Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP058

J-PARC RCS 水平ペイントバンプ電源の現状
STATUS OF THE HORIZONTAL PAINT BUMP POWER SUPPLY OF THE J-PARC RCS
植野智晶, 高柳智弘#, 堀野光喜, 林直樹, 金正倫計
Tomoaki Ueno, Tomohiro Takayanagi, Koki Horino , Naoki Hayashi , Michikazu Kinsho
J-PARC Center, Japan Atomic Energy Agency

Abstract
In 3-GeV RCS (Rapid-Cycling Synchrotron) of J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), the beamcommissioning test with 400 MeV beam injection energy from LINAC (Linear Accelerator) was started in January,
2014, and the J-PARC user operation was started in February of the year. The performance of the paint bump power
supply was upgraded, which is 1.6 times output current and 2 times output voltage. The new power supply operation
was started without a trouble on schedule. However, after the test operation of the new shift bump (SB) power supply,
the trouble of the circuit part was frequent. Therefore the excitation wave pattern of the horizontal paint bump (PBH)
power supply, which was combined the function of the horizontal shift bump power supply pattern and the painting
injection pattern, was demanded. In this paper, the contents of the upgraded power supply of the horizontal paint bumpand the method of the any output wave pattern formation is reported.
ことで、合成周波数 648kHz の高速スイッチングによる波形形成が可能である。更に、MLF (Materialsand Life Science Experimental Facility) 用と MR (50[1][2]J-PARC 3-GeV RCS では、2014 年 1 月より、
GeV synchrotron Main Ring) 用として、別々に要求[3]
LINAC からの 400MeV 入射エネルギーによるビーされた異なるペイントエリアでの入射スキームに、ム試験を開始し、同年 2 月からユーザー利用運転を開始した。RCS の入射用水平ペイントバンプ電源は、 25Hz で励磁波形を切り替える運転も可能である。
水平ペイントバンプ電源回路の展開接続図を Figure
400MeV ビーム入射に対応するため、181MeV ビー
1 に示す。
ム入射時の電源仕様から、電流で 1.6 倍、電圧で 2倍の定格に増強改造した。改造後の水平ペイントバンプ電源(PBH)は、トラブルなく予定通りに運用を開始した。しかし、400MeV 対応として新規に製作した水平シフトバンプ電源(SB)が、現地での試験運転を開始した後に回路部品の故障が頻発したため、所定の波形形状での出力が出来なくなる問題が発生した [4]。そして、水平シフトバンプ電源の形成不良波形により、RCS へのビーム入射点が変位してしまうため、入射と周回のビーム軌道を固定する補正が必要になった。そこで、水平シフトバンプ電源の補正とペイント入射の両方の機能を合わせ持つ励磁波形の出力が求められた。水平ペイントバンプ電源は、IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) アセンブリのFigure 1: Schematic view of the main circuit of the
直並列の多重化による高周波チョッパ方式を採用しHorizontal paint bump supply.ているため、出力する電流と電圧が定格の範囲内であれば、任意の波形形状での出力が可能である。本 2.2 増強内容
論文では、水平ペイントバンプ電源の増強内容及びRCS の入射部に設置された 4 台の水平ペイントバ任意の出力波形形成の作成について報告する。
ンプ電磁石は、電源と 1 対 1 で接続して励磁し、水平シフトバンプ電源と 4 台の水平ペイントバンプ電2. 水平ペイントバンプ電源源を組み合わせてバンプ軌道を形成する。増強改造の先行機として、且つ、旧水平ペイントバンプ電源
2.1 電源仕様
水平ペイントバンプ電源は、IGBT アセンブリを 1 を新水平ペイントバンプ電源 2～4 の増強試験に使直列と並列に多重に組み合わせた並列多重の二象 用するため、水平ペイントバンプ電源 1 は、電源全限チョッパ回路方式で構成されている[5]。1 アセン 体を新規に製作し入換えを行った(2011 年 9 月)。水
ブリ当たり 54kHz で動作し、これを 12 多重化する 平ペイントバンプ電源 2~4 は、整流器盤とチョッパ盤を追加し、その増加分に対応する制御盤を新規に___________________________________________# tomohiro.takayanagi@j-parc.jp
製作した。そして、既存のチョッパ盤の IGBT アセ

1.

はじめに- 1135 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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ンブリの内部配線を変更して組み合わせ、全体として、直列に 2 倍、並列に 1.6 倍に電源容量に増強した(2012 年 9 月)。その結果、2 倍の電圧と 1.6 倍の電流の出力が可能になった。水平ペイントバンプ電
源 1 の容量は 4 台の中で最も大きく、29kA/1.2kV の大電流・高電圧の出力が可能である。LINAC からのビーム入射エネルギーが 181MeV と 400MeV の各条件における電源仕様を Table 1 に、電源構成回路のうち、整流器盤(REC)とチョッパ盤(CHP)の IGBT ア
セブリの数を Table 2 に示す。

水平ペイントバンプ電源 1 用に作成した、181MeV ビーム入射時の 150πmm-mrad 用でピーク電流値が 10kA のペイント波形パターンと台形波形パターンの I・V パターンの指令値を Figure 3 と 4 にそれぞれ示す。

Table 1: Specifications of the Horizontal Paint Bump
Power Supply for 181MeV and 400MeV Beam Energy
181MeV

400MeV(kA/kV)(kA/kV)

PBH1

17.6 / 0.8

29.0 / 1.2

PBH2

14.2 / 0.6

23.4 / 1.2

PBH3

12.5 / 0.6

21.0 / 1.2

PBH4

12.5 / 0.6

21.0 / 1.2

Power Supply

Figure 3: Command value for Painting waveform patternof PBH1.

Table 2: Number of IGBT Assemblies of Rectifier Board(REC) and Chopper Board (CHP)
181MeV

400MeV(REC+CHP)(REC+CHP)

PBH1

3+366+104

PBH2

3+246+80

PBH3

3+246+80

PBH4

3+246+80

Power Supply

2.3

Figure 4: Command value for Trapezoidal waveform
pattern of PBH1.

出力波形パターン

水平ペイントバンプ電源用の波形パターンは、12bit のデジタル信号として、電流指令値 (I パターン)と電圧指令値(V パターン)を 500kHz(2μs)で作成する。VME モジュールから発信したデジタル信号は、電源の制御盤内でアナログ信号に変換され、電圧パターンのフィードフォワード制御で実装する。
Figure 2 に制御系の構成を示す。

Figure 2: Block diagram of the control system.

0 から 2048、2049 から 4096 をそれぞれ±10V に割り当て、29kA=10V、1.2kV=10V としてパターンを作成する。図中のペイント波形パターンは、立上げ時間 500μs、フラットトップ時間 100μs、減衰時間500μs で、台形波形パターンは、立上げと立下げの時間が 500μs、フラットトップ時間が 400μs である。
出力波形の形成は、V パターンを調整して行う。
チョッパ回路のスイッチングの合成周波数は648kHz で、出力する電流や電圧が定格値の範囲内であれば、台形波形や減衰関数波形（ペイント波形）を、設定値と出力値の偏差を±1.0%以下の精度で任意に形成して出力することが可能である。181MeV
入射ビームのペイント入射（150πmm-mrad）時のバンプシステム各電源の出力波形を測定した結果をFigure 5 に示す。水平シフトバンプ電源は、DCCTTOPACC で、水平ペイントバンプ電源はピアソンCT (model 1423)で測定した。Figure 5 中の水平ペイ
ントバンプ電源 1 の波形は、Figure 3 のパターンを使用して出力している。

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センター入射は、主にビーム試験用として使用する。Figure 6 は、水平シフトバンプ電源が設計通りに出力したバンプ波形の場合を示しており、この場合の水平ペイントバンプ電源は、台形形状の波形で出力している。そして、ペイント波形のフラットトップの電流値を決定する。これに対し、Figure 7は、400MeV ビーム入射時の波形で、水平シフトバンプ電源(SB)波形のフラットトップ部分が右肩下がりとなっている形成不良波形を示す。この場合の水平ペイントバンプ電源の波形は、水平シフトバンプ電源の右肩下がりの傾きにより入射点が変位するのを固定するため、周回ビーム軌道の補正を組み合わせている。
Figure 5: Measurement result of the painting waveformof 150πmm-mrad painting with old shift bump power
supply at 181MeV beam injection energy.

3.2

ペイント入射181MeV / 400MeV 各ビームのセンター入射時の波形を Figure 6 と 7 に示す。

Figure 8 に、400MeV ビーム入射時の 100πmmmrad ペイント波形を示す。この場合の水平ペイント
バンプ電源の波形は、水平シフトバンプ電源の補正分と、ペイント波形分を組み合わせた形状になっている。水平シフトバンプ電源が正常なフラットトップ波形を出力できない状態でのユーザー利用運転では、このペイント波形と、可変偏向電源の波形を利用し、100πmm-mrad のペイント入射による 300kWビーム利用運転を行っている。

Figure 6: Measurement result of the center injection
waveform with old shift bump power supply at 181MeV
beam injection energy.

Figure 8: Measurement result of the painting waveformof 100πmm-mrad with new shift bump power supply at
400MeV beam injection energy.

3.

水平シフトバンプ電源の補正波形

3.1

センター入射4.

Figure 7: Measurement result of the center injection
waveform with new shift bump power supply at 400MeV
beam injection energy.

ペイント波形パターンの調整

水平シフトバンプ電源のバンプ波形を補正するペイントパターンを作成する場合に、当初は、ビーム入射期間の 500μs を精度良く（±1.0%以下）作成し、それ以外は、特に不問、とする 181MeV ビーム入射時の仕様通りに作成した。その結果、400MeV 入射時では、周回ビーム軌道の閉軌道変動(COD)が、リング全周に亘って約±6mm 発生してしまった。理由は、水平シフトバンプ電源によるバンプ波形が正常であれば、これまでのペイントバンプ波形は、ビーム入射後は励磁量がゼロとなり、ペイントバンプ波形がビームに与える影響は極ゼロであった。そのため、ビーム入射期間の 500μs のみを精度良く（±1.0%以下）作成すればよかった。しかし、水平シフ
トバンプ電源のバンプ波形を補正する役割を担う場- 1137 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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合は、ビームの入射期間だけでなく、バンプ波形がゼロになるまでの期間において、高い精度での調整が必要である。また、水平ペイントバンプ電源の出力波形で、4 台間の相対的な誤差を小さくすることが COD 減少のためには重要であり、リングコリメータのアパーチャを実効的に縮小し、余計なビーム損失を低減する事ができる。
水平ペイントバンプ電源 3 における、ビーム入射期間 500μs 後の 100πmm-mrad ペイントパターンの調整前後の測定波形を Figure 9 と 10 に示す。

Figure 12: Horizontal phase plot of 100πmm-mrad
painting injection.

5.

Figure 9: Deviation of a set point and the output level
before the correction of the voltage pattern of the PBH3.

まとめ400MeV ビーム入射用に増強改造した水平ペイン
ト パ ン プ 電 源 は 、 IGBT ア セ ン ブ リ の 多 重 化 で648kHz のスイッチングを可能とし、設定精度（偏差）を±1%以下とする高精度な制御を実現している。
今回、水平シフトバンプ電源のトラブルにより、水平ペイントバンプ電源の設計時に想定していなかった形状のパターン波形が要求されたが、柔軟に対応できる能力を確認することが出来た。しかし、水平ペイントバンプ電源の出力波形には、高速スイッチングに伴うリプルノイズが重畳するため、より大強度のビームを生成していくためには、ノイズの低減化が課題となる。現在、チョッパ方式の弱点であるスイッチングノイズを低減し、且つ、任意の波形パターンを出力可能とする優れたフレキシブル性の性能面を生かした電源の開発を進めている。

謝辞
Figure 10: Deviation of a set point and the output level
after the correction of the voltage pattern of the PBH3.
そして、調整後のペイント波形で 100πmm-mradのペイント入射を実施した結果、周回ビーム軌道の閉軌道変動(COD)が、約±2mm まで減少し、本対策として計算した通りにペイントされていることを確認した。その結果を Figure 11 と Figure 12 に示す。

水平シフトバンプ電源のバンプ波形を補正するため、水平ペイントバンプ電源の波形パターン作成に関してご教示下さいました J-PARC センターの發知氏、Saha Pranab 氏、原田氏に深く感謝致します。

参考文献[1] http://j-parc.jp/index-e.html[2] M.Kinsho, “Progress and Status of the J-PARC 3 GeVRCS”, Proceedings of IPAC2014, THPME064 (2014).
[3] H.Oguri, et al., this proceedings, FSP021.
[4] T.Takayanagi et al., this proceedings, SUPO59.
[5] T.Takayanagi, et al., IEEE Transactions on Applied
Supercond., vol.24, No.3, June 2014, 3800905.

Figure 11: Measurement results of Beam COD before
and after the pattern correction.

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