Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

SuperKEKB 用フラックスコンセントレータ電源の開発
DEVELOPMENT OF FLUX CONCENTRATOR MODULATOR FOR SUPERKEKB
明本光生#, 福田茂樹, 本間博幸, 紙谷琢哉, 道園真一郎, 中島啓光, 設楽哲夫
Mitsuo Akemoto #, Shigeki Fukuda, Hiroyuki Honma, Takuya Kamitani, Sinichiro Michizono, Hiromitsu Nakajima,
Tetsuo Shidara
High Energy Accelerator Research Organization(KEK)

Abstract
We are developing a modulator for the SuperKEKB positron source flux concentrator which requires 12 kA in asinusoidal half wave current for a pure inductive load, at 50 Hz. A prototype modulator has been built by revising fromthe existing S-band modulator. A peak current of 6 kA with a width of 5 µs has been successfully generated at 50 pps.
The 12 kA modulator is under construction, which is based on the prototype modulator design, and will be completed inFeb., 2014. We have a plan to develop a solid-state switch to replace thyratorns, which improves the reliability andmaintainability of the modulator.

1.

はじめにSuperKEKB 計画に向けて電子陽電子入射器[1]の改造 [2] が進められている。本稿ではこれに向けた陽電子生成標的直後においてビームを強く収束するためのフラックスコンセントレータ(FC)型パルスソレノ
イド [3] にパルス電流を供給する電源の開発について報告する。

2.

仕様と設計

階は、プロトタイプの性能を確かめて新規に実機FC 電源を一年かけて製作する。但し、基本となる回路方式は変えない。S バンドクライストロンパルス電源の構成ユニットはすべて使用する。

3.

プロトタイプ 6kA Modulator

3.1

概要

プロトタイプとして入射器で使用されているクライストロンパルス電源の PFN 回路をコンデンサバンクに改造してピーク電流 6kA の FC 電源を製作した。
当然、この回路を戻せばもとのクライストロンパルス電源として使用することができる。

FC 負荷コイルのインダクタンスは約 1 µH で、約30m の高圧同軸ケーブルを通して地上部に設置されたパルス電源に接続される。そのパルス電源のパルス出力仕様は約 5 µs 幅の半正弦波形でピーク電流12 kA、繰返し 50 Hz、安定度 0.3%(P-P)である。
開発経費と時間を削減し、また同時に運転経費も削減したいことから、入射器で使用されている S バンドクライストロンパルス電源の技術を全面的に使用することにした。S バンドクライストロンパルス
電源は通常ピーク電圧 22.5kV、ピーク電流 4.8kA、パルス幅 5.6µs、50Hz で運転されているサイラトロンスイッチを使用したパルス電源である。今回のFC の半分相当の電流を発生させることが可能である。
FC 用ソレノイドコイルの開発を進めるにあたっFigure 1: Simplified schematic diagram of the prototype 6てそれの磁場分布測定や大電流通電試験ができる
kA modulator.
6kA 程度の FC 電源がすぐ必要で、FC 電源の開発は２段階で行う。第一段階に、S バンドクライストロ
Figure 1 にプロトタイプ FC 電源の回路構成を示す。
ンパルス電源を改造して FC の半分に相当するピー PFN 回路がコンデンサバンク回路に置き換わっていク電流 6 kA の半正弦波形の発生する電源を開発す る。コンデンサバンク回路は 0.5µF の放電コンデンる。改造といってもパルス成形回路(PFN)を取り替 サとそれに並列接続されたシャント回路（シャントえるだけで、その他すべてそのまま流用する。技術 ダイオードとシャント抵抗）で構成される。この回的なリスクが小さく、短期間で改造することができ、 路構成は IHEP 等使用されている。
スピーディーな開発を進めることができる。第二段
コンデンサはスイッチング電源で最大 20kV まで充電され、サイラトロンで放電される。放電された#
mitsuo.akemoto@kek.jp
電流は長さ 30m、特性インピーダンス 25 Ω、耐圧____________________________________________- 1015 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

40 kV の同軸ケーブル 10 本並列接続されたケーブル 3.2 波形補償用 RC スナバ回路を通して FC 用ソレノイドコイルに流れる。FC 用ソパルス電源とコイル負荷との接続に 30m の同軸レノイドコイルには波形補償用 RC スナバ回路が接 ケーブルを使用している。そのため負荷のミスマッ続されている。ソレノイドコイルから戻ってきた電 チングで同軸ケーブルの間で反射を起こして FC 負流はコンデンサバンクのシャント回路ですべて吸収 荷コイルの電流波形が歪んでしまう。そのため波形される。シャント抵抗の値はシャント電流及びサイ を補償するための RC スナバ回路を Micro-Cap9 でシラトロンの逆電圧を決める重要なパラメータで、逆 ミュレーションして評価した。特性インピーダンス
電圧が 10 kV 以下になるよう 3 Ω に決定した。また、 25 Ω の同軸ケーブルを 10 本並列接続で使用するこ
戻ってきたエネルギーは全て吸収するため抵抗器は とから抵抗値を 2.5 Ω として容量 C の値を変えて調水冷式定格電力 7 kW(東海高熱工業製 WD-5、4 台並 べた。Figure 3(a)は波形補償用 RC スナバ回路がない列接続)を採用した。Table 1 にプロトタイプ 6 kA 電 場合である。波形はかなり歪んでいることが分かる。
源の主な仕様を示す。
Figure 3(b)は容量 100 nF の RC スナバ回路が付加しTable 1: Specifications of prototype 6 kA modulator
Capacitanceo.5 µF

Load inductance

~1 µH

T
otal inductance~3 µH

Charging voltage

17 kV

Peak current

6 kA

Pulse width

5 µs

Repetition rate

50 Hz

た場合で、かなり波形が補償されることが分かる。
容量を大きくすればするほど、ますます波形は補償されるが、一方コンデンサの容積、抵抗器のロス電力量が増大する。波形の歪み程度を見て、また回路のサイズ等を考慮して、容量の値を 100 nF に決めた。

Figure 2 にプロトタイプ FC 電源の放電筐体内部を示す。本来 PFN 回路架台が置かれている場所に、そのまま、コンデンサバンク回路架台を置き換えられるようになっており、簡単に置き換えが可能である。 Figure 3(a): Load current waveform without RC snubber
circuit.(V:2.5kA/div., H:2µs/div.)
架台は絶縁板で作られていて、上に放電コンデンサ、シャントダイオード、抵抗器、電流モニター及び出力同軸ケーブル等すべてのものが取り付けられている。

Figure 3(b): Load current waveform with RC snubber
circuit. (V:2.5kA/div., H:2µs/div.)

3.3

Figure 2: Inside view of the prototype modulator.

試験運転

模擬負荷として 1 µH のコイルを使用して試験運転を実施した。コイルの低圧側には電流モニター用の CT を取り付けた。Figure 4 に充電電圧 17 kV、50Hz でのコイルの電流波形を示す。ピーク電流 6.4kA の 5µS の半正弦波形が測定された。ほぼシミュレーション通りの波形が得られた。
ピーク電流 6 kA, 50 Hz 連続運転試験で温度が最- 1016 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)も上昇した部品は RC スナバ回路の抵抗器であった。
この抵抗器は自然空冷のため表面温度が 100℃まで上昇した。その他は大きな上昇はなかった。スナバ回路で使用している抵抗器の限界は 200℃までであるが、大きな温度上昇は好ましくないので、水冷式に変更する予定である。

Figure 6: 12 kA Modulator cabinet.
Figure 4: Typical load current waveform at 17 kV.
4.2

サイラトロンの半導体化

サイラトロンは電子管であるが故に動作が不安定で、寿命に大きなばらつきがあり比較的短いことな
4.1 設計概要
どから保守が大変である。最終的には運転コストのFC 電源開発の第二段は 12 kA の実機の製作であ 増大に繋がる。そこでサイラトロンを半導体スイッる。設計が現在進行中で、来年 2014 年 2 月に完成 チに置き換えることを検討している。最近、小型のする予定である。Figure 5 に基本の回路構成を示す。 静電誘導型サイリスタを多直列、多並列接続した 25[4]基本的にプロトタイプの回路方式を 2 回路使用する kV、5 kA の半導体スイッチ が開発された。この応方式である。もちろん S バンドクライストロンパル 用も検討したい。
ス電源の構成ユニットはすべて共通使用する。従っまとめて、サイラトロンをはじめ、ユニット類すべて入射 5.
器のものと共通使用するため、電源の保守費用や価SuperKEKB で使用するフラックスコンセントレー格に大きなメリットが生まれる。
タ型パルスソレノイドにパルス電流を供給する電源の開発を進めている。プロトタイプ（6kA）電源は
秋からのビームコミッショニングで使用される。12kA 実機の電源は来年 2014 年 2 月に完成する予定である。

4.

12 kA Modulator

参考文献

Figure 5: Simplified schematic diagram of 12 kAmodulator.
Figure 6 に現在検討中の実機の筐体内の配置図を示す。サイラトロンは前側に配置し、出力ケーブルは筐体上部に出すようになっている。筐体のサイズは 1.8m(W)x1.5m(D)x2.4m(H)である。

[1] M. Akemoto, et al., “The KEKB injector linac”, Prog.
Theor. Exp. Phys. 2013, 03A002.
[2] 夏井拓也, 他, “SuperKEKB に向けた入射器アップグ
レード”, these proceedings, SAOT01.
[3] 紙谷琢哉, 他, “SuperKEKB に向けた陽電子源増強の現状”, Proceedings of the 9th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, 1084pp, 2012.
[4] 磯山悟郎, 他, “クライストロンモジュレータ用ハイパ
ワ ー 半 導 体 ス イ ッ チ の 開 発 ”, these proceedings,MOOT11.

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