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 クライストロン高圧電源停止頻度の改善
IMPROVEMENT FOR THE TRIP RATE OF KLYSTRON HIGH-VOLTAGE POWER
SUPPLIES IN J-PARC LINAC
堀利彦#, A), 佐藤文明A), 篠崎信一A),千代悦司A),小栗英知A), 二ツ川健太B),福井祐治B)
Toshihiko Hori #, A), Fumiaki SatoA), Shin-ichi ShinozakiA), Etsuji ChishiroA), Hidetomo OguriA),
Kenta FutatsukawaB), Yuji FukuiB)A)
J-PARC Center, Japan Atomic Energy AgencyB)
J-PARC Center, High Energy Acceleralator Research Organization

Abstract

The number of faults of high voltage power supplies for 324MHz-klystron has been increased since summer
maintenance in 2012. Investigating the causes of its faults, it was found that the primary one is anode discharge ofklystrons. Electro-magnetic and radiation noises were arisen from anode discharge and they strongly influenced withthe disoperation of NIM components such as trigger fanout modules generating trigger pulses both 150kVsemiconductor switch and sample hold modules. This report describes the causes of break down for HVDC power
supplies and the noise measure of trigger fanout module.

1.

はじめに2012 年夏期メンテナンス以降のビーム利用運転において、324MHz クライストロン用直流高圧電源の停止頻度が高くなり、加速器の稼働率を低下させていた。電源停止時の過渡的な各部波形を解析したところ、アノード短絡がこの一次的要因であることがわかった。アノード短絡時の電磁・輻射ノイズによって、制御・計測用 NIM モジュールの複数台が誤動作し、電源は正常動作しているにも関わらずインターロックを発報していた。今回の報告では、インターロック発報の原因調査とその結果及び、トリガー分配用 NIM モジュールのノイズ対策など電源停止頻度改善に向けた取り組みを報告する。

2.

大電力高周波源機器とタイミング構成ブルで変調器へ伝送される。万が一 OFF トリガーを受信出来なかった場合を考量し、変調器は ON トリガー受信時に 1ms パルス幅のアンサーバック信号を返す。これにより、クライストロンは 1ms 以上のパルス長で変調されないよう保護されている。これに加え T.F.M の ON トリガー信号は、M-アノード電圧波形（パルス）などのアナログ波形サンプルホールド（S/H）モジュールの基準信号として用いられる。
このタイミングからの Delay 時間（380µs, 1ms）経過後の計測値が DC 化され、PLC の ADC 入力となる。この値はタッチパネルの「メータ値」として表示されると共に「上下限設定値」を外れた時にはPLC の CPU が‘異常’と判断し電源を停止する。
なお、高圧電源側 S/H モジュールへのタイミングト
リガーは各電源の最上流セクションの T.F.M から送信される。

J-PARC リニアックの主な大電力 RF 源は、総数20 本の 324MHz クライストロン（Toshiba、M ア
ノード付 3 極管）、6 台の直流高圧電源（HITACHI、定格：110kV/6.3A）並びに、パルス繰り返し：25pps、パルス幅:700µs にクライストロンを変調する M-ア
ノード変調器（日新パルス電子、150kV 半導体スイッチ内蔵）が 20 台で構成されている。電源とクライストロンの基本構成は 1:4 であり、個別のクライストロンでインターロックが発報した場合でも高圧電源は停止する。Figure1 に中央制御室（CCR）から送信された大電力機器用タイミング信号のフローを示す。CCR からのタイミングパルスは、制御グループ管理のトリガー受信モジュールで変調器を駆動する ON、OFF トリガー信号などを生成する。この信号はクライストロン制御盤の NIM モジュール Figure 1: The simplified diagram of both timing and内 に 実 装 さ れ て い る ト リ ガ ー 分 配 用 モ ジ ュ ー ル monitor modules.
（T.F.M）で波形整形された後、光ファイバーケー___________________________________________#3.

電源停止状況とインターロック要因

Figure2 に 2012 年夏メンテナンス以降の RUN#44

hori.toshihiko@jaea.go.jp- 1001 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)（9/21～11/27）と RUN#45（11/27～12/26）の号機
別高圧停止回数と特定インターロック（ILK）項目が総数に占める割合を示す。特定 ILK 項目とは、ア
ノード過電流、パルス受信異常、全カソード OFF 過電流の 3 つのインターロックを指すが、• RUN#44 の停止回数は#2 電源(S1~S4 クライストロン用)が全号機の 63%を占め、「S2/アノード過電流」ILK が 48%と最多であった。
• RUN#45 の停止回数は#1 電源(RFQ~D3 クライストロン用)が全号機の 73%を占め、「D2/パルス受信異常」ILK が 46%と最多であった。
上記に「全カソード OFF 過電流」を加えた 3 項目が総停止回数の 62%を占め、今回の改善すべき最優先
ILK 項目であった。1 回の電源停止で約 20 分間ビーム利用運転を休止させており、特に 12 月末と 1 月初旬のマシン立ち上げ直後の数日間は 1 シフト（8時間）で停止頻度が平均 2 回の状況であった。

Figure 3:The waveform of anode voltage (yellow),
Cathode Voltage(blue) and Klystron beam current(purple) in case of #3HVDC PS break down.

Figure 4: Anode discharge waveform (left) vs 25ppsregular-pulse (right).
次に、クライストロン個々のアノード短絡回数（一日平均）を調査した結果が Figure5 である。図より D2 と D3 の RUN#45 の短絡回数は#44 と比較し5 倍程多いこと、S2 の RUN#45 の短絡回数は#44 とFigure 2: The number of faults of HVDC PS in RUN#44 比較して約 1/3 に低減していること、などが読み取
and RUN#45.
れる。この傾向と Figure2 から、アノード短絡回数と高圧停止回数の増減には相関関係があると言える。
4. インターロック原因調査とその結果
アノード短絡データを集計したところ、短絡発生タイミングは正規パルス以外で生じる現象であった。
4.1 アノード短絡
高圧停止時の過渡的な波形変化を監視する専用の Figure1 で示したように、機器のモニタ系はこの時間オシロスコープ（DPO2014 Tektro）をクライストロ 帯の計測値を読み込まないため、短絡現象は電源停ン毎に設置し、電源停止原因を調査した。Figure3 に、 止の直接的な原因ではなく、一次的要因である。
#3 高圧電源が「全カソード OFF 過電流」ILK で停止した時の代表的な各部波形を示す。図に見られるように、アノード変調が停止する 2 パルス前にスパイク状の波形がモニタされている。この時刻を拡大したものが Figure4 で、25pps 正規パルスの 0.9ms 前のタイミングに半値幅：0.1ms のパルス波形がモニタされた。アノード電圧波形のパルス立上りを注視
すると、-100kV のアノード電圧が約 2µs で短絡していた。このデータより、クライストロンのカソードからは変調器の分圧抵抗を介さず電子が 100kV で引き出されており、その結果 62A ピークのビーム電流（25pps 正規パルスの約 1.5 倍）が立上りに流れていると解釈できる。その他• 短絡時のカソード電圧に変化は見られない。
• アノード電圧は短絡後、約 0.4ms 後には短絡前の電圧に回復する。
こともわかり、大電力機器に致命的なダメージを与える現象ではないことは確認できた。

Figure 5: The numbers of anode discharge per day in
RUN#44(red) and RUN #45(blue).
4.2- 1002 -トリガー分配モジュールの誤動作

先の特定 ILK 項目が発報する内容としては• アノード過電流
アノード電流が 100mA 以上流れた時。ただし、電流波形にパルス構造（パルス立上り時刻から 300µs）を有する波形である。
• パルス受信異常

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パルス繰り返しが 10pps 以下、もしくは半導 の大きな改造を行った。改造済み T.F.M 内部の基板
体スイッチのスイッチング用 ON、OFF トリ を含む外観を図 7 に示す。
ガーパルスのインターバルが 1µs 以下の時
• 全カソード OFF 過電流
電源の負荷（クライストロンカソード）電流が 1ms 以上流れている時であり、タイミング信号の不具合が共通項目として考えられた。そこで、アノード短絡時のクライストロンビーム波形をオシロスコープのトリガーとして用い、Figure1 のタイミング、モニタ系機器の調査を詳細に行った。結果、Figure6 に示すようにトリガー分配用モジュール（Figure1 の A,B）がアノード短絡時の立上りと同期して正規のパルス信号を出力していることが判明した。これは制御系のタイミングト
Figure7: Photograph of improved trigger fanout module.
リガー信号無しにアノード短絡時の電磁・輻射ノイ現時点(2013/5 月末)では、T.F.M 単体の誤動作はズにより、分配モジュールが誤動作（誤動作には 生じていない集計結果である。しかし頻度は少ない
A,B 一方のみを含む）していると考えられる。これ が、上流の制御系トリガー分配モジュールの誤動作に加え D3、S2、S5 の 3 セクションでは、アノード がモニタされており、これの対策が今後の課題であの短絡と同期し 1 台下流の S1、S3、S6 セクション る。Figure8 に T.F.M とモニタ用 S/H モジュールなの T.F.M も誤動作（同様に A,B 一方のみを含む）し どが実装されたクライストロン制御盤の NIM モていることもわかった。誤動作回数／アノード短絡 ジュールユニットの外観を示す。ON トリガー生成回数を誤動作率と定義し S5、S6 セクションで調査 用 T.F.M 及びアノード電流モニタ用 S/H モジュールしたところ、S5 では 51%、S6 では 81%とのデー の入力にはローパスフィルタ（L.P.F：5、2.5MHz）タを得（2013 年 3 月上旬の約 50 回短絡時を集計）、 を装着した。これは実機取り付け前のノイズ評価試
験でノイズ防止には非常に有用であることが実証さ下流側の誤動作率の方が高い傾向であった。
れたもので、今回の対策には必須の素子である。

Figure 6: On-trig. (blue) and OFF-trig.(papule) pulse
waveform at anode discharge(yellow) .

5.

トリガー分配モジュールの誤動作対策と結果

Figure 8: Photograph of NIM module unit composed oftwo trig. fanout modules and four sample hold modules.

6.

まとめと今後高圧電源の停止原因を調査した結果、アノード短トリガー分配モジュール基板の対ノイズ強化を絡と同期してクライストロン制御盤/トリガー分配用
2012 年 12 月より本格的にスタートした。当初の主な改造点はワンショット IC にフィルタを追加する、 ON モジュールが誤動作していた。これにより、モ配線に比較的太いケーブルを使いアースラインを強 ニタ系は設定値以外のタイミングの計測値を読み込化する、などである。この試作モジュールの評価に み、インターロックを発報していた。そこでこのモは、S5 の 19 インチラック背面エリアに今回特別に ジュールのノイズ対策を行い、モジュール単体では設置した新規 NIM ビンで行った。ここで一通りの 良好な結果を得たが、今後も継続してノイズ対策を効果を確認した後、試作モジュールを短絡回数の多 行う必要がある。もう一つの課題のクライストロン
い D3、S5 に取り付けノイズ評価を行った。結果、 に関しては、2013 年 2 月に D2 クライストロンを交
アノードの短絡が発生するセクションでの T.F.M の 換した。この作業の結果、アノード短絡の原因がク誤動作は無くなったが、1 台下流側の T.F.M には効 ライストロン電子銃部のアノード-ボディ間の放電で果が見られなかった。そこで次のステップとして、 あることが判明した。放電回数や放電時のノイズレ入出力の信号をフォトカプラー（TLP513,Toshiba） ベルを低減すること出来れば、NIM モジュールの誤で電気的に絶縁する、IC の±12V、±5V 電源を 動作は回避可能である。我々はそのための方策を確
NIM 電源ラインとは別の DC-DC コンバータ電源 立することがより本質的な解決策であると考えてお（CC1R5 Series, TLD-Lambda）から供給する、など り、今後も調査・試験を継続する予定である。
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