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

J-PARC リニアック用クライストロン電源システムの現状 2013
PRESENT STATUS OF KLYSTRON POWER SUPPLY SYSTEMSFOR J-PARC LINAC 2013
川村真人#, A), 千代悦司 B), 堀利彦 B), 篠崎信一 B), 佐藤文明 B), 福井佑治 A), 二ツ川健太 A),
山崎正義 C), 佐川隆 D), 宮嶋教至 D), 雪竹光輝 D), 小川真一 D), 伊藤直人 D)
Masato Kawamura #, A), Etsuji ChishiroB), Toshihiko HoriB), Shin-ichi ShinozakiB), Fumiaki SatoB), Yuji FukuiA),
Kenta FutatsukawaA), Masayoshi YamazakiC), Ryu SagawaD), Noriyuki MiyajimaD), Mitsuteru YukitakeD),
Shin-ichi OgawaD), Naoto ItoD)
A)
KEK, High Energy Accelerator Research Organization / J-PARC, Japan Proton Accelerator Research Complex
B)
JAEA, Japan Atomic Energy Agency / J-PARCC)
Mitsubishi Electric System & Service Co., LtdD)
Hitachi, Ltd.

Abstract
This report describes the present status of the klystron power supply systems for the J-PARC linac. The systems forthe 181MeV linac were operated from September to May, and have been off in the cause of the accident of the J-PARC
Hadron Experimental Facility. A few breakdowns were occurred, and are described in this report. The new systems forthe upgrade of the linac from 181MeV to 400MeV have been installed until now, and the 3 HVDCPSs and the 3 anodemodulators of the new systems have been operated. All the systems for 400MeV linac will be operated in this autumn.

1.

はじめに

頻 度 の 改 善 に 関 し て 堀 氏 [4] の 報 告 が あ る の で参照されたい。

本論文は J-PARC リニアック用クライストロン
181MeV リニアック用機器の運転状況
電源システム[1][2]について、過去 1 年間の運転状況 2.
等を報告するものである。
2.1 連続運転前作業
181MeV リニアック運転対応として、昨年 9 月
昨年 7 月まで連続運転していたアノード変調器
下旬より今年 5 月下旬まで、年末年始の中断や、 20 台のうち、定格 110kV で運転するものは 19 台
スケジュール化された 8 時間未満のメンテナンス等 ある(デバンチャ 1(DEB1)の 1 台は 80kV 定格)が、を除き、終夜連続運転を行った。運転と並行して、 放電対策を終了したのは 4 台のみだったため、昨年 7 月初めまで運転していたアノード変調器の 残り 15 台について昨年度内に対策作業を終了する
うち、未改修分 15 台を改修して放電対策[3]を施した。 必要があった。一方、9 月下旬から加速器運転がエネルギー増強対応として、震災により中断して 開 始 さ れ た ( ク ラ イ ス ト ロ ン 電 源 は 、 加 速 空 洞
い た 972MHz テ ス ト ス タ ン ド ( 高 圧 直 流 電 源 コンディショニングの必要もあるため 9 月中旬の
HVDCPS#12 と ACS#21 ステーション、ACS 空洞や 立上げ、以後連続運転)。エネルギー増強用変調器
クライストロン・972MHz 用部品などの試験等を (25 台、対策作業済)は既に納品されていたため、
行 う 恒 久 的 な テ ス ト ス タ ン ド ) の 再 立 上 げ 、 未対策の変調器 15 台を一旦取り外して J-PARC
リニアック棟クライストロンギャラリー上流に
HVDCPS#10 と ACS#16 ステーション、HVDCPS#11仮置きし、空いた場所に対策済変調器のうち 15 台と ACS#17 ステーション(両方とも、エネルギーを移設して、立上げ・連続運転に対応した。当時は増強前にクライストロンの試験を行う Temporally な 東日本大震災で被災したクレーンの改修が完了してテストスタンド)の立上げを行った。
い な か っ た [1][5] た め 、 ア ノ ー ド 変 調 器 の 移 動 は
J-PARC ハドロン施設事故により、今年 5 月下旬、 コロ引きで行った。なお、放電対策は 10 月より当電源システムの運転を停止した。
日新パルス電子(株)へ搬出、改修後搬入、等を順次
エ ネ ル ギ ー 増 強 用 の 機 器 に つ い て は 、 972MHz 行い(改修のペースは概ね 4 台／月)、2/25 に終了
テストス タンドを 6 月 18 日に運転を再 開し、 した。
HVDCPS#1、#2 については運転当初より出力電圧
ACS#16、#17 の両ステーションも 6 月 19 日に運転
[6]が、調査の結果変圧整流器の不安定が生じていたを再開した。
(HVTR#2、#11)の測定用(出力電圧フィードバック
なお、本論文に関連して、本研究会では電源停止___________________________________________
制御用)分圧抵抗器の、気中にある低抵抗器の温度#masato.kawamura@kek.jp- 605 -

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

特性が悪いことが不安定の原因と考えられたので、当該抵抗器を外し、出力電圧が比較的安定している
HVTR#4、#5 の、使用していない同形の抵抗器と入れ替えた。
2.2

HVDCPS#1 号機 AVR 盤の不具合

連続運転中の 3/18 朝(8:54)、「交流過電流」のインタロックで HVDCPS#1 号機が停止し、以後( 定 格 電 圧 110kV に 対 し ) 設 定 電 圧 30kV で も同インタロックがかかり、高電圧の運転が不能となった。この現象は前々日(3/16)から 5 回発生しており、特に 3/18 0:00 以降は 3 回発生していた。以後、
リ ニ ア ッ ク の ビ ー ム 加 速 運 転 を 中 断 し 、 翌 3/19
15:00 頃まで調査・改修を行った。
HVDCPS の電圧制御は、サイリスタ点弧位相角のFigure 1: A disconnection point between two electrodes
調 整 に よ る 12 パ ル ス 整 流 方 式 ( 三 相 全 波 整 流[1]in an anode-modulator.
2 直列) である。サイリスタ・制御基板等を備えた
AVR 盤(AVR は Automatic Voltage Regulator の略)に2.3 アノード変調器の不具合
電圧 600V で 30deg.の位相差のある 2 つの三相交流連 続 運 転 中 の 5/8 夕 刻 (19:49) 、 「 MANOD 逆( u1、v1、w1 と u2、v2、w2 )を引込み、変圧整流器バイアス電源電圧低下」のインタロックが発生して(HVTR)1 次側への出力電流を調整することで高電圧
HVDCPS#4 および SDTL9 スタンドが停止した。
を制御している。
半導体SW ユニットをアノード変調器油タンク内各相の電流測定値の時間経過を観測したところ、から吊上げて交換するのが最適な対応と判断し、ノイズによる誤動作とみられるサイリスタの誤点弧が発生しており、その結果過電流が生じているのが 交換作業終了後再立ち上げを行ったところ交換前と確認された。特に v2 が p 方向に点弧すると同時に 同 様 「 MANOD 逆 バ イ ア ス 電 源 電 圧 低 下 」 のu2 も n 方向に誤点弧する現象が多発していた(測定 イ ン タ ロ ッ ク が 発 生 し た 。 こ の 結 果 を 受 け 、放電対策済のアノード変調器が仮置きしてあるでは正常時より約 4ms 早い誤点弧が確認された)。
AVR 盤内にはサイリスタの G (ゲート) － K (2.1 項参照)ことから、アノード変調器全体を交換し、(カソード)間にパルス信号を供給し、パルス幅を 翌 5/9 早朝(3:16)運転を再開した。
最初の不具合についてはまだ確認・改修して調整する事でサイリスタの点弧を制御するゲートいないが、半導体SW ユニット下部にある高電圧回路基板が 6 枚あるが、インタロック発生時の波形ボックス内の回路の不具合と予想される。
を観測したところ基板内部のパルスは正常である
一 方 、 半 導 体 SW ユ ニッ ト 交 換 後 の 不 具 合 にことが確認された。従ってゲート基板とサイリスタついて、5/13アノード変調器内部を油タンクからG－K 端子との間の配線にノイズ(測定では 0.5V引上げて確認したところ、Figure1 のように電極が程度の電圧ノイズ)が侵入していると思われたので、接触していない事が分かった。対策として、全ての早急の対策として 6 枚の基板全ての出力配線にアノード変調器(45 台)について、当該電極の接触をついて、確実にするために、「電極の形状を見直して、接触 ゲート信号(p、n とも)・電力線(DC±24V)・ を 確 実 に す る 」 、 「 下 側 ( 油 タ ン ク 側 ) の 電 極 に接地線が一括して結束してあったのを分離した ついて、内蔵するバネのストロークが大きいものに変更する」などの改修を、8 月以降に行う予定で(誘導ノイズ低減のため)。
 ゲート配線のシールド線シース部が接地して ある。
あ った のを、 外し て接地 から 浮かせ た (浮遊 2.4 その他容量結合ノイズ低減のため)。
9 月下旬より 5 月下旬までの高電圧印加時間は
 サイリスタ G－K 端子間に、これまで5,700時間前後だった。J-PARC ハドロン施設事故にダイオードとコンデンサ 0.1µF の並列回路がより、今年5 月下旬以降運転を行っていない。
配線されていたが、更に並列に抵抗 1kΩとコンデンサ 0.33µF の C－R 並列フィルタを追加3. エネルギー増強に向けてした。
リニアックの 181MeV-400MeV エネルギー増強に対応した当電源システムの開発やリニアック棟での改修以降の運転では不具合は発生しなかった。
[1][5][7]他の AVR 盤改修については、HVDCPS#7～#12 用 作業については、過去の年会でも報告している
は 5 月に終了し、HVDCPS#2～#6 用は 8 月以降行う が、今年 11 月以降いよいよ全機器の連続運転を開始する事となった。機器の納品は既に終了して予定である。
いる。また、震災前から既に運転を開始していて震災により運転を中断していたもの、最近試験を- 606 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

終了して運転を開始したもの、機器の移動などが上に述べたクライストロンの試験や機器の移設必要で今後運転を開始するもの、などがあるので、 作業を行い、11 月以降の全機器運転に備える予定で以下、これらを分けて現状や今後の予定を報告する。 ある。
3.1

972MHz テ ス ト ス タ ン ド (HVDCPS#12 とACS#21 ステーション)

4.

まとめ

2011 年の東日本大震災以前より運転を行っていた
以上、過去 1 年間のクライストロン電源の状況をが、震災による中断や、972MHz クライストロンまとめた。
試験の準備作業などを経て、今年 2/26 から運転を震災によるクレーンの改修が終わらない状況での、再開した。以後、972MHz クライストロンの試験を アノード変調器のコロ引き作業から始まり、J-PARC
5/24 ま で 行 っ た 。 J-PARC ハ ド ロ ン 施 設 事 故 を ハドロン施設事故を経て加速器の運転中断のまま受 け た 中 断 の 後 、 6/18 か ら 運 転 が 再 開 さ れ 、 現在に至っている。一方、エネルギー増強に向けた
これまで ACS 空洞の大電力試験を行っている。2/26 作業は今年中に完了する予定で、震災による遅れをから 7/28 までの高電圧印加時間は約 330 時間である。 1 年に留める事が可能な状況である。
今後の予定について、特にリニアックのビームACS 空 洞 の 大 電 力 試 験 は 7/31 ま で 行 う 予 定
加速運転についてはまだ述べる状況に無いが、である。
高電圧機器を扱う立場の者として、これまで以上に3.2 HVDCPS#11 と ACS#16 ス テ ー シ ョ ン 、 安全に留意して取り組む方針である。
HVDCPS#12 と ACS#17 ステーション
HVDCPS#11 用 変 圧 整 流 器 (HVTR#11) は 、 2011年度の HVTR#1 故障[1]・廃棄に伴い HVDCPS#1 へ移設し使用しているので、2012 年度予備を含め 2 台(HVTR#13, HVTR#14)購入し、3/9 に搬入された。
HVDCPS#11 と ACS#16 ス テ ー シ ョ ン 、HVDCPS#12 と ACS#17 ステーションは今年 5 月
前半に立上げ作業を行った。
ACS#16 ステーションは 972MHz クライストロンの新品(未試験品)の試験を、東芝技術者が出張・常駐して行う。6/26 より運転を開始し、7/28 までの高電圧印加時間は約 240 時間である。
ACS#17 ステーションは 972MHz クライストロン(試験済品)の性能確認試験を、J-PARC で行う。6/19より運転を開始し、7/18 から 7/31 までの平日はシフトを組んで 24 時間連続運転を行っている。7/28までの高電圧印加時間は約 360 時間である。
972MHz クライストロンの試験は、8 月は中断、その後 9 月に再開して 10 月下旬まで行う予定である。
3.3

その他の機器参考文献[1] 川村 他, 2012 年度本研究会 Proceedings, THPS110,
pp.1243-1247.
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj9/proceedings/PDF/
THPS/THPS110.pdf[2] M. Kawamura, et al., LINAC10 Proceedings, THP058,pp.887-889.
http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/LINAC2010/
papers/thp058.pdf[3] 千代 他, 2012 年度本研究会 Proceedings, THPS105,pp.1224-1226.
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj9/proceedings/PDF/
THPS/THPS105.pdf[4] 堀 他, 本研究会, SUP053[5] 川村 他, 2011 年度本研究会 Proceedings, TUPS157,pp.1363-1365.
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj8/proceedings/poster/
TUPS157.pdf[6] 川 村 他 , 2009 年 度 本 研 究 会 Proceedings, fcapa46,pp.1062-1064.
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj6/papers/fpaca46.pdf[7] 川 村 他 , 2008 年 度 本 研 究 会 Proceedings, WP079,
pp.473-475.
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj5_lam33/contents/PDF/WP/WP079.pdf

181MeV リニアック用機器のうち、HVDCPS#1～#4、RFQ ステーション、DTL1～3 ステーション、
SDTL1～15 ステーションの各機器は現状通り。
SDTL16 ステーションを立上げ、HVDCPS#5 は現在の 3 負荷から 4 負荷に変更される。HVDCPS#6は現在の 1 負荷から 4 負荷に変更される。
一方、HVDCPS#6 の負荷側のバンチャ(BUN1、2)、デバンチャ(DEB1、2)をはじめ、ACS 上流部(ACS2、3)の各ステーションを立上げるためには、19 インチラックの移動、配線替えなど大掛かりな作業が必要となる。また上記 2.1 項で述べたアノード変調器の入替え作業も必要となる。
これらの作業は、7/29 より順次開始される。

- 607 -