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

サイラトロン CX2004X の初期検査
INITIAL TEST OF THYRATRON CX2004X
菅沼和明#, 富樫智人, 金正倫計Kazuaki Suganuma #,, Tomohito Togashi, Michikazu Kinsho
Japan Atomic Energy Agency
2-4 Shirane,Shirakata, Tokai, Ibaraki, 319-1195

Abstract
We started the initial tests of thyratron CX2004X at the switching test stand of the J-PARC. Deuteron gauss of thismodel is about 2 times as much as CX1193C one, by employing two reservoir tanks. A log life time more than thyratron
CX1193C could be expected.

1.

キッカー電磁石８台と高電圧パルス電源８台で構成される。Table 1 に代表的なキッカー電磁石電源システムの仕様を示す。１台のキッカー電磁石電源は２本の e2V 社製のサイラトロン（CX1193C）を使用している。サイラトロンの電流立ち上がり時間は約30nsec で、キッカー電磁石の特性インピーダンスは10Ωである。電磁石の終端は短絡されていて、電流を全反射させ、磁場を発生させている。

はじめに

本 報 告 は 、 J-PARC 3GeV Rapid Cycling
Synchrotron[1] （RCS）の出射キッカーシステムに採用を検討しているサイラトロンの適応検査に関するものである。
J-PARC 3GeV RCS の出射キッカーシステム[2]は、電圧 60kV、電流 3kA、パルス幅 1.2μ秒、繰返し25Hz のパルス電磁石システムである。181MeV から
Table 1：Specifications of the Kicker Magnet System
3GeV に加速した陽子を物質・生命科学実験施設（Material and Life Science Facility ：MLF）および The number of magnet section
850GeV シンクロトロン（Main Ring：MR）に蹴り出
Magnetic flux density
360～460Gaussしている。より安定に、より長い時間、陽子ビーム8を供給することは、J-PARC 施設を利用し研究を進 The number of DC power supply
めるユーザーに我々が求められている優先事項であ The number of thyratron tube
2/magnet
る。しかしながら、3GeV シンクロトロンのキッ～1200ns
カー電磁石電源で使用するサイラトロンの寿命、及 Pulse width
び調整運転によるビーム供給の休止が、J-PARC 施 Repetition rate
25Hz設全体の連続運転の制限となりうる懸念がある。具
The number of4 cables
体的には、現在 3GeV シンクロトロンのキッカー電/magnet section磁石電源で使用するサイラトロン CX1193C は、安 high-voltage coaxial cable
定した動作を維持するため、また、長時間の使用を Impulse withstand voltage of high-voltage 690kV実現するため、およそ 1000 時間から 2000 時間毎に、 cableビームの供給運転を停止し、サイラトロンの調整運4/ magnet
転を行っている[3] 。サイラトロンの動作に起因せず、 Matching resistor
連続したビーム運転を実現するため、また更なる長寿命化を目指し新しいサイラトロン CX2004X について、その可能性の調査を開始した。サイラトロン 3.
サイラトロン CX1193C の運転状況
CX2004X の重水素を充填した２つのカプセル（リRCS の出射キッカーシステムに使用するサイラトザーバ）のヒーター特性を測定した結果、２つのリ ロンは、e2V 社製の型式 CX1193C である。2009 年
ザーバの役割は異なるものであった。リザーバへの 1 月から供用運転を開始し、年間およそ 5500 時間
重水素の充填量の増量と２つのリザーバの結線を変 を目標に運転を行っている。Table 2 に 2009 年から更することで、使用中の CX1193C よりも長寿命に 2012 年までの代表的なキッカー電磁石電源システなると期待できる。
ムでの出来事を記す。Table 3 には、各年に使用し2.

キッカーマグネットシステム
RCS の出射キッカーシステムは、双子型分布定数___________________________________________# suganuma.kazuaki@jaea.go.jp

たサイラトロンの本数、及び各年に交換したサイラトロンの最少使用時間と最大使用時間を記す。
Figure 1 には、各年におけるサイラトロンのミスファイヤ等によるキッカーシステムの運転停止率の関係と各年における供用運転時間の関係を記す。話- 870 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

を Table 2 に戻すが、RCS 出射キッカーシステムでは、毎年のように何らかのトラブルに見舞われた。
特に 2009 年のトラブル（ミスファイヤ）は、およそ 2 年の月日を費やしてトラブル改善を実現している。その後のサイラトロンのミスファイヤ等に起因したビーム停止率は 1%以下に抑えられており、サイラトロン及び出射キッカーシステムは、安定運転を実現している。Table 3 に各年におけるサイラトロンの交換本数を記す。交換本数は年々減少し、2009 年は 18 本の交換が必要であったが、2012 年には 8 本にまで抑えられている。今後の年間の交換本数は 10 本程度になるものと考えられる。

80

Table 2：Operation History of Kicker System
Year

Technical issues

2009

Many miss firings of Thyratron tubes

2010

Dieletric breakdowns at connector ofReservoir
Cathode 870760650540430

32021010

the high-voltage coaxial cables.

002000 4000 6000 8000 10000

Operation Time (hr)2011

The Japan Earthquake

2012

Degradation of matching resistor

Table 3： Number of Replace a Fresh ThyratronYear

The number of
replacement ofthyratron tube

2009

18600

4600

2010

112140

6791

2011

37777

8059

2012

88222

11904

Operatinghour (min)Rise time(nS)
Jitter(nS)

Operatinghour (max)

100

104

101000

1

100

0.1

10

Figure 2：Typical data of thyratron CX1193C.
Figure 2 には、2010 年 5 月から 2012 年 10 月まで実際に運転に使用したサイラトロン CX1193C シリ
アルナンバー2260 の運転積算時間と電流の立ち上がり時間、電流の立ち上がり時のジッター、カソードヒーターの設定電圧、リザーバヒーターの設定電圧の関係を記す。特筆すべきはリザーバヒーターの設定電圧の緩やかな上昇である。サイラトロン
CX1193C は、安定した動作を維持するために、同様に、長時間の使用を可能とするため、およそ1,000 時間から 2,000 時間毎に、ビームの供給運転を休止して、サイラトロンの調整運転を行っている。
この作業の結果がグラフに現れている。シリアルナ
ンバー2260 は上記の調整を行い、最終的に電流の立ち上がるタイミングに揺らぎが生じ寿命となった。

4.サイラトロン CX2004X の検査

0.01
12009 2010 2011 2012 2013 2014

YearFigure 1： Record of beam stop rate in beam operation.

長寿命化を目指してサイラトロン CX2004X を選択し検査を開始した。CX2004X と CX1193C の違い
は、重水素が充填されているリザーバと呼ばれるカプセルの数であり、CX2004X が 2 個、CX1193C が1 個である。Figure 3 に CX2004X の回路図を示す。
筆者らは、CX2004X の初期検査としてリザーバ電圧と電流の特性を調べた。Figure 4 に測定回路を示す。また、測定結果を Figure 5 及び Figure 6 に示す。
メインのリザーバとサブのリザーバでは、電流の変化に違いがある。メインのリザーバは電圧の変化に追従して電流値が上昇している。サブのリザーバは電圧に対する電流値の変化は見られない。メインのリザーバの特性は CX1193C とほぼ同じである。リ
ザーバ内には純チタンの粉末が入れられていることから、メインのリザーバは重水素を脱離し、サブの- 871 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

リザーバは、サイラトロン真空管内の不純物を吸着すると考えられる。現状の使用では、長寿命化が望めないが、サブリザーバに重水素を充填し、回路の接続を変更することで RCS のキッカー用サイラトロンの長寿命化に対応できる。

Figure 6：Property of sub reservior current.

5.

Figure 3：Schematic diagram of thyratron CX2004X.

まとめ

以下に本報告のまとめを記す。
長寿命化を目指しサイラトロン CX2004X の検査を 開 始 し た 。 CX2004X と 従 来 の サ イ ラ ト ロ ン
CX1193C の 違 い は 、 重 水 素 が 充 填 さ れ て い る リ
ザーバと呼ばれるカプセルの数で、CX2004X が 2個、CX1193C が 1 個となっている。CX2004X の 2つのリザーバのヒータ電圧とヒーター電流の関係を調べた。それぞれのリザーバの役割は異なるものである。リザーバ内は純チタンの粉末であることから、メインのリザーバは重水素を脱離し、サブのリザーバは、サイラトロン真空管内の不純物ガスを吸着すると考えられる。サブリザーバに重水素を充填し、回路接続を変更することで RCS の出射キッカー用サイラトロンの長寿命化に対応できると考えられる。
今後、より詳細な検査を行い、長寿命サイラトロンの完成を目指す。

謝辞
Figure 4：Measuring circuit ofreservior current.

サイラトロンのリザーバ電圧と電流の測定では、日本アドバンストテクノロジー（株）の佐藤篤氏に多大なご協力頂きました。お礼申し上げます。

参考文献[1] 山崎良成. “Accelerator technical design report for JPARC”, KEK-report 2002-13(2002).
[2] J. Kamiya et al., “Performance of extraction kicker magnet
in a rapid cycling synchrotron”,Phys. Rev. ST Accel.
Beams 12,072401 (2009).
[3] 富樫智人. “J-PARC 3GeV RCS キッカー電磁石電源の サ イ ラ ト ロ ン 運転維持管理”, Proceedings of 9th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan(2012).

Figure 5：Property of main reservior current.

- 872 -