Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP008

SACLA 主加速器の運転と保守の状況
OPERATION STATUS OF SACLA MAIN ACCELERATOR
稲垣隆宏#, A), 近藤力 A), 櫻井辰幸 A), 益田邦和 B), 木村健 B), 中澤伸侯 B), 田中信一郎 B), 大竹雄次 A)
Takahiro Inagaki #, A), Chikara KondoA), Tatsuyuki SakuraiA), Kunikazu MasudaB), Takeshi KimuraB),
Shingo NakazawaB), Shinichiro TanakaB), Yuji OtakeA)
A)
RIKEN SPring-8 CenterB)
SPring-8 Service Co. Ltd.

Abstract
In the X-ray free electron laser facility SACLA, the C-band accelerator with 64 units has been operated for more than
30,000 hours from 2011, at a high accelerating gradient of 35-38 MV/m to accelerate electron beam of 5-8.5 GeV. Inorder to continuously generate an intense X-ray laser for user experiments, a low trip rate to interrupt the accelerator
operation is necessary. The trip rate of the operation at a 30 pps repetition rate is recently about once per hour, which is
low enough to conduct the user experiments, after relaxing the trip criterion for halting the klystron high voltage pulse by
an interlock system. The cause of the trip is such as a thyratron pre-firing. During the 4 years operation, troubles of thethyratron and a high voltage charger used in a klystron modulator system were the major reason of the machine failure
and the maintenance work. In order to reduce the dead time of the operation, we implemented countermeasures for thesetroubles. The most serious problem of the thyratron is increase of a surge current value at the trigger grid, which causedby the aged degradation. The huge current often breaks the trigger-circuit components of the thyratron and interrupts its
operation. For countermeasures of the surge troubles, inserting a surge blocking circuit and extending the pulse width ofthe pre-trigger effectively reduced the surge current value of several old thyratrons. We plan to introduce thesecountermeasures for the other old thyratron case. An overheat problem of a high voltage charger was one of the anxiety
to hinder its 60 pps operation. To overcome the problem, we reinforce the cooling capacity of several high voltage
chargers. It effectively reduced the temperature of the high voltage transformer part. We plan to introduce the same
modification for other high voltage chargers for planned 60 pps operation.

1. はじめに
Ｘ線自由電子レーザー（XFEL）施設 SACLA[1]は、8 GeV の線型加速器と 21 台の真空封止型アンジュレータによって、高輝度、極短パルスの X 線レーザーを発生させ、先進的な実験に供する施設である。
年間 3,500 時間を超えるユーザー実験をスケジュー
ル通り遂行し、要求される品質の X 線レーザーを常に供給するためには、運転の中断頻度が低く、加速
Figure 1: Schematic layout of SACLA.
器としての長期的な安定性、信頼性があることが重要である。
SACLA では、2011 年の運転開始以来、調整や改良を重ねながら加速器の信頼性や安定性を向上させ、これまでの 4 年半で約 30,000 時間の運転を行ってきた。SACLA の主加速器である C バンド加速器では、35～38 MV/m の高電界にて運転が行われており、2012 年のユーザー運転開始当初はトリップ（インターロックによる運転の停止）の頻度が高い事が課題であった。これも現在では、30 pps の繰り返しで1 時間に 1 回程度と、ユーザーの実験や加速器の安定運転に支障のない程度まで低減されている。
しかしながら、高周波源であるクライストロン用高電圧パルスモジュレータにてパルススイッチとして使用するサイラトロンが、経年劣化により様々なトラブルを引き起こすことが、最近問題となってき Figure 2: Configuration of the C-band linac system.
___________________________________________# inagaki@spring8.or.jp
Typical operation conditions are written in the figure.

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た。我々は、72 台のモジュレータで使用されるサイ MV/m の加速電界が得られている。また、Figure 3 にラトロンのうち、この 2 年で半数以上を新品に交換 示すように、2012 年の運転時[5]と比較してほぼ同様した。交換の主な原因となっているグリッド制御回 の電界が得られており、高周波電力の劣化は、ほと路での高電圧パルス性サージの増大については、 んど見られないことがわかる。
サージ低減回路の設置やトリガパルスの伸長などの対策を進めているところである。また、毎年数台の故障が続いていたモジュレータ充電用高電圧電源についても、故障の原因となっていた回路の改善と冷却の強化を行い、今後予定される 60 pps 運転に向けて故障の低減を図っている。
本発表では、C バンド加速器の現在の運転状況と、主要な機器の保守交換歴、および加速器の安定性や信頼性の向上のためのサイラトロンや高電圧充電電源などの開発・改良について報告する。

2.

C バンド加速器の運転状況

2.1

C バンド加速器の構成

SACLA 全体の構成を Figure 1 に示す。400 m の加速器長で最大 8.5 GeV までの加速を実現するため、加速電界が高く効率の良い C バンド（5.7GHz）加速器[2]を 64 ユニット使用している。このうち 12 ユニットは最終バンチ圧縮部 BC3 の前に置かれ、電子バンチを-50°のオフクレスト位相に乗せることでエネルギーチャープを与えながら 400 MeV から 1.4 GeV まで加速する。残りの 52 ユニットは、BC3 の後方に置かれ、圧縮後の電子バンチをクレスト位相に乗せ、X 線レーザーの発振波長に合わせたエネルギー（5～8.5 GeV）まで加速する。
C バンド加速器１ユニットの構成を Figure 2 に示す。クライストロンの最大定格は 50 MW であるが、通常は 8 割程度の約 40 MW パルス出力にて運転される。SLED にてクライストロンの出力高周波パルスを圧縮し約 4 倍の電力にして 2 本の 1.8 m 進行波型加速管に供給する。加速管では約 38 MV/m の加速電界が得られ、通過する電子バンチを 1 ユニット 4 mの距離で約 140 MeV 加速する。クライストロンに印加するパルス高電圧は、PFN 回路、サイラトロン、パルストランス等を絶縁油タンク内におさめた油密閉型の高電圧パルスモジュレータ[3]によって発生される。クライストロンは通常、飽和領域にて動作させるため、出力電力の調整は PFN 回路の充電電圧を変えることによって行う。SACLA では、高周波電力・位相の僅かな変化が電子バンチの長さやエネルギーなどに大きく影響し、ひいては X 線レーザーの発振に大きく影響するため、加速電場にも高度な安定性が要求される。そこで 10ppm 以下の安定度を持つインバータ式の高電圧充電器[4]を使用し、クライストロン出力を安定化している。
2.2

加速電界

電子ビームエネルギー7.8 GeV にて運転時の、C バンド加速器 64 ユニットの平均加速電界を Figure 3 に示す。この運転時は PFN 回路の充電電圧を一定値（45.6 kV）に設定したため、各ユニットでの加速電界は個体差があるが、おおむね設計通り 35～38

Figure 3: Typical accelerating gradients (orange marker) of64 units of the C-band accelerator, at a 7.8 GeV beamenergy. The typical gradient in 2012 operation (bluemarker) are also shown for comparison.

Figure 4: Electron beam energies (blue histogram) of theSACLA accelerator, and high-voltage pulse trip rates (redmarker) of the klystron modulator, during the user run fromJanuary to June 2015.
2.3

トリップ頻度と、パルス運転の繰り返し

今年 1 月からのユーザー運転期間における、電子ビームエネルギーと、クライストロンモジュレータの出力高電圧パルスのトリップ（停止）を SACLA全体で合計した頻度を、Figure 4 に示す。現在のパルス繰り返しは 30 pps である。トリップの頻度は運転電圧（電子ビームのエネルギー）にも依るが、平均して 1 時間に約 1 回で、ユーザー実験には支障ない程度である。
トリップの約半数は、加速管や導波管での高周波放電によるものであり、残りは、サイラトロンの自爆（トリガ前に導通短絡する）や、クライストロン管内での高電圧放電が主な原因である。2012 年のユーザー供用開始当初は、トリップ頻度は 10 pps でも 1 時間に 2～3 回程度[5]と多く、パルス繰り返しを上げられないひとつの原因になっていた。そこで、主原因となっていたサイラトロンの自爆について、自爆を起こしても 1 分間に 3 回以内なら加速器を停- 926 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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止しないようにインターロックシステムを改造[6]す 3.2 主要機器の故障と交換の状況ることにより、停止する頻度を 1/5 以下に低減した。 これまでの運転において、故障や保守のため交換
また、加速管での放電については、高電界でのコン した大電力高周波機器の数を年度ごとに集計し、ディショニングを十分に行うことにより、放電の頻 Table 1 に示す。なお、この章での集計では、C バン度を下げた。こうして、トリップの頻度が下がった ド加速器のほかに、ほぼ同様の高周波システムであため、2013 年 1 月より 20 pps に、同年 11 月より る S バンド加速器や、入射部の加速空洞（L バンド30pps に、加速高周波のパルス繰り返しを上げた。 加速器、C バンド補正加速管）、垂直デフレクタ空今後近いうちに、最大定格である 60 pps まで繰り返 洞、および電子銃用のパルス電源によるものも含ましを上げる事を計画している。
れている。
まず、加速管や導波管については、放電の頻発による交換がそれぞれ 1 回ずつあった以外は、大きな3. 大電力高周波源の保守と改良問題は起きていない。
クライストロンについては、毎年 1～2 本を交換し3.1 機器故障時の運転の切り替えている。交換理由は、出力高周波パルスの波形欠け
SACLA では、機器の故障による加速器の長期停（3 事象）、電子銃部セラミック損傷による真空止を避けるため、加速ユニットの数に少し余裕を持リーク（1 事象）、原因不明の管内真空の悪化（1 事たせている。通常の運転で我々は、BC3 より上流の象）である。波形欠けとは、2.5 μs の矩形パルスのC バンド加速器 12 ユニットのうち 1 ユニットを、下前半の一部が欠けたように出力が低下する現象であ流 52 ユニットのうち 2 ユニット以上を電子バンチのる。これ以外のクライストロンについては、高周波加速には使わず、タイミングをビームタイミングか出力も安定しており、パービアンスも低下していなら 10 μs 遅延して運転し待機させている。運転中のいなど、今のところ経年劣化の兆候は見られない。
加速ユニットに故障が起こった場合は、待機していこれらの機器に比べて、モジュレータに使用するたユニットと切り替え、10 分程度の調整ののちにサイラトロンと、そのトリガ回路に使用する TVSユーザー運転を継続できるようにしている。従って、（Transient Voltage Suppressor）ダイオードの交換件
更なる故障が連続して運転可能なユニットが足りな数が突出し、しかもこの 2 年で急増しているのがわ
くならない限りは、運転への影響は比較的少ない。
かる。また、高電圧充電器についても、毎年一定数
しかし、運転開始から 2 年を経過した 2013 年頃よの故障が続いている。これらの機器で起きている問り、サイラトロンやそのトリガ回路の故障頻度が急題と対策については、次節以降で詳細を述べる。
増し、交換作業のできない夜間や休日の運転に支障をきたす場合が生じてきた。これらの機器について 3.3 サイラトロンの経年劣化に伴う障害と対策故障の原因を探り対策を打つことは、加速器を安定SACLA の油密閉型モジュレータでは、最大 50 kVに 運 転 す る う え で 重 要 な 事 で あ る 。 本 章 で は 、 に充電された PFN 回路の一端を短絡し、約 5 kA、SACLA の大電力高周波源における故障や障害の状 4.5 μs の矩形パルス電流を生成するためのスイッチ況と推定される原因、そして現在取っている対策に 素子として、サイラトロンを使用している。SACLA
ついて報告する。
で主に使用するサイラトロン e2v CX-1836[7]は、3 つTable 1: Number of the currently used and replaced RFcomponents of the SACLA accelerator, summarized in theindividual fiscal years. The numbers in ( ) mean therecycling secondhand thyratrons instead of new ones.
UsedReplaced
2011

2012

2013

2014

RF cavity

71

1Waveguide71

1Klystron

71

1121Thyratron

72552340(6)(17)

TVS diode722714652

HV charger

72

3423の制御グリッド（G1、G2、G3）を持ち、G1 にプレトリガを掛けてカソード周辺の重水素ガスをプラズマ化した後、G2 と G3 にメイントリガを印加することにより導通動作する。プレトリガとメイントリガは、制御ラック内に収納されたトリガユニット e2v
MA2709A[7]によって生成され、モジュレータとは 2本の高電圧同軸ケーブルで接続されている。同軸
ケ ー ブ ル の 途 中 に は 、 Transient Voltage Suppressor(TVS)と呼ばれるダイオードが取り付けられ、サイラトロン動作時のサージやノイズからトリガ回路を保護するようになっている。
しかしながら、運転開始後 2 年を経過した頃から、TVS の抵抗値低下や短絡故障が発生しはじめ、昨年には TVS の破損に加えて、回路に付随する同軸ケーブルやコネクタ、終端抵抗などの部品も破損するようになっている[6, 8]。トリガ回路の故障は運転の停止につながるので、部品の破損が連続して起きた場合には、サイラトロンを交換することになる。
Figure 5 に、新しいサイラトロンと古いサイラトロンにおける G1 と G3 の電圧を測定した例を示す。

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こうした障害の原因としては、まず、カソードからのエミッションの減少によりカソード周辺のプラズマ形成が不十分になっていることが推測される。
また、グリッド電極の汚染による想定外の電子放出、セラミック部分の汚染による沿面放電などの可能性も考えられる。
経年劣化に起因する障害や変動は、2012 年の後半より徐々に見られはじめ、2013 年になって急増した。
Table 1 の表に示すように、この 4 年間でほぼすべてのサイラトロンを交換したことになる。但し、新品のサイラトロンが不足しているため、上流の加速器で取り外した変動が見られるサイラトロンを、比較的変動に寛容な下流の加速器で再使用するような運用も行っており、Table 1 にて( )付きで示している。
昨年の学会でも報告 [6]したように、我々は、サイラトロンの劣化や障害に対し様々な対策を行ってきた。ここでは最近に導入された２つの有効な対策について紹介する。

Figure 5: Typical waveforms of G1 and G3 grid voltage fora new thyratron (upper) and an old thyratron (lower),operated in 40 kV, 30 pps. In order to show the shot-byshot fluctuation, about 100 shots of the waveforms areoverwritten on the screen.

１）フィルタ回路によるサージの遮断
サージからトリガ回路を保護するため、周波数の低い（～数 MHz）トリガパルスは通過させつつ、周波数成分が高く（～数 10 MHz）トリガパルスとは反対方向に伝搬するサージを短絡吸収するフィルタ回路[8]を設計し製作した。サージの大きなサイラトロンに導入し、4 kV 以上のサージが 1.4kV まで低減されたことを確認した。また、SACLA で運転中のモジュレータにも試験的に実装され、問題なく現在まで 1500 時間の運転が行われている。

２）G1 プレトリガパルスの伸長
最近になって、G1 プレトリガのパルス幅を広げることにより、サージが大幅に抑制され、また導通タイミングの変動も抑えられることが判明した。理由としては、G1 プレトリガの時間を長くすることによ古いサイラトロンでは、導通開始時に 3 kV を超え りカソード～G1 グリッド間のプラズマ化が十分に行る大きなスパイク電圧が生じている。また、TVS の なわれ、その後のメイントリガによる導通がスムー
クランプ電圧は 4 直列素子の合計で約 1.6 kV なので、 ズに進んだためであると推測している。我々は、TVS に数 10 A から数 100 A ものサージ電流が流れて サージの大きな 3 台について試験的にパルス幅を広いることがわかった。この過大なサージ電流や過大 げて運転し、長期的な安定性や、新たな障害が生じな電圧によって、回路部品を破損したと考えられる。 ないか等の調査を行っている。
また、古いサイラトロンでは、Figure 5 に見られるように、パルス電流が流れる 4.5 μs の間、G1 とカこうした対策を行うことで、サイラトロンに関すソード間に最大 200 V 程度の残留電圧が残り、それ るトラブルを低減できるよう、サイラトロンをなるがショット毎に変動する現象が見られる。この変動 べく長く使用できるよう努めている。しかしながら、により、パルス電流の出力先であるクライストロン サイラトロンの経年劣化は、カソードを有する放電にて、電圧の変動が生じる。例えば残留電圧が 200 管である限り原理的に避けがたい。そこで長期的にV（PFN 出力電圧 25 kV の 0.8%）変動すると、クラ は、半導体素子への置き換えも検討し、基礎開発をイストロンのビーム電圧も 0.8%変動し、高周波出力 行っている[9]。の振幅や位相がそれぞれ 1.2%、4.°ほど変動することになる。特に SACLA の上流側加速器では、このような高周波の変動は電子バンチの加速エネルギー 3.4 高電圧充電器の障害と改良
SACLA で使用するインバータ式の高電圧充電器[4]を変え、X 線レーザーの発振を阻害するので、我々は影響が見られたサイラトロンから順に交換を行っ は、高速かつ高精度の充電を実現するため、急速充ている。この他にも、古くなったサイラトロンは、 電を行う主充電部と高精度の電圧整定を行う補充電導通タイミングの変動やトリガの不発、あるいは自 部の並列構成になっている。SACLA にて起こった爆の頻発などの障害が現れる場合もある。

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充電器の故障は、下記の 3 種類の事例があった。対 4.
まとめ策や改良と共に記す。
SACLA は 2011 年の運転開始以来、大きなトラブ
１） 補充電部の FET 充電電圧制御回路にて、トラン ルもなく約 4 年半の間に 30,000 時間超の運転を行っジスタ素子が過熱し短絡故障を起こす事例が てきた。64 台の C バンド加速器は、35～38 MV/m のあった。Table 1 に示す故障品の約半数は、これ 加速電界で 30pps にて運転され、電子ビームを最大が原因であった。対策として制御回路の定数を 8.5 GeV まで加速している。サイラトロンが自爆し変更し、トランジスタには空冷のフィンを取り た時も運転を停めないようインターロック機構を変付けた。
更することにより、加速器のトリップ頻度は 30pps２） 高電圧部の絶縁油を冷却するため、銅製の熱交 の繰返しにて 1 時間に 1 回程度におさえられている。
換器を用いているが、熱交換器のロウ付け不良 この 4 年半の SACLA の運転にて、サイラトロンの箇所が腐食し水漏れを起こして高電圧トランス 経年劣化が進み、交換の頻度がこの 2 年で急増してが焼損した事例が複数回あった。ロウ付け不良 いる。特に問題となっているのは、サイラトロント
は初期不良に類するものであるが、なるべく腐 リガ G1、G2 回路のサージの増大に伴う付帯回路の食を進行させないように、後述の改造に合わせ 破損故障である。この対策として我々は、フィルタて冷却水の流速を 2 m/s 以下に下げる予定であ 回路の導入や、G1 プレトリガのパルス幅を広げる方る。
法などを試験している。また、高電圧充電器につい
３） SACLA にて、60 pps 運転時に高電圧トランスが ても、故障の原因となっていた回路素子の過熱やト焼損する事例があった。温度測定を行ったとこ ランスの温度上昇等について対策を行っている。ころ、トランス部分の油温が 70℃を超えており、 のような対策や改良を重ねながら、SACLA の安定整流ダイオードが熱暴走した可能性が高いこと な運転を継続し、また早期の 60 pps フル定格運転をがわかった。対策として絶縁油の冷却を強化し 目指している。
高電圧トランス部の温度を下げる改造を行い、絶縁油の温度が約 5℃低下することを確認した。
Figure 6 に、改造を施した高電圧充電器の写真 参考文献を示す。この改造を施した 1 台を SACLA の加[1] T. Ishikawa, et. al., “A compact X-ray free-electron laser
速器に実装し、昨年の 10 月より 60 pps、48 kV
emitting in the sub-angstrom region”, nature photonics
にて連続運転を行っているが、故障等の問題は2012.141, (2012).
起こっていない。今年度、更に 5 台の連続運転 [2] T. Inagaki, et. al., “High-gradient C-band linac for a compact
x-ray free-electron laser facility”, PRST-AB 17, 080702,
試験を行い問題が無いことが確認されれば、来(2014).
年度以降に全数を改造し、SACLA 全体の 60 pps[3] T. Inagaki, et. al., “Compact 110 MW modulator for C-band
運転を実現する計画をしている。
high gradient accelerator”, Proceedings of 2012 International
また、新規に製作する高電圧充電器については、高圧部の冷却性能を強化し 120 pps 運転にも対応した充電器を新たに開発している[10, 11]。SACLA の BL1に設置している極紫外線 FEL 用加速器[12]では、この新型充電器を 5 台使用しており、60 pps の繰り返しで既に 3000 時間以上の運転を行っている。

power modulator and high voltage conference, (2012).
[4] C. Kondo, et. al., “High precision inverter power supply for
klystron modulator of SACLA”, Proceedings of 4th EuroAsian pulsed power conference, (2012).
[5] 稲垣隆宏, 他, “SACLA C バンド加速器の加速電場の向上とトリップ頻度の低減”, 第 9 回日本加速器学会年会
プロシーディングス, (2012).
[6] 益田邦和, 他, “SACLA でのサイラトロンのトラブルと対策”, 第 11 回日本加速器学会年会プロシーディング
ス, (2014).
[7] http://www.e2v.com/products/rf-power/thyratrons/[8] 中澤伸候, 他, “サイラトロントリガ回路へのフィルタ回路導入”, 本学会年会, (2015).
[9] 近藤力, 他, “高電圧用半導体デバイスのスイッチング特性”, 本学会年会, (2015).
[10] 田中豊, 他, “高精度充電器の開発”, 第 11 回日本加速器学会年会プロシーディングス, (2014).
[11] 近藤力, 他, “SACLA における大電力 RF 機器の高繰り返し化”, 第 11 回日本加速器学会年会プロシーディン
グス, (2014).
[12] 櫻井辰幸, 他, “SACLA BL1 極紫外線 FEL 用加速器の建設と RF コンディショニング”, 本学会年会, (2015).

Figure 6: Photograph of the improved high voltage charger.

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