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)

Excitation current waveform ornamentation of a synchrotronpulse power supplyA)

A)

B)

B)

S.Yamanaka , Z.Fang , K.Egawa , K.EndoA) National Institute of Radiological Sciences(NIRS),Anagawa, Inage-ku, Chiba-shi-, Chiba 236-8555,JapanB)

High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki 305-0801, JapanAbstract
A resonant type pulse power supply, for an application to a compact proton and/or heavy ion synchrotron with aseveral Hz repetition rate, is attractive from the view point of attaining large average beam current that is enough for theradiation therapy. Maximum ampere-turn of the dipole magnet is as large as 200 kA to make the bending radius as small
as possible. Pulse current is generated by discharging the stored energy in a capacitor bank through a pulse transformer.
But the flat bottom for the beam-injection period is not securable because a slope of magnetic field is sharp atinjection time. In order to add an injection period (10〜20µs), the excitation current waveform ornamentation of asynchrotron pulse power supply. The improvement circuit was designed for the injection period and the simulation(Spice) of this circuit was carried out for any solution.
ピーク付近（傾斜が０付近）において時間10〜20µsのフラットボトムを作る。
開発中の小型陽子シンクロトロンはエネルギー
この回路の問題点は、入射と加速の切り替えの時2MeVで入射し200MeVで取り出す。リングは4台の偏における励磁電流の乱れである。切り替えはそれぞ向電磁石で構成されており、曲率半径は0.72mであれのコンデンサーに繋いだサイリスターで行う。半る。医療用加速器として普及型を目指しているため導体スイッチにはサージ電流等のノイズが発生しそに非常にコンパクトになっている。その偏向電磁石
れが励磁電流の乱れになる。この報告では、改良回の 最 大 磁 場 は 3T で あ り 、 励 磁 電 流 の ピ ー ク 値 は路のシミュレーションを行って、回路の動作確認を[1] [2] [3]200kAである。その大電流を発生させる電源は、 行ったと共に、切り替え時の乱れの問題を見出し、図１に示すように、エネルギー蓄積コンデンサーC0、 それに対する方策を考え、精度が保てることを示す。
サイリスター（SCR）の放電スイッチS0 、ステップ
S ：電流、電圧ダウン用のパルストランスTr、充電回路E０とで構成
パルス
LR
ト ラ ン ス TrEされる。図２にその写真を示す。偏向電磁石LmはイR
L
ンダクタンスを小さくするためにコイルは1ターン
電 磁 石 :電 流の設計である。
追加回路
S ：電流 、充電時間は、電磁石の冷却や電源E1の小型化のた
電圧
L 0.1 μ H × 4
R 55μ Ω × 427μ H × 4
RC
めに約１秒弱とした。充電完了後サイリスターをオE
Lm 2.9μ H × 4625μ F
1.5 μ H × 4( 飽 和)
値ンにして、電磁石へ放電電流を流すことで電磁石をト ラ ン ス (1 つ )2 次 側 4μ H半正弦波で励磁させる。磁場波形は半正弦波である
ために、通常の速い繰り返し用共振型電源とは異な
図１ 電磁石とパルス電源の回路図
りsinθのθが０付近（共振型は‑π/2付近）で入射する。磁場傾斜がcos0付近となり、磁場の必要な精度においてのフラットボトムを十分に確保できない。
そこで入射時間（10〜20μs）を十分確保して、マルチターンよる入射でビーム強度を上げる。入射時間確保のために電源の改良を行い電磁石の励磁電流波形の修飾をする。
方法は、C0 を放電する前に、別のC0よりも小さい
充電電源 E0 0
全長約 9m
充電回路E
容量のコンデンサーC1に入射磁場を発生する電圧でコンデンサーC0充電させて放電させる。その状況においての磁場の
図２ 電源装置

１．はじめに0

L1 C0 の内 部 イ ン
ダクタンス

C 0 10ｍ F10μ Ω
抵抗入り

0I GBT 電 源

bus

L

L2 C1 の 内 部 イ ン
ダクタンス

1200K Ω30Ω 1μ Fスナバ−回路

11IG BT 電 源

10μ Ω
抵抗入り

S 0 ,S 1 共 に eupec 製 T1081N を 2 直 列 で 使 用

456

bus

bus
bus
Lm

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)

図１に改良される電源の回路図を示す。シミュ
レーション結果における電磁石電流と加速用コンデンサーC0電圧と入射用コンデンサーC1電圧のそれぞれの波形を図３に示す。回路の動作は既に述べたよ
うに、C0,C1 をそれぞれの充電回路E0,E1 によって充電させ,入射用サイリスターユニットS1 をオンにしてC1を放電させ磁場を立ち上げる。そしてピーク付近を入射時間とする。次に加速のためにサイリス
ターユニットS0をオンにしてC0を放電させ加速磁場を立ち上げる。ここでS0 オン時には、S1 にとってC0の電圧が転流電圧となり自動的にS1はオフになる。
取り出しが終わり、励磁電流が0付近になれば保持電流以下となり、S0はオフになる。次のC0の充電は負の電圧で充電する。そのことにより、充電電流が小さくなり充電回路E0の容量を小さくすることができる。そのために次のS0の動作は転流方向でオンさ[4]せる 。これを交互に繰り返す。

8.00-6.00

80.00

C1電圧
電圧（ｋ（ｋ（ｋV)

C０電圧（ｋV)-4.00

0-8.00-80.01sのところを110msに縮小-2.00

C1電圧

0-16.0

80.0

140

1.4
励磁電流
ピーク198.6kA

60time20ms/div

入射時間

0.60.005

0.01-0.20.0153

図４

電磁石励磁試験

2.5
21.5
10.5
100 200 300 400 500 600
共振周波数(Hz)図５ コンデンサーの容量変化とそれに対応し10μsを確保できるときの最大の共振周波数との相関

40.0
0time

2ms/div

電磁石の磁場飽和は無いとして計算した。

図３

シミュレーションによる動作確認

2.2 コンデンサーとの共振コンデンサーC0,C1 とパルストランスTrを含めた電磁石Lmとの共振周波数ω0は
ω0 =2.2-240

拡大

電磁石
電磁石電流
電流
電流（ｋ（ｋ（ｋA)-160

3.0時間（ｓ）

電磁石電流

C０電圧

ピーク3.031T

220

0

コンデンサーの容量変化
（±％）

-8.00

磁場-20電磁石
電磁石電流
電流
電流（ｋ（ｋ（ｋA)

16.0300

磁場（T)2.1動作原理

コストが上がるために、温度特性による容量変化を保証できかつ必要な入射時間を確保できる限度まで容量を小さく（C1とLmとの共振周波数を大きく）する必要がある。図５にコンデンサーの容量変化とそれに対応できかつ入射時間10μsで精度を保てるときの最大の共振周波数との相関を示す。本機を設置するのは病院の中であり温度変化は少ないと考えると、変化を2%以下程度と想定した場合、共振周波数が200Hzとなる。そのときのC1 は625μFとなる。以後C1はこの値で計算した。

励磁電流（ｋA）

２．回路構成と動作原理

1
2

C0,1n L{Lm /( L + Lm)}

(結合係数を１とした)となる。ここでTrの２次側のインダクタンスをLとし、1次２次の巻き数比をnとした。
加速時間を約5msとしたために、共振周波数は約50Hzである。それと蓄積エネルギーとの関係によってC0を10mFとした。図４に今回用いる電磁石Lmの1台を励磁した実験結果を示す。C1については、容量が大きいほど、入射時間が長くできかつ温度による容量変化にも対応できる。しかし、C0と同じにすると３．シミュレーション結果
3.1 半導体スイッチ
S0,S1はサイリスターを用いる。切り替え時におけるS0,S1のそれぞれの電流、電圧の模式図を図６に示す。図７にS1オフ時、S0オン時における乱れ電流の流れ方を示す。図７に示すようにS1はオフ時に逆電流が流れる。その際にフリーホイールダイオードとしての役割を持つオン時のS0にS1の逆電流と同じ電流値で位相が逆のサージ電流が生じる。その電流は図７に示すように、ほとんどはS0に流れるが、僅かに電磁石に流れる。電流波形精度を高めるためにその量を計算する必要がある。
3.2 スナバーの効果
図３のシミュレーション結果により毎周期ごとに入射用の波形と加速用波形がこの改良された回路で出力されることがほぼ確かめられた。

457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)

S0,S1 とC0,C1 の内部とそれを繋ぐ配線にはインダクタンスがある。この量の如何によっては3.1で述
べたサージ電流による乱れが大きくなる可能性がある。この量を出来るだけ少なくする様に組み立てる
他に、回路を組む上で両サイリスターに図1に示すようにスナバー回路を付けて乱れを抑える対策をする。図８に電流乱れに対するスナバー効果が顕著に現れるS1のオフ時の電圧波形を示す。図８に示すようにスナバー回路によってS1のオフ時における電圧の乱れは小さくなったことがわかる。また、内部イS0 電流

S1 電流

ンダクタンスを変えてシミュレーションをしたとこ
ろ、スナバーが無い場合にはインダクタンスが大きいほど乱れは大きくなるが、スナバーがある場合にはそれによる乱れの吸収が大きくなり、内部インダクタンスの予想内の値に対してビームの加速に影響する乱れはないことが分かった。図９にスナバ−がある場合で内部インダクタンスを変えたときの電磁石電流の切り替え時刻付近におけるシミュレーション結果を示す。図９よりS0オン時における電流立ち上がりの遅れは、内部インダクタンスが大きいほど大きくなるが、ビームの加速に影響する電流の乱れはないことが分かった。

オン時におけるサージ電流

3.3 充電回路の精度の影響
S0 電圧
時間

0オフ時における逆電流
S1 電圧
S1 電流オン

S1 電流オフ、S0 電流オン

図６ 切り替え時におけるS0,S1のそれぞれの電流、電圧の模式図
内部インダクタンス

S0
トランス

C0

僅かに乱れは電磁石に流れる

S1
C1

図７

S1 のオフ時における乱れ成分の流れ

S1オフ時、S0オン時の乱れ電流

S1電圧(kV)

0スナバあり-2.0-4.0-6.0-8.0

スナバなし

TIME 1μμs/div

図８ S1 オフ時における電流の乱れに対するスナバー効果C1 の内部インダクタン
スは L1=0.4μH（固定）電磁石電流（ｋA)

充電回路E0,E1には何らかのリップル等のノイズが発生する。これについても電源の応答を調べるためにシミュレーションを行った。設定はE0,E1において、ホワイトノイズと50HzのフィルターノイズとIGBTのスイッチングのノイズにそれぞれ充電電圧のピークに対して、常時10‑3の振幅を持たせる。その結果は
図９と同様にビームの加速に影響する電流の乱れはな か っ た 。 こ れ は 、 切 り 替 え 時 に お い て E0,E1 とC0,C1との間はIGBTによって接続が切れているのと電源は共振回路なので影響が少なくて済むと考えられる。
その他の乱れは、S0,S1にコモンノイズが乗ることが考えられる。しかしこれについては実機で実験を行う予定である。

C0の内部インダクタンス
L0=1 4 10 15μH

8.738.73
S0オン時刻8.738.73

電流値
1A/div8.73
TIME

1μμs/div

図９ 内部インダクタンス（L0 ）を変えた
ときにおける電磁石電流の乱れ

４．まとめ
・ シミュレーションにより毎周期ごとの入射用と加速用の電流波形がこの回路で出力されることが確認はできた。
・ 入射―加速切り替えにおける電流乱れの内容が確認できた。逆電流によるサージ電流の電磁石電流への影響は配線、内部インダクタンスの値が予想内で有ればスナバー回路によって対策できると分かった。また充電電源のリップル等の影響は少ないことが分かった。

参考文献[1] K.Endo et al, “Compact Proton and Carbon Ion,Synchrotron for Radiation Therapy,” Proc,
EPAC2002, Paris, pp.2733-5.
[2] K. Endo et al, “Development of High Field Dipole andHigh Current Pulse Power Supply for CompactProton Synchrotron,” PAC’03, Portland, to bepublished.
[3] K. Endo et al, “Development of Compact Proton
Synchrotron
forRadiation
Therapy,”
ARTA2003,Tokyo, to be published.
[4] K. Endo et al, “Resonant Pulse Power Supply for
Compact Proton and/or Heavy Ion Synchrotron,”Proc.
APAC2001, Beijing, pp.636-8.

458