Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

KLYSTRON POWER SUPPLY SYSTEMS FOR J-PARC LINAC- Present Status and Upgrade Plan Masato Kawamura 1 ,A), Etsuji ChishiroB), Masayoshi YamazakiB), Yuji FukuiA), Toshihiko HoriB), Shin-ichi OgawaC),
Yuichi YuminoC), Seiya YamaguchiA), and Shozo AnamiA)A)
KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
JAEA, 2-4 Shirakata-Shirane, Tokai, Naka, Ibaraki, 319-1195
C)
Hitachi,Ltd., Information & Control System Div., 5-2-1 Omika-cho, Hitachi, Ibaraki, 319-1293
Abstract
The klystron power supply systems for the J-PARC Linac had been operated about 3,070 hours from last September
to this June. This paper reports the present status, including the machine failures, the measures and the maintenances, ofthe systems. The upgrade plan of the systems for the Linac Energy Upgrade (from 181MeV to 400MeV) is also
reported.

J-PARCリニアック用クライストロン電源システム－現状と増強計画－にRF電力を供給する4台のクライストロンを運転しているが、103kV設定でもビーム加速運転は可能でJ-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex,
あ り 、 以 後 の Run で は (Run15 ～ 17 、 08 年 4 ～ 6
大強度陽子加速器施設)の加速器は過去１年間、月)103kV設定で運転した。他の電源は１年間同じ設
3GeVエネルギー達成、50GeVリング内の陽子ビーム周回、RF捕捉、リングからの取出しを果たした。 定電圧で運転した(HVPS01_107kV、HVPS02_91kV、HVPS04と05_108kV、HVPS06_70kV)。HVPS03設定
3GeVビームを用いた中性子発生にも成功した。
J-PARCリニアックは3GeVリングの入射器であり、 変更後の、6台の総出力電力は1.50MWである。
負水素(H-)ビームを現状では181MeVまで加速する。
2.2 不具合とその対策
リニアックを構成する機器は、昨年9月から今年6月にかけて9回（Run09～Run17）の運転を行った。1
当電源システムで過去１年間に発生した主な不具回のRunは7日以上26日未満の終日連続運転だった。
合とその対策は下記の通りである。
またこのリニアックを400MeV(常伝導リニアックの定格エネルギー)に増強する計画は、J-PARC建設計(a)AVR01、02ダイオード極性の不具合
画の第一期計画に含まれており、現在進行中である。
Run11(07年11月)において、調整のためHVPS01のJ-PARCリニアック用クライストロン電源システ
高電圧を一旦停止した後再立上げすると、電圧上昇
ムについては、過去の本研究会Proceedings[1]-[4]に毎の途中で「VCB過電流」等のerrorが発生し高電圧年報告しているので、詳細はそれらを参照されたい。 downした。この現象は以後しばらく発生しなかっ本論文では、当電源システムについて、過去１年間たが、Run14(08年2月)の立上げ時に再度発生した。の運転状況、不具合とその対策、増強計画の概要、
Run14終了後の08年3月、調査を行ったところ、等について述べる。
AVR01(HVPS01内AVR盤)N極側サイリスタのゲート－カソード間ダイオードが逆向きに付いていた。他
２．クライストロン電源システムの現状のAVR盤も点検したところ、AVR02(HVPS02内)でもダイオードが逆向きになっていた。これらを修正した結果、Run15以降は不具合が無くなった。
2.1 運転状況
AVR01、02はKEKにて01年より運転していたが、過去１年間の運転時間(高電圧ON時間)は、6台の(1)クライストロン4台並列に運転し、電流値が増加
高圧直流電源(HVPS01～06)全て約3,070時間である。 している、(2)設定電圧が100kVを超え、且つ立上げ設定電圧について、HVPS03はRun15(08年4月)途時などで電圧を一気に上昇させている、(3)冬場や中までは106kVだったが、高電圧downが頻発(不具夜間などで周辺温度が下がっている、の３条件が揃合状況は2.2(b)項に記述)したため103kV(3kV、約3%わない限り、サイリスタとダイオードの微妙な特性減)に変更した。HVPS03は、加速空洞SDTL05～08で、サイリスタがそれなりに動作していたため、

１．はじめに

1E-mail: masato.kawamura@j-parc.jp-473-

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これまで不具合が発見されなかった。
(b)MANOD10油タンク内放電の発生
2.1項で触れたとおり、Run15(08年4月)でHVPS03の高電圧downが頻発した。CROW03(HVPS03内クローバ盤)のクローバ電流用光CT内抵抗 [1]を目視したが破損は確認できなかった。
高電圧down時にMANOD10(Mアノード変調器10号機、HVPS03から電力が供給されクライストロン(Kly)S06を運転)のerrorが多く見られたのでRun15終了後、MANOD-Kly間の高圧同軸ケーブル [3][5] を分解したが放電痕は無かった。
MANOD10油タンク内部回路を引き上げ確認した
ところ、配線用銅パイプ外周に被せられた約1.5mm厚のポリエチレン管2本の表面に放電痕が有った[1][4]。応急処置として放電痕のあるポリエチレン管を撤去し、更に電界緩和のためMアノード電流測定用CT(スタンガネス社CT3.5-0.1)を暫定的に取り外した[1]。この結果、Run16以降不具合が無くなった。
(c)BNC端子接地不備、LEMOコネクタ締付け不備

DS. 01~04
HVPS01(c-2)Run15(08年4月)運転中MANOD09(Mアノード
変 調 器 09 号 機 、 HVPS03 ～ KlyS05 間 ) が 高 電 圧downし、再立上げしたところカソード電圧20kV未満で「半導体スイッチオフ過電流」のerrorでdownした。波形を観測したところ半導体スイッチのゲートパルスが(定格700µsに対し)1ms程度となっていた。
更に調査したところ、オフトリガ信号用ケーブ
ル端子部のLEMOコネクタの締め付けが緩いのがわかった。締め付けが緩く接触不良になるとオフトリガが送られず、その結果半導体スイッチの仕様により1msのパルスになる。LEMOコネクタを増締めした結果不具合が無くなった。
上記(a)~(c)の対策により、Run16,17(08年5,6月)は不要な高電圧downの無い安定した運転だった。

Kly.RFQ,
DTL1~3

VCB1

System - 1

DS. 05~08

MA. 05~08

Kly.S01~04

DS. 09~12

MA. 09~12

Kly.S05~08

VCB2

System - 2

DS. 13~16

MA. 13~16

Kly.S09~12

DS. 17~19

MA. 17~19

Kly.S13~15

DS. 20MA. 20

Kly.S16

VCB3

System - 3

DS. 21

MA. 21

Kly.B3*現DB1

DS. 22

MA. 22

Kly.B4

DS. 44

MA. 44

Kly.DB1

DS. 23~26

MA. 23~26

Kly.A01~04

VCB4

System - 4DS. 27~30

MA. 27~30

Kly.A05~08

DS. 31~34

MA. 31~34

Kly.A09~12

VCB5

System - 5

DS. 35~38

MA. 35~38

Kly.A13~16

DS. 39~42

MA. 39~42

Kly.A17~20

HVPS02

HVPS03
HVPS04

HVPS05(c-1)Run10～13にかけて(07年10月～08年1月)、各Runで1回ずつ、HVPS06が「全カソード過電流」
等 の errorで 高 電 圧 downし た 。 「全カソード電流」モニタ用同軸ケーブルを調査したところ、制御盤内BNC端子部で、外導体が、HVPS01,02は制御筐体内で接地されていたのに対し、HVPS06および03,04,05は接地されていなかった。
HVPS03～06で筐体接地を施したところ、Run14以降不具合が無くなった。

MA.01~04

HVPS06*C 増強

HVPS07
HVPS08

HVPS09HVPS10

HVPS11
図１（右段）：J-PARC 400MeVリニアック(増強後)クライストロン電源システム構成図
白地で単線枠が既設、二重線枠が改修・移設の必要な物、ベタ塗り白文字が新規増設。
（詳細は次ページ第３章）
-474-

VCB6
HVPS12*移設DS. 43

MA. 43

System - 6Kly.A21

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2.3 メンテナンス等について

表１：HVPS、MANOD 仕様の変更点
項目
新規増設
(既設)
・HVDC02,04,06の変圧整流器計3台の碍子部に油漏(HVPS)れがあり、07年9月にグリースを塗って密閉した。
200A(180A)
最大負荷電流・クローバ電流用光CT内抵抗 [1]全数を07年8月に交6.8A(6.3A)
直流換算電流換した。JAEA内にある陽子加速器開発棟のクロー
28.8μF(25.5μF)
バ盤の高圧ケーブルが絶縁破壊し、その原因が端コンデンサ容量末処理の不良とみられ、当電源システムでも当該MPET(CP+PP)
コンデンサ絶縁体全数の端末処理を07年9月にやり直した。
バウンサ回路追加
不可(可)・MANOD09,11,13(S05,07,09スタンド)のMアノー(MANOD)
ド電流測定用CT取外し作業を、08年8月に行う。
分圧比(Vk:Va)
110:94(110:90)
・メインコイル電源(IDX製、IPM-500204-A4)で出
100%選択時
力不安定や騒音発生などがあり、07年8月に全数
100,105,110 (90,100,110)
分圧比選択(%)
改修したが、まだ騒音を出す物がある。また内蔵
タイマ不具合でON命令から立上りまで4秒以上の物が5台、うち10秒弱が1台。これらの改修も必要。 オプションも可能とし、直流主回路の＋側定格を－20kVとしたが、新規増設ではオプションを諦め・LEMOコネクタ増締めは08年7月に終了した。
＋側接地として価格の低減をはかる。
MANODのKlyカソード－アノード分圧比(Vk:Va)
３．電源システムの増強計画
は抵抗分割比で設定されるが、新規増設分は、逆バ
イ ア ス 電 圧 (-3kV) を 考 慮 し た 上 で Kly 端 子 でJ-PARCリニアックの400MeVへの増強について、110:94(Klyの設計仕様)となるようにする。
機器仕様の検討が行われた。最近の部品価格上昇の当電源システムの増強は、2009年度から3年間の影響などにより、予算が厳しい状況である。そのた計画である。
め、Design Report[6]から変更して、190.8~400MeV間の加速空洞(972MHzACS空洞[8]を使用する予定)の台数を減らし(46台→42台)、972MHzクライストロン[9]４．まとめおよび当電源システム機器の台数を減らす(クライJ-PARCリニアック用クライストロンシステムのストロンを23台[7]→21台)。その代わりACS_1台あた
現状と増強計画について述べた。当面は9月以降のりの加速電場を増やす事となった。
加速器運転に備え、必要なメンテナンス等を行う予図１(前ページ)に400MeVリニアック(増強後)の構定である。
成図を示す。「VCB」は「VCB盤」(各々2台の真空遮断器を備える)、「DS」は「断路器」、「MA」
参考文献
は「MANOD」、「Kly」は「クライストロン」を示 す 。 「 Kly.Sxx 」 、 「 Kly.Axx 」 、 「 Kly.Bx 」[1] 川村 他、2007年度本研究会Proceedings, pp.501-503.
「Kly.DBx」は各々SDTL、ACS、バンチャ、デバン
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj4_lam32/PAS
J4-LAM32%20(D)/contents/PDF/TP/TP26.pdf
チャにRF電力を供給する。
[2] 川村 他、2006年度本研究会Proceedings, pp.400-402.
VCB盤1台が3相6.6kV電力を供給する機器をまと
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj3_lam31/Proceedings/W/WP44.pdf
め「System」と便宜的に名付けると、全部でSystem[3]川村 他、2005年度本研究会Proceedings, pp.293-295.
1～6の6つで構成される。概ね上流からSystem-1,-2,
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj2_lam30/Proceedings/20P024.pdf… の 順 だ が 、 最 下 流 の 機 器 (DS.44 、 MA.44 、[4] 川村 他、2004年度本研究会Proceedings, pp.287-289.
Kly.DB1)はデバンチャが250kW[7]と小電力のため、
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj1_lam29/WebPublish/4P32.pdf
定格80kVのHVPS06(System-3内)につながる。
[5] E.Chishiro et. al., Proc. of PAC05(2005), pp.1123-1125.
HVPS06をKly_2台仕様から4台仕様に増強するた
http://epaper.kek.jp/p05/PAPERS/WPAT008.PDF
め、コンデンサバンクの容量を増やす(6.4→12.9µF)。 [6]“ACCELERATOR TECHNICAL DESIGN REPORT FOR
HVPS12は、陽子加速器開発棟にある972MHzテスト
J-PARC”, KEK Report 2002-13, JAERI-Tech 2003-044,
J-PARC 03-01, 2003.
スタンド [9] から移設する。(Kly.B3はクライストロ
http://hadron.kek.jp/~accelerator/TDA/tdr2003/index2.html
ン、空洞等RF側の変更(324→972MHz、など) )[7] 同上、Chap.3, pp.3.1.3.1-1~6新規増設の機器(図１のベタ塗り白文字)はVCB_3
http://hadron.kek.jp/~accelerator/TDA/tdr2003/chap3/3.1.3.1.pdf
台、HVPS_5台、DSとMANOD_23台である。既設機[8] 青寛幸 他、本研究会、WP088.
[2][7]
から仕様変更する主な点を表１に示す。
器
平野耕一郎 他、本研究会、WP089.
電流増加はACS_1台あたりの加速電場を増やすた[9] 堀利彦 他、本研究会、WP083.
め、コンデンサ容量増加は電流増加でも電圧サグを山崎正義 他、第27回リニアック技術研究会5%以下とするためである。
Proceedings(2002), 8P-10.
コンデンサ絶縁体はコンデンサ紙(CP)＋ポリプロ
http://www.pasj.jp/web_publish/lam27/PDF/8P-10.pdf
ピレン(PP)から金属化ポリエステル(MPET)に変更し、 [10]“JHF Accelerator Design Study Report”, KEK Report
コンデンサの外形寸法も異なる。
97-16, JHF-97-10, 1998, pp.4.6-14~15.
既設システムではバウンサ回器[10]を追加する-475-