DEVELOPMENT OF POWER SUPPLY FOR 30kW CW IOT/KLYSTRON ATTHE cERL
Hiromitsu Nakajima#, A), Mitsuo AkemotoA), Tetsuo ShidaraA), Hiroyuki HonmaA), Takako MiuraA), Shigeki FukudaA),
Shinichiro MichizonoA), Kazuyuki SatoB), Kibatsu ShinoharaB), Nobuhiko KumazawaB)
A)High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
Nihon Koshuha Co., Ltd.
1119, Nakayama-cho, Midori-ku, Yokohama, Kanagawa, 226-0011

Abstract
The DC power supply for (CW) 30kW class RF sources, IOT (-36kV, 1.6A) and klystron (-20kV, 2.5A), has beendeveloped. The RF sources are used to drive 1.3GHz superconducting cavities at the Compact ERL (cERL) in KEK.
The details of the DC power supply are reported in this paper.

cERL における 30kW CW IOT/クライストロン用電源の開発
1.

表 1：電源の主な電気的仕様

はじめに

高エネルギー加速器研究機構では、次世代の放射光源としてエネルギー回収型リニアック（ERL）を検討しており、現在、ERL 開発棟（旧東カウンターホール）にて、ERL の実現に必要な要素技術の実証を目的としたコンパクト ERL（cERL）[1]の建設が進められている。
cERL では、入射器及び主リニアックの超伝導空洞を駆動するために 1.3GHz の RF 源が用いられ、30kW クラスの RF 源として、IOT とクライストロンが用いられる。本電源は、IOT、クライストロンのどちらが負荷となっても使用できるように開発された。

受電電圧

AC440V

電圧の安定化方式

スイッチング方式

2.

電源の仕様と構成

2.1電源の仕様

最大出力電圧

最大出力電流-36kV（IOT）-20kV（クライストロン）
1.6A（IOT）
2.5A（クライストロン）

出力電圧のリップル

0.3%（p - p）以下

出力電圧の安定度

0.3%（p - p）以下

負荷短絡時の保護回路

クローバ回路ヒーター電源DC 10V、30A

グリッド電源DC -200V、1A

イオンポンプ電源

DC 3.5kV

本電源の主な電気的仕様を表 1 に示す。ヒーター電源は、IOT、クライストロン共用、グリッド電源、 2.2 電源の構成
イオンポンプ電源は IOT 用となる。
電源に要求される最大出力電圧、最大出力電流は、 本電源のブロック図を図 1 に、写真を図 2 に示す。
負 荷 に よ っ て 決 ま り 、 本 電 源 の 負 荷 と し て は 、 本電源の全体の制御は、PLC によって行われ、ロー30kW IOT（CPI、L3）、または、30kW クライスト カルでの操作は、タッチパネルから行う。PLC は、ロン（東芝）が接続される。IOT 負荷では、最大出 横河のものを使用し、ラダープログラム用の CPU
力電圧-36kV、最大出力電流 1.6A、クライストロン （F3SP66-4S）と Linux 対応の CPU（F3RP61）を使負荷では、それぞれ、-20kV、2.5A である。本電源 用している。F3RP61 を使用することで、EPICS をは、出力回路の接続を変更することで、それぞれの PLC 上で実行でき、上位側との接続が容易に行えるものとなっている。
負荷に対応する。
高圧直流電源部は、スイッチング方式であり、cERL における RF 源に要求される安定度は、電AC440Vを受電し三相全波整流によって直流に変換力の振幅安定度 0.1%、位相安定度 0.1 度であり、し平滑する直流回路とIGBT をスイッチとしたフルLLRF 系でフィードバックをかけることで実現されブリッジ構成の共振回路を低圧部に収め、高圧トラ[2]、RF の安定度に影響を与える電源のリップルは、ンス及び整流回路を高圧部としてオイルタンクに収0.3%（p-p）以下が要求される。
めている。負荷放電時には、IOT またはクライスト
ロンへのエネルギーの注入を高速で遮断する必要が___________________________________________
あり、本電源では、サイラトロンをスイッチとした#
hiromitsu.nakajima@kek.jp- 1253 -クローバ回路を備えている。また、IOT 負荷では、 2.4 IOT 負荷とクラストロン負荷の切り替え
ヒーター電源、グリッド電源、イオンポンプ電源は、 IOT 負荷、クライストロン負荷の切り替えの際は、カソード電位に固定されるため、フローティング電 高圧トランスの二次側の配線を切り替え、IOT 負荷源となっている。
では、20 直列接続とし、クライストロン負荷では、コントロールユニット
タッチパネル

PLC
フローティング電源
デジタルコントローラ
AC440V
高圧直流電源
低圧部

高圧直流電源高圧部

クローバ回路ヒーター電源

カソード
ヒーター

グリッド電源グリッド
イオンポンプ

イオンポンプ電源

図 1：電源のブロック図

クローバ回路コントロールユニット
高圧直流電源高圧部

10 直列 2 並列接続とする。また、タッチパネル上
で IOT モードとクライストロンモードの切り替えボタンを用意し、負荷に応じて、フローティング電源のグリッド電源、イオンポンプ電源の出力のON/OFF、グリッド電源、イオンポンプ電源に関するインターロックの有効/無効の切り替えが容易に行えるものとなっている。ただし、クライストロン負荷の場合は、別途イオンポンプ電源を用意し、真空のインターロックは、外部インターロックとしてPLC に入力する必要がある。

3.

試験結果

3.1

抵抗負荷試験

IOT 負荷とクライストロン負荷を想定して、22k
Ωと 8kΩの抵抗を負荷として、試験を行った。22k
Ωの抵抗負荷で出力電圧-36kV のときの電圧、電流波形を図 3 に示す。図 3 より、リップル電圧は12.6Vp-p であり、0.04%で仕様を十分満たしていることが分かる。
CH2：出力電圧 10kV/div
CH3：出力電流 0.5A/div
CH4：リップル電圧 10V/div

フローティング電源

高圧直流電源低圧部

36kV

1.6A
出力電圧12.6V p-p
リップル電圧

図 2：電源の写真
2.3

出力電流

フローティング電源

横軸：20ms/div

本電源では、電源の小型化のために 19 インチラックマウントタイプの松定プレシジョン製フローティング電源を使用している。フローティング電源
図 3：出力電圧波形（負荷抵抗：22kΩ）
は、デジタルコントローラ、各電源（ヒーター電源、グリッド電源、イオンポンプ電源）、絶縁トランス8kΩの抵抗負荷で出力電圧-20kV のときの電圧電で構成されており、PLC からデジタルコントローラ 流波形を図 4 に示す。図 4 より、リップル電圧はを介して、各電源の ON/OFF、設定電圧の変更、出 60Vp-p であり、0.3%で 22kΩの抵抗負荷のときに比力電圧及び出力電流のモニターが可能となっている。 べるとリップルが大きいが、仕様は満たしている。
ヒーター電流、グリッド電圧のインターロックに 8kΩの抵抗負荷のときにリップル電圧が大きくなっ
関しては、デジタルコントローラを介して得たモニ ているのは、スイッチング周波数が低くなったこと
ター値から、PLC 上で処理しており、インターロッ と高圧トランスを並列接続としたことが影響を与えク値の変更等も含めて総合的な制御が行えるように ているのではないかと思われる。
なっている。ただし、真空のインターロックに関しては、その重要性からイオンポンプの電流をデジタ
ルコントローラ内のアナログのメーターリレーでもモニターしており、接点信号として PLC に入力している。
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CH2：出力電圧 10kV/div
CH3：出力電流 0.5A/div
CH4：リップル電圧 20V/div

本電源を実負荷であるクライストロンの受け入れ試験に使用したが、その際に、IGBT の過電流のインターロックで HV OFF となり、-20kV まで電圧をかけられないトラブルがおきた。調査の結果、高圧整流回路内の一部のダイオードが破損していたことが原因であった。ダイオードが破損した原因調査をメーカーに依頼した所、電圧的に壊れたのではないかとの回答を得た。
対策として、ダイオードをブリッジ回路のパッケ ー ジ タ イ プ （ 4HVFWB15KEUF ） と し 、 電 圧 のマージンを約 1.4 倍から 2 倍、電流のマージンを約5 倍から 8 倍にした。図 6 に対策前のダイオードと対策後の写真を示す。対策後、再度クライストロンの受け入れ試験に使用され、-20kV まで問題なく動作した。

20kV
出力電圧
2.5A

60.4V p-p

リップル電圧
出力電流

故障と対策

横軸：20ms/div

対策前のダイオード

図 4：出力電圧波形（負荷抵抗：8kΩ）
3.2

負荷短絡試験

負荷短絡時のクローバ回路の動作試験は、テストワイヤを使用して行った。電源の負荷側に真空リレーと 20J 相当のエネルギーで切れる直径 0.16mmで長さ 200mm のテストワイヤを取り付けて、クローバ回路の動作試験を行った。
試験の結果、-36kV 出力で真空リレーを動作させてもテストワイヤは溶断しないことが確認された。
図 5 にクローバ動作試験時の波形データを示す。真空リレーが閉じてから約 500ns でサイラトロンが動作し、試験用ワイヤの電流は約 3s で停止している。
IOT またはクライストロン短絡中のアーク電圧を100V で一定であると仮定すると、流入エネルギーは、0.2J 以下となる。クライストロンの仕様は、20J 以下、IOT の仕様は 10J 以下であり、どちらも十分満たしている。
500ns

3s

対策前のダイオード等を取り付けていた基板

出力電流対策後のダイオードブリッジパッケージ

対策後のダイオードブリッジパッケージ

図 6：故障対策後のオイルタンク
36kV

出力電圧

240A

CH2：出力電圧 10kV/div
CH3：出力電流 50A/div
CH4：サイラトロン電流 500A/div

1kA
サイラトロン電流

横軸：2s/div

5.

今後の予定

本電源は、すでに、30kW クライストロンの受け入れ試験に使用され、動作が確認された。また、現在、昨年度納品された 20kW IOT（L3）の受け入れ試験に使用されており、IOT の定格である-34kV まで問題なく動作している。IOT の受け入れ試験終了後は、30kW クライストロン用の電源として、cERLの運転に使用される予定になっている。

参考文献
図 5：クローバ動作試験時の波形データ[1] 羽島良一 他、“コンパクト ERL の設計研究”, KEK
Report 2007-7.
[2] S.Michizono et al., “Tuner control for cERL cavities bydigital feedback system”, Proceedings of this Meeting.

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