Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 THP16

アバランシェサイリスタスイッチを用いたキッカー電源の動作試験
OPERATION TEST OF KICKER POWER SUPPLY USING AVALANCHE THYRISTORSWITCH
内藤孝#, 明本光生
Takashi Naito#, Mitsuo Akemoto
KEK, High Energy Accelerator Research Organization

Abstract
The SupserKEKB accelerator in KEK uses multiple kicker power supplies for MR injection. Stable operation of thekicker power supplies is required for the stable beam injection. We prepared a kicker power supply test bench forevaluating thyratron switches and optimizing circuit constants. This time, we conducted an operation test in which thethyratron switch was replaced with an avalanche thyristor switch in order to evaluate the possibility of converting thethyratron switch into a semiconductor. We will report on the test results on the Kicker power supply test bench.

1.

はじめにサイリスタの Avalanche mode を使用した大電流スイッチを開発し、加速器のキッカーマグネットで使用されているサイラトロンスイッチの代替することを目指している[1,2]。今回、キッカー電源のテストベンチを整備し、サイリスタスイッチでの試験を開始した。Figure 1 は高エネルギー加速器研究機構
SuperKEKB 加速器で使用されているキッカー電源である[3]。SuperKEKB 加速器の入射には Low Energy
Ring/High Energy Ring(LER/HER)それぞれのリングで３台 x２のキッカーが使われており、ビーム入射時にバンプ軌道を作っている。バンプ軌道はその領域以外には軌道の変化がない様に複数台のキッカーの蹴り角を調整してあるが、キッカー電源の１台が誤 Figure 1: SuperKEKB Injection kicker system power
supply[3].
動作を起こすと、その下流のビーム軌道は大きく振動するためビームがコリメータに当たり消失してし チも同型のものが使われている。評価試験の一つとまう。SuperKEKB 加速器では蓄積電流の増加に共 して、テストベンチのサイラトロンをサイリスタのなって、このビームロスが深刻な問題になりつつあ アバランシェモードを使った大電流スイッチに交換る。消失したビームは加速器のコンポーネントにダ し、運転することでサイリスタスイッチが実機としメージを起こすほどのパワーであるため、サイラト ての運転に問題がないか評価を行った。
ロンスイッチの誤動作などによるキッカーの異常を我々が開発しているサイリスタのアバランシェ可能な限り少なくする必要がある。改善策の一つと モ ー ド を 使 っ た 大 電 流 ス イ ッ チ (Avalanche mode
して有望視されているのが、一台のキッカー電源で thyristor, AMT)[1, 2]は、サイリスタにブレークオー２台のキッカーマグネットをドライブするダブル バー電圧を印加することによって、ゲート入力がなキッカーである。２台のキッカーマグネットを蹴り い状態でもスイッチ動作をすることを利用している。
出す方向と蹴り戻す方向のペアにすることによって、 利点としてはゲート入力が必要ないため入力回路をキッカー電源が誤動作してもバンプ軌道の高さが変 省略出来ること、スイッチ動作が通常のゲート入力わるだけで下流のビーム軌道に大きな影響を与えな を使ったサイリスタ(Gate mode thyristor, GMT)より高い。しかし、ダブルキッカーに構成を変えるのは大 速であることなどが挙げられる。注意点としては、
きなシステム変更であり、事前にテストベンチで評 サイリスタにブレークオーバー電圧以上の電圧を印価を行う必要がある。我々は２０２２年にサイラト 加する必要があるため、印加する電圧の範囲が制限
ロンスイッチの評価や誤動作問題に対処するために されることが挙げられる。そのため動作電圧の可変キッカー電源のテストベンチを構築した。このテス 範囲が狭い。加速器のキッカー電源などでは出力をトベンチは、かつて高エネルギー加速器研究機構 ある程度可変にする必要があるが、この問題に対しフォトンファクトリー(PF)リングの入射に使われて て AMT と GMT を適した比率で動作させることで動いたキッカー電源を使用している[4]。PFN やキッ 作電圧の可変範囲を広げることが出来る[4]。キッカーマグネットのパラメータなどは少し違っている カー電源テストベンチを使ったサイリスタスイッチが、ほぼ同じ容量の電源でありサイラトロンスイッ の実験について報告する。
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キッカーテストベンチ

Figure 1 に SuperKEKB 加速器で使用されているキッカー電源を示す。キッカーマグネットは集中定数型でキッカーマグネットのインダクタンスとキャパシタによる LC で決まる half-sine の出力電流を生成 す る 。 サ イ ラ ト ロ ン ス イ ッ チ はCX1154C/CX1174C が使われており、パルス幅は約2 μs(FWHM)、印加電圧/ピーク電流は最大 35 kV,2 kA である。繰り返しは最大 50 Hz である。通常の運転では 15k V 前後で運転されている。
Figure 2 はキッカー電源テストベンチである。か
つて PF リングの入射キッカーの電源として使用されていたものである。1988 年製である。PF リングの入射には入射のパラメータが変わったため新規の電源が使われ現在は使われていないため、テストベンチ用として整備を行った。この電源の仕様は、最Figure 4: Picture of an AMT switch installed in the Kicker
Test Bench.
大 36 kV, 2.5 kA＠5.8 μH, 繰り返し 25 Hz である。ほぼ SuperKEKB 入射キッカー電源と同じパラメータであり、サイラトロンスイッチも CX1154C/CX1174Cが使われている。写真左側が FPN, サイラトロンスイッチが入っているパルサー部であり、右側が充電部である。充電は共振充電方式であるため繰り返しを変えるとサイラトロンの動作電圧が変わってしまう特性がある。繰返しに関しても安定度を気にしなければ 50 Hz 動作も可能である。その他にもマッチング回路や PFN の容量など、調整を行う必要があるが、動作試験を行うには十分である。

3.
Figure 2: Picture of a kicker test bench which was used as
the injection kicker of PF storage ring of KEK.

Figure 3: Circuit diagram of the AMT test circuit with acapacitor and a load resistor.

AMT 回路サイリスタのゲート入力をカソードに短絡し入力電圧をゼロの状態でアノード-カソード間(A-K)にあらかじめ十分な電圧が印加された状態でさらに大きな電圧を印加すると半導体内で電子雪崩が発生し、サイリスタはオフ状態からオン状態になる。このスイッチする電圧をブレークオーバー電圧と呼ぶ。このブレークオーバー電圧はサイリスタの最大定格電圧の２倍近い電圧であるため、スイッチを起こすにはあらかじめ印加した電圧に加えて大きな電圧を瞬時に加える必要がある。Figure 3 のような多段構成
では、通常のゲートトリガーのサイリスタ回路(GMT)を複数段構成にすることによって GMT がゲー
ト信号によってスイッチして A-K 間の電圧が下がると最下段の AMT にブレークオーバー電圧を超える電圧が印加される。その瞬間に最下段の AMT がオンになり、その上位の AMT にはさらに大きな電圧が印加され順次上位の AMT もオン状態となり最上段まで連続的にオン状態になる。
AMT を使ったスイッチ回路の動作範囲を広げるた
めに Fig. 3 の回路では GMT と AMT で各段に電圧を供給する分割抵抗の割合を変えて、全体の印加電圧が低くても AMT にある程度の電圧が印加されるように設計されている。AMT が連続的にスイッチするためには各段の AMT にある程の印加電圧をかけて- 717 -

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この様な構成にすることによって、動作範囲の広いAMT スイッチ回路を開発した。(特許出願中:特願2022-117311)

4.

Figure 5: Waveform of the Thyristor Switch using AMT at
the condition of the voltage 15 kV, the Magnet inductance
5.8 μH and the PFN capacitor 0.2 μF.

キッカーテストベンチでの試験

Figure 4 は、キッカーテストベンチのサイラトロンスイッチをサイリスタスイッチに置き換えたものである。サイリスタスイッチは GMT7 段、AMT 4 段の合計 11 段構成の回路で抵抗負荷の試験で６ kV から 16 kV の範囲で動作することを確認している。抵抗負荷の試験ではパルス幅も 200 ns、ピーク電流600 A 程度までしか試験されておらず、実際のキッカー電源で使用されるパルス幅数μs、ピーク電流1 kA を超える運転に耐えられるかはまだ評価されていなかった。キッカーテストベンチを使うことで実機に近いパラメータでの運転での評価を行うことが出来る。
Figure 5 に CT で測定したサイリスタスイッチによる電流波形を示す。サイラトロンスイッチを使った波形とほぼ同じであることを確認した。キッカーテ
ストベンチでは、以前 PF で使われていたキッカーマ
グネット(inductance 5.8 μH)を負荷として接続し、放電用の PFN は 0.2 μF を使用して約 4 μs(FWHM)のパルスを生成している。15 kV の印加電圧に対して1.5 kA のピーク電流を計測した。Figure 6 に電圧を変化させた時の電流特性を示す。6 kV~15 kV の範囲では直線的でありサイラトロンからサイリスタスイッチに変えたことによる電流の変化は見られない。
その他、マッチング回路のダイオードや抵抗など
は PF で使用していた時のものをそのまま用いたた
め、波形の反射が不完全であるが、いずれ調整によって反射を抑える予定である。

5.

今後の展望

キッカーテストベンチを使ったサイリスタスイッチの試験を行い、ほぼサイラトロンと同等の出力特性を得た。サイリスタスイッチはまだ 1 Hz 程度の低い繰り返しでの特性であり、今後 50 Hz まで繰り返しを上げて熱的な問題がないか評価する必要がある。
また、長期に亘って運転しスイッチとしての寿命を評価する必要がある。
今回試験を行ったサイリスタスイッチは GMT7 段、Figure 6: Characteristics of Voltage versus peak current of
AMT 4 段の合計 11 段構成であり、最大印加電圧は
the Thyristor switch using AMT in the kicker power supply
16 kV である。最大印加電圧を 24 kV まで大きくしtest bench.
た GMT10 段、AMT 6 段の合計 16 段構成を準備しておく必要がある。GMT はゲートトリガー入力が十分おり、キッカーテストベンチで試験を行う予定であであれば、低い電圧でもスイッチするので GMT のる。設計段階では、さらに多段接続することによっ合計の電圧+最下段の AMT の電圧がブレークオーて高い最大印加電圧を実現することを目指している。
バー電圧を超えれば、全てのサイリスタはスイッチその過程で、この方式の最大ピーク電流、最大繰りする。したがって、GMT と AMT の割合を変えるこ返しの限界も評価されると思われる。すでに、小容とで最低のスイッチ電圧が決まる。AMT の割合が多量の PFN と負荷抵抗を使った小電力の試験では多段ければゲート回路は少なくすることが出来るが、最接続で 30 kV 近くの電圧を印加した試験も行ってお低の動作電圧は高くなる。逆に GMT の割合が多けり[2]、多段接続によって最大印加電圧を大きくしてればより低い電圧からスイッチすることが出来る反多くのアプリケーションに使用することを目指して面、ゲート回路が上位のサイリスタまで必要となる。
いる。

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謝辞
本研究は科研費 JP21K12527 の助成を受けたものです。また、本研究の一部は共同研究体「つくばパワーエレクトロニクスコンステレーション(TPEC)」の事業として行われました。本研究を支援していただきました小関施設長、増澤主幹に感謝致します。

参考文献[1] T. Naito et al., PASJ2020 FRPP47, Aug (2020).
[2] T. Naito et al., PASJ2022 TPU037, Aug (2022).
[3] M. Kikuchi et al., “Beam-transport system of KEKB”, NIMA 499-1 (2003) 8-23.
[4] T. Mitsuhashi et al., “Accumulation of Positrons into The
Photon Factory storage ring”, Particle Accelerators 1990,
Vol 33, pp 87-92.

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