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)

Klystron Power Supply Systems for J-PARC Linac-- Present Status at KEK 60MeV Linac (2) -M.Kawamura1,A), S.AnamiA), Y.FukuiA), K.MikawaA), E.KadokuraA), C.KubotaA), M.OnoA), E.ChishiroB) ,H.SuzukiB) , T.NakamuraC) , Y.YuminoD) , H.KuboD)A)
KEK, 1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305-0801
B)
JAERI, 2-4 Shirakata Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken, 319-1195
C)
Pulse Electronic Engineering Co.,Ltd, 274 Futatsuzukamichishita, Noda-shi, Chiba-ken, 278-0016
D)
Hitachi,Ltd., Information & Control Systems Div., Power Electronics Design Dept.,
1-1, Saiwaicho 3 chome, Hitachi-shi, Ibaraki-ken, 317-8511
Abstract
Present status and recent progress about klystron power supply systems for J-PARC (Japan Proton Accelerator
Research Complex) Linac are presented in this paper. Troubles and their solutions of the systems in KEK 60MeV linac
are described. This article also reports the recent progresses of the trigger system, the PLC control and the datarecording.

J-PARCリニアック用クライストロン電源システム−KEK60MeV施設における現状(2)−成した。‘00年度初めの施設建物の完成直後より機器搬入を開始し、以後設置、試験、運転を順次行っ
J-PARCリニアック用クライストロン電源システてきた。これまでHV1、2号機のクローバ試験、
ム[1]~[7]については、昨年のリニアック技術研究会にHV1号機の3並列負荷試験(80kV回路1負荷、110kVて、その概要と昨年までの状況を発表している[1]。
回路2負荷)、HV2号機の1負荷試験を終了し、Ｍ・
本稿では当電源システムについて、KEK60MeV施
アノード変調器は5台の大電力試験を終了した。
設における現在の運転状況と、最近明らかになった
現在HV1号機と3台のＭ・アノード変調器はRFQ、不具合やそれについて行なった対策を報告する。ま
DTL1の2加速空洞を用いた負水素イオンのビーム加た、トリガ系、PLCによる制御、データ記録につい速試験(出力エネルギー19.7MeV)、およびSDTL加て進展した事を報告する。
速空洞の大電力試験に使用されている。Ｍ・アノー
２．KEK60MeV施設内クライストロン電源 ド変調器3台のうち1台は四極管を半導体素子に入れ替えて試験運転を行っている。HV2号機と1台のシステム
Ｍ・アノード変調器はテストスタンドとして運転を行い、これまでクライストロンの試験やサーキュ
2.1 概要レータ、同軸管 (架橋ポリエチレン使用) 等の大電
J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex、 力試験に使用されている。運転時間(HVon時間)は大強度陽子加速器計画)に於いて、400MeV陽子リニ‘04年6月25日の時点でHV1号機2513.4時間、HV2号
アック用のパルスクライストロンにはモデュレー機872.5時間である。
ティング・アノード型(以下、 Ｍ・アノード型
2.2 ‘04年6月の運転状況と略称)を使用している [6][8][9]。そのクライストロンに大電力を供給するクライストロン電源システム
ビーム加速試験は毎週木曜日に実施されており、[1]~[7]が開発され、190.8MeV(建設当初の出力エネル‘04年6月の４回の運転では短時間のビーム停止時間ギーは181MeV)リニアックに必要な大電力機器は全も含めて約10〜15時間の連続運転を行った。この運て昨年度までにJAERI、KEKに納品されている。
転中クライストロン電源はHV1号機と2台(各々RFQ
KEK60MeV施設は大強度陽子加速器の最上流部と用、DTL1用でいずれも四極管タイプ)のＭ・アノーして建設された。クライストロン電源システムはこド変調器を使用した。表１にビーム加速試験時のの施設での運転に合わせ、‘99年度末までにカソーHV1号機等の各設定値、測定値(４回の運転の平均ド高圧直流電源1、2号機 (HV1、2号機) および値)を示す。また、ビーム試験の前日は空洞のエー
Ｍ・アノード変調器6台 (全て四極管タイプ) が完

１．はじめに1

E-mail: masato.kawamura@kek.jp287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：ビーム加速試験時の設定値、測定値(2004年6月)
項目
設定値／測定値(設定値)
設定電圧
繰返し(HV1)
直流電圧
直流電流換算値(DTL1)
Kly.カソード電圧
Kly.ビーム電流
Mアノード電圧
パルス幅設定値(RFQ)
Kly.カソード電圧
Kly.ビーム電流
Mアノード電圧
パルス幅設定値

10725kV
pps

105.8 kV
0.9A
100.0 kV41.7 A
77.4 kV
750 μs

図１．ポリエチレン管表面の放電痕

る。放電痕はポリエチレン管の表面で見られた。一旦放電痕が生じると、表面に微小な突起が生じ、その後同じ電圧値で放電が生じて高圧Downになるものと考えられる。
①の箇所についての考察と、今回行った対策を以下に述べる。当該箇所はCT3025の穴と金属棒の同ジングを実施しており、その他にRF制御系の試験軸構造になっているので、電場の計算は同軸状の外を行うなど、週2〜3回の運転を行った。
導体−内導体間に電位差がある時の理論式を用いる。
条件として金属棒の電位を100kV、CTを0Vとし、３．最近明らかになった不具合とその対策ポリエチレンの比誘電率(=2.25〜2.3)と絶縁油の比クライストロン電源システムの不具合とその対策誘電率(=2.2)とが近い値なので同一とする。CT穴のについては過去のProceeding[1][5]でも述べているが、内径3.5inch(=88.9mm)、金属棒外径20mm、ポリエチ
本稿では最近１年間のうちに明らかになった「M・レ ン 厚 さ 1.5mm よ り 、 金 属 棒 外 面 の 電 場 がアノードパルス変調器内の耐電圧不良」とその改修、[10]
6.70kV/mm、ポリエチレン外面が6.24kV/mmとなる。
JAERI施設 で発生した「ケーブル加熱の不具合」
比較のため当電源システムで使用する高圧ケーブルを受けてKEK施設で行った対応について報告する。
RG-220/u(内導体外径6.6mm、外導体内径23.1mm)で3.1 M・アノードパルス変調器内の耐電圧不良と改導体間に100kVの電位差がある場合の電場を計算す修る と 、 内 導 体 外 面 が 24.19kV/mm 、 外 導 体 内 面 が6.91kV/mmとなる。正常に動作している高圧ケーブ‘03年10月から‘04年2月にかけて、M・アノード変ルよりも低い電場で、CT貫通配線に放電が生じた調器３台が相次いで耐電圧不良となりシステムの高のは､直流高電圧で使用することにより絶縁油内の圧がDownする不具合が生じた。
不純物が集まって耐電圧低下したためと考えられる。
M・アノード変調器の高電圧機器は全て絶縁油タ
ピアソンCTのカタログに、「絶縁油中においてンク内に収納されている。相次ぐ不具合を受け、直流高電圧で電流を測定する際には、導体とCTの‘04年2月初めに不具合のあったタンク１台を開けて間に固体の絶縁物を置くのが望ましい」と記載され確認したところ、高電圧の配線部分に幾つか放電痕ている。これを参考にして､金属棒とポリエチレンが見られたので改修を行った。以後、‘04年6月まで管の代わりに、同軸ケーブルの20D-2V(内導体外径に不具合のあった残りの２台についても順次タンク6mm、ポリエチレン外径20.5mm)および10D-2V(同､を開けて確認し改修を行った。
2.9mm、9.9mm)の、外被と外導体を除いたものを検放電痕のある箇所はM・アノード変調器３台それ討した。計算により､内導体外面の電場は強くなる
ぞれで若干異なっていたが、高圧Downの主な原因が､ポリエチレン外面(絶縁油に接する所)の電場はは い ず れ も 「 ① ピ ア ソ ン 製 CT3025 を 貫 通 す る 配
20D-2Vが3.62kV/mm、10D-2Vが5.90kV/mmとなり、線」の放電痕、または「②クライストロンヒータ配20D-2Vの場合電場がかなり低くなる(6.24kV/mmの線、および同ヒータカソード配線の固定箇所」の放58%) こ と が わ か っ た 。 以 上 の 検 討 結 果 に よ り 、
電痕と見られている。これらの配線はこれまで、直20D-2VをCT貫通配線に使用することにした。
径20mmの金属棒(銅パイプ)と、その外周に被せら②の箇所については、ポリエチレン管の表面と、れた厚さ約1.5mmのポリエチレン管で構成されてい配線固定用部品(絶縁体)との両方に放電痕が確認さ72.8 kV
30.2 A
62.6 kV
650 μs288

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異常時偏磁電流分が発生)の検出部を追加した。

れた。固定用部品は金属棒配線を固定してタンク筐体フレーム(接地電位)との絶縁を確保するために付けられている(図１参照)が、固定用部品の上面に不純物がたまってポリエチレン管との間で放電を起こしたと考えられる。改修作業では放電痕の付いたポリエチレン管を取り外し、また固定用部品は、これが無くても金属棒が固定されることが確認されたので、取り外した。
上記①、②の他、改修作業では端子部に着目し、コロナリングの追加、端子板形状の変更、リード線を減らす、などを行った。
改修後の耐圧確認試験について述べる。パルス電子(株) で耐圧試験を行う場合試験電源の出力電流を観測する他に、暗室に設置して放電箇所を目視確認している。KEKでは暗室に設置することが困難であるため、超音波を利用した検出器(Biddle Co.製
Ultrasonic Corona & Leak Detector)により放電箇所を確認した。耐圧試験と部分改修を繰り返し、最終的に気中で55kVまで、リーク電流の急激な増大が無く、放電も無いことを確認した。
以上の改修と耐圧試験を行ったM・アノード変調器は、これまでのところkly.カソード電圧107kVの長時間運転で問題なく使用されている。
耐電圧不良を起こす前にM・アノード変調器の不具合を判断する方法を現在検討中である。これまで(株)カイジョー製、油中コロナ検出器CD-1の出力信号の利用を検討しているが、改修の前後で信号の定量的な変化が確認出来ず、不具合の判断法は確立していない。その他、絶縁油中のガス成分分析を定期的に行う試行を始めた。

４．トリガ系、PLC制御、データ記録
ビーム加速試験を行う際には、クライストロン電源と他の機器を一括して制御をする必要がある。
タイミング信号は、加速空洞単位で制御室から光ケーブルを配線し、当該の加速空洞に関する機器のタイミングを制御している。クライストロン電源のトリガ系は上記タイミング信号をNIMモジュール(Trigger Fanout)で受信し、パルス幅やDelayについては制御室で設定している。
また、クライストロン電源の制御にはPLCを使用している。PLCにはコントロール１、２の２つの部分がある[5]が、上位にあたる２の方はEthernetケーブ
ルによって制御室とつながっている。最近このコントロール２が整備され、クライストロン電源の上位機 器 に よ る 制 御 が 可 能 に な っ た 。 ま た InTouch(Wonderware Corp.)の入ったパソコンをEthernetケーブルに接続し、多種のトレンドグラフ表示、故障時のデータ検索等が可能になった。

５．まとめ
昨年に引き続きKEK60MeV施設のクライストロン電源システムの現状を報告した。当施設での運転を継続し、将来に備えデータを蓄積する予定である。

参考文献[1]川村 他、Proc. of the 28th Linear Accelerator Meeting inJapan (2003), pp.369-371.
http://lam28.tokai.jaeri.go.jp/proceedings/TP-23.pdf[2]“JHF Accelerator Design Study report”, JHF Project Office,
KEK Report 97-16, JHF97-10, 1998, pp.4.6.10~21.
3.2 ケーブル加熱の不具合と、KEK施設での対応[3]川村 他、Proc. of the 24th Linear Accelerator Meeting inJapan (1999), pp.200-202.
‘04年3月、JAERI施設のクライストロン電源で電[4]M. Ono et al., Proc. of the 12th Symposium on Accelerator
圧調整盤(AVR)と変圧整流器(HVTR)の間を配線する
Science and Technology (1999), pp.275-277
ケーブルが加熱する不具合が発生した。これは、[5]川村 他、Proc. of the 26th Linear Accelerator Meeting in「AVRサイリスタのゲートドライブ回路のトランジ
Japan (2001), pp.204-206.
http://conference.kek.jp/lam26/LAM26PDF/1P-27web.PDF.
スタが破損、不動作」→「サイリスタの１つのゲー[6]“Accelerator Technical Design Report for J-PARC”,
トパルスが欠相し、AVR出力回路の当該部が(本来Accelerator Group, JAERI/KEK Joint Project Team, KEKの交流でなく)一方向のみ通電」→「変圧整流器のReport 2002-13, JAERI-Tech2003-004, J-PARC03-01, 2003,
当該相が偏磁(飽和)し、その結果過電流が通電」→
Chap.3.1.3.1.
「ケーブルが加熱」という現象が生じたためである。
http://hadron.kek.jp/member/onishi/tdr2003/index2.html
この不具合を受け、KEK施設でも‘04年6月に対応[7]同、Chap.3.1.3.4.
が行われた。原因となったトランジスタの動作確認[8]同、Chap.3.1.3.2. ; Chap.3.1.3.3.には交流電流各相の波形観測が必要であり、電源運[9]手塚 他、Proc. of the 28th Linear Accelerator Meeting in
転中常時観測するのは現実的でない。今回はケーブJapan (2003), pp.372-374.
ルを保護するためのMCCB新設と、電流値異常検出
http://lam28.tokai.jaeri.go.jp/proceedings/TP-24.pdf
部の変更を行った。MCCBは三菱製NF400-CP、二[10]堀利彦 他、本研究会 ;相式、定格電流350Aタイプ(遮断電流10kA/690V時)
山崎 他、Proc. of the 28th Linear Accelerator Meeting inJapan(2003), pp.369-371.
をAVR−HVTR間に６台新設し、配線ケーブルをhttp://lam28.tokai.jaeri.go.jp/proceedings/TP-21.pdf;150mmsq.から250mmsq.に変更した。電流値の異常
thLinearAcceleratorMeetingin
山崎他、Proc.
ofthe27
検出はこれまでNIMモジュールにより直流演算値
Japan(2002),
pp.296-298.
(HVTRの交流入力から直流出力を演算したもの)の
http://lam27.iae.kyoto-u.ac.jp/PDF/8P-10.pdf

過電流のみを検出していたが、今回は更に交流過電流、偏磁電流(３相の電流値の和を検出、正常時0A、289