性の優れた3重平行平板線路を採用した。また、パルス幅が短いので立ち上がり特性の優れたパルストランスの設計を行った。
表１：75MW XバンドPPMクライストロンの仕様
周波数
RFパルス幅
ピーク出力電力
ビーム電圧
ビーム電流
パービアンス
繰返し
効率11.424 MHz
1.6 µs75 MW
500 kV283 A
0.8 µ
150 Hz53%

表２：クライストロン電源の仕様
ピーク出力電力283 MW

パルストランス昇圧比1:24

１次側出力パルス電圧
信頼性を重視することから、電源方式はGLCで目13.6 kA
１次側出力パルス電流標とするタイプとは異なるラインタイプ方式を採用
1.464 µF
PFN総容量した。この方式のパルス電源は充電部、放電部、パルストランスから構成される。充電部は、高周波化< 0.9 µs
パルス立ち上がり時間(10-90%)
することによって、トランス、平滑コンデンサなど±0.5%
パルス平坦度の主要部品が大幅に小型・軽量化することが可能で、>1.6 µs
パルス幅(平坦部)
インバータ電源を採用する。放電部のサイラトロン
4.5 µs
パルス幅(半値幅)の選定は、設計において最重要で、実績がありまた
42 kV
サイラトロンアノード電圧維持・保守の点も考慮して、KEK電子・陽電子リニ
6.8 kA
サイラトロンアノード電流／1本アックで使用しているサイラトロンを採用した。要求される出力電力からサイラトロンは２本使用する。
150 Hz
最大パルス繰返し
サイラトロンの許容アノード電圧・電流及びパルス成形回路(PFN)のインピーダンスを考慮してパルス主要装置はユニット化して装置の増設及び保守がトランスの昇圧比を1:24及び４並列のPFNに決定し容易になるようにした。この電源の基本設計はKEKた。パルストランスの１次側インピーダンスが1.5Ω
電子・陽電子リニアックCバンド化計画で開発されと低インピーダンスになるのでパルストランスと接た小型パルス電源 [2] に基づいている。表１にGLCの21 kV

1

E-mail: mitsuo.akemoto@kek.jp

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RF源用として開発している周期永久磁石(PPM)集束を用いた75MW級クライストロン[3] の主な仕様を示す。また表２にパルス電源の主な仕様をまとめた。

運転制御はマスター・スレーブ方式で、所定の充電電圧の93%まで全ユニットで運転し、その後高精度の電圧安定度を得るためにマスターユニットのみ運転する。

３．回路構成と特徴
PFNユニット
3.1 回路構成
図１に パルス電源の主な回路構成を示す。420V
3相50Hzを受電し、42kVまで2つのPFNユニットを充電する8台のインバータ電源ユニット、各PFNユニットを放電するための2本のサイラトロン、500kVに昇圧する1:24のパルストランス（油中使用）から構成される。

インバータ電源ユニット

サイラトロン

図２：パルス電源の外観
3.3 PFN回路
PFN回路は2つのユニットで構成される。各ユニットはユニット交換が容易にできるように車輪がついた箱にEOLC回路を除くPFN回路が収納されており、特性インピーダンス3.0Ωで2並列12段で構成している。従って、各列の特性インピーダンスは6.1Ωで、各段のインダクタンス及びコンデンサの容量は1.2 µH、30.5nFである。各段のインダクタン
スは可変で十分波形調整が可能な値になっている。
PFNコンデンサの小型化は電源の小型化だけでなく良好なパルス波形を作るのに重要である。また残留インダクタンスは出力波形の特性に大きく影響するので極力低減しなければならない。そのためブッシングを持たないプラスチックケースのNH(NonHealing)型フィルムコンデンサ(140x110x250mm)と2重ブッシングで金属ケースのSH(Self-Healing)型[5]フィルムコンデンサ(本体240x90x182mm)の2種類が開発された。またPFNユニットの接続配線のインダクタンスも波形の特性に大きな影響を与えるので、接続ラインは幅の広い板を多用し、低インピーダンス化に努めた。

図１：パルス電源の回路構成
図２に外観写真を示す。パルス電源の筐体は放電部、充電部、制御部の3部で構成される。放電部の筐体(写真右側)はPFNユニット、サイラトロン等の高圧関係が収納されている。裏側も対称的な配置になっている。充電部の筐体(写真左下側)は前面に4台のインバータ電源ユニット、裏側に同様に4台のインバータ電源ユニットが収納できるようになっている。制御部の筐体(写真左上側)は操作性を考慮した高さにあり、運転に必要な制御、モニターが全てできるようになっている。その裏側には受電した電力の配電盤が置かれている。サイズは幅3.5m、奥行2.3m、高さ2.3mである。
3.2 インバータ電源ユニット
各ユニットは50kV,30kJ/sの電力供給能力がある
インバータ電源 [4]で、クライストロン2台のフル運転では8台のユニットが並列運転される。また各ユニットは19インチラック装着構造で、脱着が容易になるよう高圧ケーブル及び制御ケーブルがコネクタ接続できるようになっている。小型化するために冷却は水冷却方式を採用している。サイズは奥行630mm、高さ450mmである。
インバータ電源は主スイッチ素子にIGBTを使用したフルブリッジインバータ方式で、約 33KHzのスイッチング周波数で効率85%、安定度±0.1%を実現している。50Hzの低繰返しの負荷条件においても85%以上の高力率が維持できるよう力率改善回路を設けている。

3.4 サイラトロン
サイラトロンの性能から、PFNユニット1台を1本のサイラトロンでスイッチする。サイラトロンはe2V社製CX2410K叉はLitton社製L4888Bで 、KEK電子・陽電子リニアックで59台使用されているものである [6]。またこのサイラトロンはSLACでアノード電圧・電流は46kV,6.2kA、繰返しは120Hzで運転されている。空冷で使用する。
3.5 パルストランス
コア材は厚さ50µmの硅素鋼板を使用し、Iso巻で88

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Klystron Current(A)Klystron Voltage(kV)

標準的なバス ケット型パ ルストランス でクライスト ストロンのRFパワーは50Hzで47.5MWを達成した。
ロンオ イルタ ンクに設置 される 。1次 側は特 性イ ン
100300
ピーダンス3.0Ωの3重 平行平板 線路（誘 電体は油 ）を2並 列接続 した 伝送ラ インを 通し てPFN回 路に 接
Klystron
Current
0250
続さ れ る 。 ま た2 次 側は 、550kV耐 圧 と し 、 バ イ-100200
ファイ ラ巻き で2本 のク ライス トロン に各々独立 の-200
150
巻線で接続さ れ、各々ヒ ータの調整が できるようになっている。
-300
100
出力パ ルス幅が4.5µs と短 いた め、立 ち上 がり 特-400
50
性の優れたパ ルストラン スを設計した 。立ち上が り
時間はパルス トランスの漏れインダク タンスと分 布-500
0Klystron Voltage
容量の時定数 で決まる。 この時定数は ２次側の巻 線-600-50数に比例 するの で、サ グ(1.6µsで2% 以下) とコアの-20246810Time(µs)
断面積を考慮して1次、2次巻線数(72巻)を決定した。
3.6 制御システム

図４：クライストロン電圧・電流波形

電源の制御は プログラマ ブルロジッ クコントローラ(PLC) で 行 い 、操 作は タッ チ パ ネ ル に よ る グ ラ
フィカルな画面ですべて の制御及び動 作状態の確 認ができるよう になってい る。リモート コントロールはインサーネット経由で行われる。

５．まとめ

４．性能試験
性能試 験は 、イン バー タ電源 ユニ ット4 台、 PFN
ユニッ ト1台 、サイ ラトロ ン1台 の構成 (クライストロン1 台の フル 運転 が可能 )で PPM#5ク ライ スト ロ
ン1台 の運転 [7]を 行った 。図3 に充 電電圧 35kV、 繰返し150Hzで運 転中のPFN充 電電圧・電 流波形を 示す。スレーブ のインバー タ電源ユニッ トが充電停止
後マスターの インバータ電源ユニット のみが充電 している 様子 が見ら れる 。図４ に充 電電圧 38kV、 繰返し50Hzで運 転中 のピ ーク電 圧495kV のクライス
トロン電圧・ 電流波形（ PFN調整後） を示す。立 ち上がり時間（10-90%）は0.9µs、パルス幅は4.5µs、電圧安 定度( 短時間 )は± 0.15%と仕 様を満 足する 結果が得られた。
PFN Voltage

この電源の設 計、製作に は日新電機 （株）の方 々に大変お世話 になりました。この場を 借りてお礼 を申し上げます。また、運転においては、GLCTA関 係者に大変な御 協力を得ま した。あらためて感謝い たします。

参考文献[1] S. Fukuda et al.,Power Supply Current(Slave)
Power Supply Current(Master)

402301.5201100.500Charging Current(A)PFN Voltage(kV)

謝辞

[2]

2.550

GLCTA用に小型 で高信頼性 のXバンドクライスト
ロン用大電力 パルス電源 を製作した。 現在、半分 の能力で運転し ているが、 今年度後半に ユニット等 の増設を 行いクライストロン2台 のフル運転を 予定 している。今後、この電源はクライストロの開発、 RFシステムの試験に使用される。

[3]

[4]

[5]

-0.5-10-10-50510152025Time(ms)[6]

図３：PFN充電電圧・電流波形[7]現在、クライ ストロンの エージング をしながら、電源の 試験 運転 が続 けら れて いる 。PPM#5 クライ89“R&D Plan of RF Source in KEKGLCTA”, in these proceedings.
中島啓 光 他 , “ 小型パ ルス電 源の特 性と今 後の 課
題”, Proceedings of the 28 th Linear Accelerator Meetingin Japan, (2003)48-50.
Y. Chin et al.,“X-band PPM Klystron Development forJLC”, Proceedings of the 2001 Particle Accelerator
Conference, (2001)3792-3794.
飯田謙二 他, “コンデンサ充電用インバータ電源 ”,
Proceedings of the 27 th Linear Accelerator Meeting inJapan, (2002)252-254.
H. Sakaguchi, et al., “Development of SH Type PFN
Capacitor for a Pulse Modulator”, Proceedings of the20 th Linear Accelerator Meeting in Japan, (1995)281283.
明本光生 他, “KEK 8GeVリニアックでのサイラ ト
ロ ン 使 用 状 況 ”, Proceedings of the 28 th LinearAccelerator Meeting in Japan, (2003)321-323.
T. Saeki et al., “The PPM Klystron Operation inGLCTA”, in these proceedings.