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)

DEVELOPMENT OF THE 50 KV CLASS HIGH-VOLTAGE COAXIAL
CONNECTORA)

A)

A)

A)

H.Baba , K.Togawa1 , T.Inagaki , T.Shintake , H.Matsumoto

B)

A)

RIKEN Harima Institute1-1-1 Kouto, Mikazuki, Sayo, Hyogo, 679-5148
B)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract
We have developed a 50 kV class high-voltage coaxial cable connector. It was designed to feed high-power pulses
from an inverter power supply to a modulator, and from a modulator to a klystron tank. The connector plug can be easily
removed from the socket on the oil-filled tank, leaving the tank close. A spring contact was used to make reliable
connection. The voidless fiber reinforced plastic (FRP), which has excellent high-voltage characteristics, was introduced
to the insulator bushing to avoid discharge problems. This high-voltage connector has been applied to the C-band
modulator and the pulsed electron gun for the X-ray FEL project at SPring-8, and worked for more than 1 year without
any troubles.

50kVクラス高電圧同軸コネクタの開発
１．はじめに現在、基礎科学を始め、産業、医療の分野で数多くの電子リニアックが利用されている。システ
ムの大幅な小型化を目指したC-bandリニアックでは、50MWクライストロンをドライブするために、インバータ直流電源を用いた密閉型変調器電源の開発を進めている [1]。小型でかつノイズ遮断性を良くするために、これらの装置は全て、高電圧回路の構成部品を絶縁オイルタンク中に収納した密閉構造としている。
密閉オイルタンクを開放することなく、高電圧ケーブルを脱着できるようにするために、以下の点に重点を置いて、同軸コネクタの開発を行った。
(1) オイルタイトな構造であること。
(2) 高電圧絶縁特性が良いこと。
(3) コネクタの脱着が容易でかつ確実な接触が得られること。機器のメンテナンス性をよくするためである。
本論文では、50kVクラス高電圧同軸コネクタについての詳細を述べる。

２．構造
開発したコネクタの構造を図１に示す。タンク内部のオイルは、絶縁ブッシング両端のＯリングにより完全にシールされる。ケーブルプラグとソケットはワンタッチで接続され、コネクタ接続用ナットを締め上げるだけで接続が完了する。尚、本コネクタは㈱オオツカより部品販売されている[2]。
1

図１：高電圧同軸コネクタ (25kV変調器電源用)

E-mail: togawa@spring8.or.jp

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３．設計・製作

流80 Aは、我々の用途には十分なものである。

設計は、C-bandリニアックに使用されるインバータ電源および変調器電源の出力を対象とし、できる限り共通の部品が使用できるように行った。表１にこれらのパラメータを示す。

表３：接続端子の仕様 (マルチコンタクト社)
タイプ名 (プラグ側)
タイプ名 (ソケット側)
定格電流 (80℃)
接触抵抗
端子先端径 (プラグ側)

表１：C-bandリニアック用インバータ電源および変調器電源の出力パラメータ
Charging Voltage
Charging Current

Inverter Power Supply
50 kV (max.)
1.5 A
Modulator
25 kV (max.)
6.2 kA (max.)
4.7 µs (at 70% in voltage)
60 Hz
1.7 A (max.)
4.3 Ω

SP6N/10BL6N
80 A
100 µΩ
6 mm

3.3 絶縁ブッシング

コネクタにおける放電、絶縁破壊を防ぐためには、絶縁ブッシングの材料選定は非常に重要である。一Peak Voltage
般に、樹脂系の材料が使用されるが、内部に気泡
Peak Current(ボイド) が多数存在すると、貫通絶縁破壊が発生
Pulse Width
する恐れがある。そこで我々は、製造段階で気泡がRepetition Rate
取り除かれているボイドレスFRP (日立化成工業：
Average Current
VT-E110) を採用した[5]。ボイドレスFRPは高強度、PFN Impedance
高絶縁を要する構造材料として開発されたもので、発電所の変圧器などに広く利用されている。加工性が良いことも特徴である。当グループでも、パルス
3.1 高電圧ケーブル
トランスや電子銃用ダミーロードなどの高電界がか変調器電源の出力インピーダンスは4.3Ωと低いた
かる絶縁体部品に使用しおり、問題なく働いている。
め、これに整合した同軸ケーブルは非常に太く特殊
表４にボイドレスFRPの絶縁特性の一例を示す。こなものとなり、取扱いが困難である。そこで我々は、 れを参考にして、ブッシング円筒の厚みは12.5 mm
Dielectric Science社製高電圧同軸ケーブルを採用しとした。
た [3] 。本ケーブルは、EMI社製インバータ電源において使用実績があるもので、柔軟性があり手ごろな
表４：ボイドレスFRPの絶縁特性の一例 (日立化成
太さで扱いやすい。インピーダンス整合は９本の工業社)
ケーブルを並列に接続することで満足させることに絶縁破壊電圧平均電圧した。インバータ電源用については１本のケーブル
貫層73 kV (交流)
37 kV/mmを使用する。ケーブルの仕様を表２に示す。
(2 mm)
115 kV (インパルス)
58 kV/mm
また、ケーブルに無理な負荷がかかり、コネクタ
沿層
82 kV (交流)
14 kV/mmとの接続部が損傷することを防ぐために、保護用の(6mm)125kV(インパルス)
21 kV/mm
金属メッシュ (Isolation Products社製)を取り付けた[3]。
表２：高電圧ケーブルの仕様 (Dielectric Science社)
Part Number
Working Voltage
Dielectric
Characteristic ImpedanceOuter Diameter
Minimum Bending Radius

2062SVJ*
100 kV DC
Silicone Rubber
41 Ω
20.5 mm
64 mm*

より柔軟性のあるシリコンジャケットを備えたもの（2062SSJ）もある。

次に、絶縁ブッシングの長さを決定しなければならない。製造メーカーでは、十分に安全率を考慮した経験値として表５に示す耐電圧が用いられている。
ブッシングの内側は、ケーブル芯線の先端とアース導体間が絶縁体に添って気中となるため、ブッシングの長さは空気中の耐電圧が支配的になると予想される。KEKにて使用実績のある絶縁油中使用のブッシングの調査結果を表６に示すが、絶縁体の長さは気中絶縁で決まっているようである。これらのデータを参考にして、ブッシングの長さを表7の通り決定した。

3.2 接続端子

表５：安全を考慮した耐電圧の経験値

機器のメンテナンス性を良くするためには、コネクタが容易に脱着できて、かつ確実な接触が得られる必要がある。ケーブルプラグとソケットとの接続端子には、ワンタッチ接続ができるマルチコンタク
ト社製の端子を使用した [4]。ベリリウム銅のスプリング特性を利用した多面接触型の端子で、大電流を要する加速器部品に広く利用されている。本コネク
タに使用した端子の仕様を表３に示す。最大定格電絶縁油中耐電圧
空気中耐電圧12 kV/mm
0.35 kV/mm

表６：KEKで使用実績のある絶縁ブッシング
定格電圧100 kV
50 kV

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ブッシング長さ270 mm
129 mm

平均電圧0.37 kV/mm
0.39 kV/mm

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表８：ケーブルプラグ端末処理の様子

表７：決定した絶縁ブッシングの長さ

インバータ電源
変調器電源

定格電圧(max.)
50 kV
25 kV

ブッシン
グ長さ
128 mm88 mm

平均電圧(1) プラグ部品

0.39 kV/mm
0.28 kV/mm

ケーブル絶縁体とブッシングの間の空気層は可能な限り少ないほうが良い。そのために、ケーブル装着時には、ケーブル絶縁体にシリコングリス (信越化学工業：G40-100) を十分添付することとした。
また、テーパー状に加工したシリコンゴム製のコレットを、ケーブル絶縁体の根元に取り付け、ブッシング内部の気密性を保つようにした。

(2) ケ － ブ ル 皮 膜 除
去、部品取り付け

3.4 その他

アース網線の切り屑が残存していないか、目視で十分に確認する。

フランジ等の金属加工部品は全て真鍮製とした。
また、コネクタ接続用ナットは握りやすいようにコレット仕上げとした。

(3) アース電位均一化
薄膜の除去

3.5 端末処理

絶縁体表面に残留する半導体インクはエタノールを染み込ませた布で完全に除去する。

高電圧ケーブルプラグの端末処理の手順を表８にまとめる。

４．現状と今後の予定
現在、SPring-8ではX線自由電子レーザー向けて、C-band加速器及び低エミッタンス電子入射器の開発を進めている。C-bandクライストロン及びCeB6電子銃のパルス電源に密閉型変調器電源が使用されており、これらを接続する高電圧ケーブルに、本コネクタ (25kV用) を使用している (図２参照)。開発研究のため、コネクタの脱着と高電圧印加を繰返し行っているが、1年以上トラブル無く動作している。
50kV用コネクタの使用実績はまだ無いが、本年度開発中のインバータ電源に装着する予定である
また、実用的により扱いやすいコネクタにするた
め、今後、次に記す改良を行う予定である。

(4) ナット取り付け
ケーブルアース線の接触を良くするため、固定用ナットは強固に締め付ける。

(5) 接続端子のはんだ付け
ケーブル芯線と接続端子は、確実にはんだ付けする。

(1) コネクタを締め安くするために、コネクタ接続用ナットをすべりの良いステンレス製にする。
(2) ケーブル固定用ナットを誤って緩めてしまわないよう、６角ナットにする。
(3) 誤装着を防ぐために、インバータ電源用と変調器電源用でフランジのネジサイズを変える。

参考文献[1] 例えば、稲垣隆宏,「C-bandクライストロン用コンパクト密閉型変調器電源の大電力試験」
Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meetingin Japan, 2003, Tokai, Japan[2] http://www.ohtsuka.org/[3] 下記代理店より入手可能
http://www.aetjapan.com/[4] http://www.solton.co.jp/[5] http://www.hitachi-chem.co.jp/

図２：CeB6電子銃タンクに装着されたコネクタ

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