Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP075

J-PARC RCS におけるペイント入射用電磁石電源の高精度出力調整
PRECISE CURRENT ADJUSTMENT OF THE POWER SUPPLY FOR THE INJECTION
PAINTING MAGNETS IN THE J-PARC RCS
加藤新一#, A), 高柳智弘 A), 原田寛之 A) , 堀野光喜 A) , 飛田教光 A) , 植野智晶 B) , 金正倫計 A)
Shinichi Kato #, A), Tomohiro TakayanagiA), Hiroyuki HaradaA), Koki HorinoA), Norimitsu TobitaA), Tomoaki UenoB),
Michikazu KinshoA)A)
JAEA/J-PARC
B)
Nippon Advanced Technology Co., Ltd.

Abstract
For the high intensity proton accelerator, the mitigation of the space charge force is most important because it causes
the beam loss. For mitigation, the painting injection method which arranges the injection beam on the wide phase-spacearea during the multi-turn injection has been performed to expand the circulating beam in the J-PARC RCS. In thehorizontal plane, the position and angle of the injection beam are fixed and these of the circulating beam are changed
during the painting injection. Specifically, the time variation of the bump orbit height at the injection point is generatedby the 4 paint bump magnets whose power supply are separated. Hence, the accuracy of the painting injection depend on
the precision of the output current adjustment of the magnet power supplies. Therefore, the output characteristics of thepower supplies were examined for the precise adjustment. In addition, the automatic adjustment tool has been developed
based on that results.
して入射する。まず、電源を共有する 4 台のシフトバンプ電磁石(SB1-4)と個別の電源を持つ 4 台のペイ
大 強 度 陽 子 加 速 器 施 設 で あ る Japan Proton ント電磁石(PB1-4)によって、バンプ軌道を立ち上げ
Accelerator Research Complex (J-PARC)[1] は 、 400 る。リニアックからの入射ビームは、入射点に設置
st
MeV リニアック、3 GeV シンクロトロン(RCS)、50 された第 1 荷電変換膜(1 Foil)で陽子に変換されて入－0
GeV シンクロトロン(MR)の 3 基の加速器で構成され 射される。変換されなかった H （図中の橙）、Hる。これらは世界最高クラスの大強度陽子ビームを （図中のピンク）は第 2、第 3 荷電変換膜で陽子に物質・生命科学、原子核・素粒子、ニュートリノの 変換されてダンプに導かれる。多重入射回数は 307各実験施設に供給し、最先端の実験を可能にする。 周回、入射時間は 500 μs である。ペイント入射では、特に RCS は、ミュオン生成標的及び中性子生成標的 多重入射中に入射ビームの軌道はそのままに、4 台へのビーム供給と、MR の入射器という二つの役割 のペイント電磁石の出力を落としていくことで、周を担っており、リニアックから入射された陽子ビー 回軌道を徐々に立ち下げていく。その結果、Figure
ムを 20 ms で 3 GeV まで加速する。RCS は、陽子シ 1(B)に示すように、入射ビームは水平方向の位相空ンクロトロンとしては世界初の出力領域である、従 間上の広い範囲に配置され、空間電荷力の緩和され来の陽子シンクロトロンと比較して 1 桁大きい、1 た幅の広いビームが形成される。周回軌道は、入射ビームを位相空間上の楕円に一様に配置するため、MW のビーム出力を目指している。
陽子加速器では、出力はビームロスの量によって 位置と傾き共に x(or x’) = A√ （A は任意定数）の時制限される。なぜなら、ロスとなった陽子ビームは、 間変化をさせている。ペイント入射では、周回軌道真空ダクトや周辺の機器を放射化し、加速器のメン が荷電変換膜から離れていくため、周回ビームが膜テナンスを困難にするからである。つまり、大強度 で散乱されることによるビームロスを抑制する効果出力を実現するためには、ビームロスを低減させる もある[3]。一方、垂直方向のペイント入射は、入射ラインに設置されている 2 台の電磁石によって、入ことが最重要である。
大強度陽子加速器でのロスの起源の 1 つに、空間 射点で入射ビームの傾きを直接、時間ごとに変化さ電荷力がある[2]。これは、ビーム自身が持つ電荷に せることによって行っている。
ペイント入射の精度は、ペイント電磁石電源の出よる反発力である。RCS では、空間電荷力を緩和す力電流の調整精度で決まる。出力電流が意図した時るため、多重入射中にリニアックからの入射ビームを位相空間上の任意の範囲に意図的に広げて入射す 間変化から逸脱した場合、所定のペイントエリアにるペイント入射を行っている。Figure 1(A)に、水平 入射ビームを配置できない。また、4 台のペイント方向のペイント入射の概要を示す。RCS は、リニ 電磁石の出力バランスが崩れた場合には、閉軌道変アックからの H－ビームを入射点で陽子に荷電変換 動が生じてフィジカルアパーチャが減少する。このため、ペイント電磁石電源に対する高精度の出力調___________________________________________
整が必須である。さらに、ビーム調整の効率化や、
#1.

はじめに

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PASJ2015 THP075となっている。Figure 2 に概要を示す。供用運転時
は、図に紫円で示す 2 つの IGBT を切り離して 2 象限チョッパ回路とし、電磁石に対して 1 方向の電流のみ流れるようにしている。図では省略しているが、C 側、D 側のチョッパアセンブリはそれぞれ 18 並列で構成され、3 並列ごとに共通の IGBT 制御信号が接続させている。詳細は[4]に述べられている。定格出力は 20 kA である。
Figure 3 に、Figure 2 に示した設定電流、設定電圧、出力電流の実際の時間構造（波形）を示す。また、設定電流と出力電流の差（出力電流偏差）を示す。
ペイント電磁石電源では、出力したい電流の時間変化パターンを設定電流として指定する。Figure 3 の設 定 電 流 は 、 入 射 開 始 時 間 Tinj = 0 か ら
1/500の時間変化で減少させている。また、Tinj = 0 付近での電流変化率が電源の許容電圧を超えないように、Tinj = 0 から 88 μs 間は時間に比例した減衰パターンとなっている。
出力電流は、指令電圧値を変換した IGBT 制御信号によってアナログ制御される。この制御信号は、Figure 1: The schematic drawing of the horizontal painting 電流フィードバックと電圧フィードフォワードにinjection process. (A) shows the orbits of the injection and よって生成される。制御回路は、電流フィードバッ
the circulating beam in the horizontal plane. (B) shows the クとして、出力電流が設定電流と一致するように連
phase-space at the injection point of the ring.
続的に指令電圧値を決定し、IGBT 制御信号を生成
新しいペイント時間変化パターンの導入に対応する する。しかし、電流フィードバックの応答時定数はために、調整時間の大幅な短縮化が求められている。 20 μs 程度であるため、今回のように入射時間 500 μs
そこで、ペイント電磁石電源の出力特性を詳細に把 の短い時間で電流値が連続的に大きく変化する場合、握し、自動化可能な高精度出力調整手法の開発を 出力電流の設定電流からの逸脱が生じる。そこで、
電圧フィードフォワードとして、設定電流波形に基行った。
この論文では、最初にペイント電磁石電源の概要 づいて負荷回路全体のインダクタンスと抵抗から求を述べる。次に、電源の出力応答特性の測定と結果 められる電圧（設定電圧）を制御回路に直接投入しについて述べる。最後に、今回開発した出力応答特 ている。
性を用いた高精度出力調整手法について述べる。

2.22.

ペイント電磁石電源の概要

ペイント電磁石電源の出力電流の調整では、電圧フィードフォワードに使用している設定電圧の調整、2.1電源の構成

出力電流の調整手法

ペイント電磁石電源は、スイッチに IGBT を用いた 4 象限チョッパ回路（フルブリッジインバータ）

Figure 2: The schematic diagram of the power supply.

Figure 3: The wave forms of the set and output currents(top), set voltage (center) and the current deviation(bottom).

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最適化を行う。まず、単純な V = Lm(di/dt) + Rmi（Lm,Rm はそれぞれ負荷回路全体のインダクタンスと抵抗）の式より求めた設定電圧を用いて通電し、出力電流を得る。そして、出力電流偏差が 0 となるように設定電圧の一部を変化させる。これを繰り返し行うことで、出力電流偏差を最小化していく。
今までは、出力電流偏差を目視で判断し、手動で設定電圧の調整を行っていた。そのため、調整には1 台当たり数時間かかっていた。また、設定電圧に対する出力電流の正確な応答が把握できておらず、調整精度に限界があった。具体的には、調整精度は±100 A 程度であり、これはリング全周にわたって最大で±5 mm 程度の閉軌道変動を新たに引き起こしていた。

3.

設定電圧に対する出力応答特性の測定

3.1

出力応答特性の測定手法

高精度出力調整に向けて、設定電圧の変化量に対する出力電流の応答を測定した。応答を明確に得るために、測定は定電流の領域で行った。具体的には、
Figure 5: The examples of the output current responses.
Figure 4(a), (b)の青線で示すような、定電流の領域が(a) shows the responses when Δ V is modified. (b)長い波形（台形波形）を設定電圧、出力電流共に基shows
the responses when ΔTV is modified.
準波形として用いた。この基準波形は、出力電流誤差が±100 A 以内に調整されている。この波形に対 効果によりΔI も 0 に収束する。
して、Figure 4(b)の赤線に示すような、ΔV の設定電設定電圧変化による出力電流応答のいくつかの例
圧変化をΔTV の間付加した時の出力電流の応答を測 を Figure 5 に示す。Figure 5(a)のようにΔV を増やす定した。出力電流、設定電圧と基準波形との差分を ことでΔI が増加すること、Figure 5(b)のようにΔTV
Figure 4(c), (d)に示す。ここでΔI, ΔTI は、それぞれ を伸ばすことでΔTI が増加しΔI が増加することが分電流差分のピーク値と、ピーク値に至るまでの時間 かる。加えて、Figure 5(b)より、ΔTV が長くなると、である。ΔV が 0 になると、電流フィードバックの 電流フィードバックの効果によりΔI の増加が抑制されることも分かる。
3.2

出力応答特性の測定結果

ここでは、PB1 に接続されているペイント電磁石電源の測定結果を示す。まず、ΔTV に対するΔTI の応答を Figure 6(a)に示す。また、ΔTV に対する(ΔTI－ΔTV )の応答を Figure 6(b)に示す。(ΔTI －ΔTV )は、ΔV が 0 となってから電流差分がピークを迎えるまでの時間的な遅れである。また、それぞれΔTV

Figure 4: The reference wave form and the parameter
definitions for the measurement of the output currentresponse. The blue lines show the reference wave forms.
The red lines show the modified wave forms. (a), (b),(c), (d) show the output current, set voltage, current
difference and the voltage difference, respectively.

- 1182 -Figure 6: The relations between ΔTI and ΔTV.

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PASJ2015 THP075< 120 μs の領域を直線でフィッティングした結果を 接測定した値を用いていたため、正確ではなかった。
示す。Figure 6(a)より、ΔTI はΔTV に比例して増加 そこで、複数の設定電圧値(V)で出力電流(i)を測定し、している。一方で Figure 6(b)より、ΔTV の増加に比 出力電流の時間微分(di/dt)を算出した。そしてこれ例して(ΔTI －ΔTV )が減少していくことが分かる。 らの結果から得られる連立方程式によって Lm と Rm
これは、ΔTV が長い場合、ΔV が 0 となった時点で を算出した。この測定は、電流フィードバックの効電流フィードバックが直ちに作用するからである。 果をできる限り排除するため、出力電流偏差が少な
このため、Figure 6(a)に示すΔTV に対するΔTI の増 い時間領域で行った。Table 1 に測定結果をまとめる。
加率は 1 ではなく、約 0.75 となっている。また、応 PB-2 と PB-3 の電源、磁石形状は同じであるため、この 2 つの Lm、Rm は近い値になっている。また、答の線形性はΔTV < 120 μs の領域となっている。
次に、ΔV に対するΔI の応答をまとめたものを PB-1 と PB-4 は、磁石形状は同じであるが、電源内Figure 7(a)に示す。この結果、ΔV に対するΔI の応 部の IGBT 並列数が異なっているため、この 2 つの答が線形であることが確認できた。また、ΔTV に対 Lm、Rm は異なっている。
するΔI/ΔV の応答を Figure 7(b)に示す。ΔTV が長Table 1: Inductance and Resistanceい場合には、ΔV が 0 となった時点で電流フィードバックが直ちに作用しΔI が抑制されるため、この
PB No.
Lm (μH)Rm (mΩ)応答は線形でない。しかし、2 次関数でフィッティ
PB-1
6.43
4.63
ングすることで、任意のΔTV でのΔI/ΔV を得ることが可能になった。
PB-2
5.397.48
また、異なる出力値の基準波形を用いた応答測定
PB-3
5.427.29と、基準波形として通常のペイント波形を用いた応答測定を行った。この結果、Figure 7(a)と同様の応
PB-4
5.85
8.24
答が得られた。つまり、今回得た応答は電流波形の形状、出力値にほとんど依存しないことが分かった。
このため、今回得た応答は任意の設定電流波形の調4. 高精度出力調整整に使用できると判断した。
ΔTV に対するΔTI の応答、ΔV に対するΔI の応 4.1 設定電流波形の改良
答測定は、磁石の細かな形状差、電源の個体差を加今回の高精度出力調整において、設定電流波形の味するため、4 台のペイント電磁石電源に対して個 改良も合わせて行った。今までは、Figure 3 に示す別に行った。
ようなビーム入射の直前に 50 μs の一定出力領域を持つ波形を用いており、Tinj = 0 の手前で意図的に設定電流から逸脱させた出力電流調整をしていた。これは、Tinj = 0 にある変曲点での出力電流の逸脱を防ぐためであった。しかし、この逸脱によって生じる電流フィードバックが Tinj = 0 直後に影響を及ぼし、Figure 3 に示すように波打った出力電流偏差を生じさせていることが分かった。そこで、今回の高精度出力調整では、波形の立ち上がり部分と立下り部分を 4 次関数で滑らかにつないだ新しい設定電流波形を用いた。波形形状は、以下の出力調整結果の項で示す。
4.2

Figure 7: The relations between ΔI and ΔV for theseveral ΔTV.
3.3

回路全体のインダクタンスと抵抗の測定

出力調整では、初期の設定電圧として、単純な V= Lm(di/dt) + Rmi の式より求めたものを用いる。そのため、Lm と Rm が正確に把握できていない場合、初期の出力電流偏差が大きくなり調整が困難となる。
ここで必要としている Lm、Rm は、制御回路に付加する設定電圧値に対するものである。今までは、電磁石本体やケーブルといった回路の負荷側のみを直自動出力調整手法の開発

出力調整を高精度に、かつ短時間で行うため、測定した出力応答を用いた自動出力調整手法を開発した。この手法では、2 つの異なった調整手順を組み合わせた。
手順 1 は、出力電流偏差の傾きを連続的に判定し、それを平滑化するものである。まず、時間幅 100 μs分の出力電流偏差のデータ点を直線でフィッティングし、この直線の傾きを出力電流偏差の傾き(ΔI/Δt)とする。データ点の時間ステップが 2 μs であるので、フィッティングも 2 μs ずつずらしながら連続的な傾きの変化を求める。そして、Figure 7 から得られるΔTV = 2 μs の時のΔI/ΔV の値(ΔI/ΔV)2μs を用いて、(ΔI/Δt)×2 μs = (ΔI/ΔV)2μs×ΔV 補正量からΔV 補正量を得る。そしてこれを 2 μs 毎に設定電圧に付- 1183 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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加する。この手順では、設定電圧を滑らかに保った 終的には、閉軌道変動が±1 mm 以下となる、±20 Aまま出力電流を補正することが可能である。しかし、 以下の出力電流偏差を目指す。
この手法のみでは、出力電流偏差に生じる 100 μs 以下の幅の凹凸に対して調整ができない。そのため、以下に示す 2 つ目の手順が必要となる。
手順 2 は、出力電流偏差の凹凸を自動判定してから、平滑化するものである。Figure 8 に概要を示す。
まず、時間幅数 10 μs の出力電流誤差のデータ点を直線でフィッティングする。これは手順 1 と同様に、2 μs ずつずらしながら全時間領域で行う。そして、フィッティングした直線の傾きの符号が変化した地点を凹凸として判定する。また、平坦区間も判定する。次に、この凹凸をそれぞれ傾き Δ I/Δ TI の直角三角形として近似する。そして、ΔTI に対応するΔTV と、ΔI に対応するΔV を出力応答から求め、設定電圧に付加する。この手順により、設定電圧に凹凸が生じてしまうものの、出力電流偏差に生じる数10 μs 幅の細かい凹凸に対して調整が可能である。
高精度調整では、まず手順 1 による出力電流補正を複数回繰り返し、その後手順 2 を繰り返すことによって出力電流偏差を最小化した。
Figure 9: The results of the current adjustment. The bluelines show the previous pattern and the adjustment
result. The green lines show the developed pattern andthe adjustment result.

5.

まとめRCS におけるペイント入射の高精度化や多重入射中の閉軌道変動の抑制のために、ペイント電磁石電源の高精度出力調整手法の開発を行った。主に設定電圧値によって制御される電磁石電源において、設定電圧値に対する出力応答を測定した。また、設定電流波形の改良、制御系を含めた回路全体のインダクタンス、抵抗の測定も合わせて行った。これらのFigure 8: The correction method. (a) shows the
測定結果を用いた自動出力調整手法を考案し、実証
automatic peak search result. (b) shows the calculated試験を行った。その結果、今まで±100 A 程度あっadditional voltage.
た出力電流偏差を±50 A 以下に抑制することに成功し、高精度出力調整手法を確立できた。また、今ま4.4 出力調整結果で数時間かかっていた調整時間も 30 分以下に抑制できた。これにより、新しいペイント入射の時間変化
Figure 9 に、今回開発した手法を用いて行った PB1用電源の高精度出力調整の結果を緑色で示す。また、 パターンを短時間で精度よく作成することも可能に以前の出力調整後の波形も青色で示す。調整では、 なった
今後は、調整手順のさらなる自動化によって調整
今回新たに測定した Lm と Rm から算出された設定電時間を10 分程度まで短縮し、秋以降のビーム調整試圧を初期値として用いて、前項で述べた手順 1 を 10験から本手法を運用することを目指す。また、様々回、手順 2 を 7 回繰り返した。Figure 9 に示す通り、新しい設定電流波形の採用によって、波形の立ち上 な出力において電荷密度を均一化するために、出力がり段階から連続して出力電流偏差を抑制できた。 に応じた新しいペイント入射の時間変化パターンの結果として、出力電流偏差を±50 A 以下に調整する 考案、検証を行っていく。
ことが出来た。また、調整にかかった時間は 30 分以
参考文献下であった。
出力電流偏差を±50 A より追い込めなかった原因 [1] Accelerator Technical Design Report for High-Intensity
Proton Accelerator Facility Project, JAERI Report No.
は、電磁石電源の 1 サイクル毎の出力のふらつきがJAERI-Tech 2033-004 and KEK Report No. 2002-13.
±50 A 程度あるからである。そこで現在、予備電源[2] H. Hotchi, the text of the high-energy accelerator seminarを用いた、ふらつきの抑制試験が行われている。ま(OHO’2010) (2010).
た、出力電流偏差を数 10 サイクルの平均値として速 [3] H. Harada, KEK Report No. 2009-7.
やかに取得するための制御系の構築をしている。最 [4] T. Takayanagi, et al., “高精度大電流パルス励磁電源の開発”, 電気学会, 電学論 D, 127 巻 8 号 (2007).

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