FRPP38

スカンジノバ クライストロン用モジュレータのMAX-IV運転状況
湯城磨（ScandiNova Systems KK）、 Mikael Lindholm（ScandiNova Systems AB）、Dionis Kumbaro（MAX-Lab/MAX-IV）
要旨
MAX IV consists of a 3 GeV storage ring, a 1.5 GeV storage ring and a linear accelerator (Linac). A Linac is activated as afull-energy injector to the both storage rings, and also provide the energy to the Short Pulse Facility (SPF). The
construction of MAX IV has completed in 2016 and started the user operation in 2017. 3 GeV storage ring is mainly forthe hard x-ray users, on the other hand, 1.5 GeV storage ring is for soft x-ray and UV users. The linac consists of threemain hardware parts which are RF power, wave guide and accelerator systems. ScandiNova has agreed on a contractthat guarantees and responsible for the RF specifications including modulator and klystron. This paper, we report theupdated operation status of the linac and some accelerator information.

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1.

MAX IV加速器概要(1)SPF-FemtoMAX
Soft-XFEL(次期計画)

LINAC 3GeV
1.5GeV Ring
3.0GeV Ring

表1.1 ライナックパラメータ
Energy3 GeVEnergy Spread<0.05 % + Chip

RF Frequency

3 GHz

Rep. rate

1-100 Hz

Bunch Length10-500 fs

Charge per bunch

20-200 pC

Normalized emittance< 1 umHistory
1981 - MAX-lab is formed
1986 - First experiments at MAX I
1997 - First experiments at MAX II2005 – MAX IV Conceptual Design Report
2007 - First experiments at MAX III
2009 - Decision to build MAX IV
2016 - First experiments at MAX IV
2021 - First experiments at Soft X-FEL is planning

User Operation
Commissioning

表1.2 1.5GeVリングパラメータ
Energy1.5 GeV (full energy topup from Linac)

Circumference

96 m

Beam current

300 mA (500 mA max)

Emittance H/V

6 nm rad / 60 pm rad

Lifetime

10 hours

Orbit stability

10% of beam size

RF frequency

100 MHz

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表1.3 3.0GeVリングパラメータ
Energy3.0 GeV (full energy topup from Linac)

Circumference

528 m

Beam current

300 mA (500 mA max)

Emittance H/V-330 pm rad / -8 pm rad

Lifetime

10 hours

Orbit stability

10% of beam size

RF frequency

100 MHzFRPP38
1.

MAX IV加速器概要(2)– 特徴とテクノロジー–➀ フルエネルギー入射で次期FELアップグレードを可能とする加速器設計とした。FemtoMAXは稼働中。
S-XFELは設計検討段階である。
RFソースは100Hz対応済。
② 旧来マシンのMAX II/IIIのユーザの為、1.5GeVと3.0GeVの2リング方式とした。
③ 電磁石セルブロック内に、2極、4極、6極、8極の電磁石を配置し、一体半割れ構造体とした。

④ 3GeVの真空チャンバは、CERNとの共同研究の上、内径22mmの銅パイプにNEGコーティング+ネオンガスを施し、外側を水冷却。
イオンポンプを使わない真空システムを構築。1.5GeVの真空チャンパは、SUSパイプ材でイオンポンプ、TSP(Titanium SublimationPump)とNEGにより真空システムを構築。

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3.1

2.

MAX IV加速器 : 運転状況

MAX IV加速器

ライナックとLLRF
The klystrons are running at konstant voltage to maintain aconstant RF phase at the output.
In order to reduce klystron output power variations due tovariations in the input power they are run in sturation mode.
The output power from SLED is adjusted by varying thecharging time.

LinacのLLRFのコンセプトは下記の通りである。
1)1台のドライブ用クライストロンE37310が17式のクライストロンをドライブし、位相変動を抑える。
2)RFパルス幅を変えて、パルス圧縮のピーク値を制御。

Input RF power from the third klystron 90 kW

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SLED data
β=6Q˳=105

Adjustable directional couplers
Fixed to the linac tunnel wall at each accelerating
section. Sliding joints Connected together withpressure regulated 1 5/8” EIA rigid line

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3.2

MAX IV加速器ライナックとモジュレータ

ScandiNovaは、RFソース部分の責任機関として、クライストロン、集束コイルを含むモジュレータをMAX IVのライナックに全数供与。
クライストロンを含むＲＦ出力の責任を分担しました。

stability %ステーションと安定度(@SAT,2014/02)

0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0

ビーム電圧/電流のバルス波形
12

3

4

5

6

7

8

9

10

#17ステーションは、SAT後クライストロン起因と判明し交換された。(建設直後は18ステーション)

1112131415

161718ステーション番号

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4.

MAX IV加速器

故障モード分析

1.5GeVリング、3.0GeVリング及びSPFの稼働率とダウンタイムの概要は次の通りである。

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5.

MAX IV加速器

ライナックＲＦ関連

不具合/改善項目導入当初からの不具合/改善履歴を下記に列挙する。
1. [T] クライストロンE37310の輸送不具合 : クライストロン受入れ試験(IP通電、他)は合格。しかし、インストール時にクライストロンのボティ部が3°程ベントしていることが発覚。→調査結果、輸送内箱にダメージが確認され(外箱は損傷無し)輸送途中に転倒したと推定。(発覚が遅く保険適用にならず。)
2. [K] クライストロンE37310の微小放電。 : コンディショニング不足。エージング継続で改善。複数本発生。
3. [K] クライストロンE37310出力窓のリーク：出力窓が上を向いているため、セラミックス窓にパーティクルが付着し、窓割と判断。→ 上向き窓は特別の事情が無い限り水平取り出しにすべきであろう。
4. [M] モジュレータのデータ取り出しを外部USBメモリとしていたが、これがノイズ起因となり、アラーム停止が出ていた。
→ 外部USBメモリを止め、ハードディスク保存で解決。
5. [M] オイル冷却用のモータのベアリング不具合→ ベアリングを他のメーカに切り替え解決。
6. [M] オイル冷却用のモータのソフトの一部に不具合 → ソフト変更で改善。
7. [M] IGBTの電流許容インターロック異常が発生 → 設定値を変更して改善。(設定値がシビアすぎた)
8. [M] モジュレータのV/I読取値の妥当性の検証の結果、電圧の読取値にずれが指摘。→キャリブレーション変更。
9. [M] 24V DC電源の容量不足 → 1.3Aから2.5A(Siemens社製)のタイプに交換。
10. [K] クライストロンE37326の微小放電問題。稼働後数カ月で発生。SK処理で回復するも再発現象あり。
→モジュレータにSK処理機能を追加。
11.[M] イオンポンプ電源の機能強化を検討中。
12.[M] モジュレータK03位置のIGBTの特定故障問題：20ステーションのうちK03のモジュレータのIGBTのみ故障する現象を調査結果、Linacのドックレッグ部起因の放射線が影響を受けていることが判明。
→ Linacのマグネット部にシールドを追加することで不具合解消。詳細は、下図の通り。

1,3関連

微小放電関連

クライストロンE37326の運転変動

6.

纏め2017年にユーザ運転を開始して以来、スカンジノバのK300型モジュレータ21台、K100型モジュレータ2台は、初期不具合の改善を完了し、MAX IVライナックの安定稼働を支えている。更に近い将来S-FELも建設が着手される見込みで、本格稼働(100pps)運転も始まる見込みである。スカンジノバは、今後とも各国の研究施設の安定稼働の為により良い製品を届けて参ります。

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Reference:
1. SCN User Meeting Dionis Kumbaro Tokyo 14 to 17 May 2019
2. MAX IV Laboratory Dionis Kumbaro SCN User Meeting May 2020
3. https://www.maxiv.lu.se/news/first-year-operational-results-of-the-max-iv-3-gev-ring/
4. Design of the magnets for the MAX IV project Martin Johansson, Beam Dynamics meets Magnets-II workshop, Bad Zurzach,
01-04 Dec. 2014
5. The Status of the vacuum systems of the MAX IV laboratory, IPAC2013 Shanghai, China
6. NEG thin film coating development for the MAX IV Vacuum system, IPAC2013, Shanghai, China