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)

STATUS OF LINAC AND LIGHT SOURCES OF LEBRAAT NIHON UNIVERSITY
Toshinari Tanaka 1 ,A), Isamu SatoA), Ken HayakawaA), Yasushi HayakawaA), Takao KuwadaA), Takeshi SakaiA),
Keisuke NakaoA), Yumiko TakahashiA), Kyoko NogamiA), Manabu InagakiA), Naoki SatoA), Hiroshi OkabeA),
Masato IshiiA), Atsushi EnomotoB), Shigeki FukudaB), Satoshi OhsawaB), Kazuro FurukawaB), Shinichiro MichizonoB)
A)
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
B)
Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
The electron beam from the 125 MeV linac at LEBRA in Nihon University has been provided for generation of theinfrared free electron laser (FEL) and the parametric X-ray radiation (PXR). The beam time for the users’ experiments
exceeded 1700 hr in 2007. In June 2008, the klystron #1 (PV-3030A1) was damaged by the dielectric breakdown along
the outer surface of the gun insulator. Then, the users’ experiments resumed after 1-month aging of a newly installed
PV-3040N klystron.

日本大学LEBRA電子リニアックと光源の現状
１．はじめに1

LV ON450

日 本 大 学 電 子 線 利 用 研 究 施 設 （ LEBRA ） の125MeV電子線形加速器とそれを用いた近赤外自由電 子 レ ー ザ ー （ FEL ） と パ ラ メ ト リ ッ ク X 線（PXR）の学内共同利用を開始して以来、順調に利用時間が増加し、前年度と同様2007年度の年間加速器稼働時間はクライストロン高圧印加にして約2100時間となった[1]。電子ビーム加速時間では1700時間以上となり、その多くはFELとPXRを用いた利用研究に割り当てられている。現在LEBRAにおいては
近赤外FELは1.3～6μm、PXRは5～20keVの範囲で利用可能である。さらに非線形結晶を用いてFELの高調波を発生させることにより、可視～紫外領域への利用範囲の拡張も開始され、高調波の強度向上の研究がなされている [2]。またPXR強度の向上やコヒーレンス特性の検証などの研究も進められている[3]。
2007年度においても加速器冷却系の改善による加速ビームと光源の安定化が進められた。まず、前年度の試験に基づき、PXR発生装置の冷却水を配管経路の改善により低水圧系に変更した結果、ウオーターハンマー現象によるSiターゲットの振動が除去され、X線強度の変動が抑制された。また、クライストロン冷却系に用いている粗温調冷却装置の温度制御精度の向上により、クライストロン出力RF位相の安定化を図った。
一方、機器の老朽化や劣化に伴い幾つかの新たなトラブルが発生しており、本報告において加速器運転状況の詳細とともに述べる。

KLY#1HV ON

BEAM ON

400350Time (hr)300250200150
100502008/07

2008/06

2008/05

2008/04

2008/03

2008/02

2008/01

2007/12

2007/11

2007/10

2007/09

2007/080

図1．最近1年間のクライストロン1号機動作時間とビーム加速時間の推移。各月の左から、LV
ON：クライストロンヒーター通電時間、HV
ON ： ク ラ イ ス ト ロ ン 高 圧 印 加 時 間 、 BEAM
ON：ビーム加速時間、を示す。

２．加速器運転時間
電子線形加速器には2856MHzのクライストロンが2台使われている。動作条件は、それぞれピーク出力RF電力20MW、パルス幅20μs、繰り返しはほとん
どの利用において2Hzである。共同利用においては電子ビームエネルギー70～100MeVでの利用がほとんどを占めており、特にPXR利用では100MeVのみである。ビームエネルギーの調整は2台のクライス
トロン間のRF位相調整の他、2号機からRFを供給す

E-mail: tanaka@lebra.nihon-u.ac.jp-46-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)

る4m加速管2本の間のRF位相調整により行っており、通常は加速エネルギーに依らずクライストロンの出力は変更しない。
図1にこの1年間におけるクライストロン1号機の動作時間とビーム加速時間の推移を示す。2号機の動作状況は基本的に1号機とほぼ同じである。ただし、2008年7月については、後述するように1号機が故障したため、交換したクライストロンのエージングを長時間行ったので動作状況が異なる。2007年度
1年間でのビーム加速は1769時間、高圧印加時間は2096時間、クライストロンヒーター通電時間は2225時間、また運転日数は188日間である。
電子ビームの供給先はほぼ週単位で切り替えているが、利用時間では概ねFELラインに40％、PXRラインに60％の割合で推移している。これは1回当たりPXR利用実験に要する時間が長いことによる。

３．繰り返し発生するトラブルと対策
日常的な加速器運転中あるいは停止中に繰り返されているトラブルとして、以下のような現象が発生
図2．クライストロン1号機電子銃碍子の放電痕している。の写真。右側に上下の電極間を結ぶ割れ目のよ(1)クライストロンアセンブリタンク内放電
うな黒い筋が走って見える。
(2)SF6加圧導波管内放電
写真のように電子銃碍子に沿って電極間に黒い割れ(3)クライストロン出力窓放電(4)100kV電子銃内部放電
目のような筋状の放電痕が残った。このクライスト(5)導波管排気用イオンポンプ電源遮断
ロンはKEKで使用後に移設し、2000年4月以来8年間(6)FEL光ライン排気用イオンポンプ電源遮断使ってきた1989年三菱電機製PV-3030A1である。こ(1)～(4)はビーム加速中に発生しビームの欠落やの沿面放電は、長期にわたりパルストランスとヒー電流変動を招くため、利用実験のデータに直接影響
タートランスで起きていた放電で絶縁オイルが劣化するので頻発すると実験に支障がある。特に(3)にし、絶縁碍子表面に大量に付着した炭化物による耐おいて、真空インターロックによりクライストロン圧低下が原因と考えられる。以後、クライストロン電源遮断が発生する大きな放電では、ビーム回復まに高圧がかからない状態となったため更新することでに数10分のRFエージングを要する場合がある。
この対策はクライストロンのエージング以外にない。 にした。取り外した後に汚れを拭き落とし確認した
ところ、碍子自体は割れておらず、黒い筋状の部分
クライストロンのパルストランスは、巻き線の線材は図3のように表面が荒れ、上下の電極と接触してを太くし表面電界を弱くした最新型では放電痕が見いる部分の碍子に欠損を生じていた。
られなくなった。一方、ヒータートランスも巻き線形状・線材を変更したが、まだ放電が発生している。
100kV電子銃も電極寸法の変更など改良を行っているが、まだ解決していない。入射部RF系の一部に使われているSF6 加圧導波管は今後真空仕様に更新する予定である。これらのトラブルは数時間に1回またはそれ以上の頻度で発生している。
FEL光ラインの大部分は真空ダクトのフランジにO－リングを使っており、休日にイオンポンプ電源遮断が発生すると長時間気付かずに放置されるため真空度の悪化が深刻である。イオンポンプ電源の遮断は突発的なガス出しが原因と考え、一部のイオンポンプについてはエレメントを交換し解決したが、他は電源自体のトラブルによる遮断の可能性がある。
発生頻度は数ヶ月に1回程度である。
図3．放電によるクライストロン電子銃碍子の欠損の様子。セラミックス表面に付いた筋状の汚れを拭き取ると、筋に沿って荒れた部分が露出した。

４．クライストロンの更新
2008年6月にクライストロン1号機アセンブリタン
クで大音響を伴う放電が発生した。このとき図2の-47-

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)

数℃変動すると粗温調装置で変動を十分吸収できず、結果としてクライストロン冷却水の温度が追随して±0.2℃程度変動し、出力RFの位相が±0.1°程度変動する原因となっていた。クライストロン出力RFの位相はフィードバックにより変動が補正されているため、冷却水温度変動は現状で大きな問題ではないが、フィードバック無しでも変動が小さければより高い安定度が期待できる。そこで粗温調冷却装置の 冷 却 水 を 冷 却 塔 で は な く 、 冷 凍 機 か ら の 25 ±0.1℃という安定度の高い冷水に切り替える改良を行った。これにより、現状ではクライストロン冷却
水温度安定度は熱交換器通過後で30±0.05℃程度に改善されている[5]。
粗温調冷却装置の冷却水循環系を変更した後、粗温調冷却装置の劣化により熱交換器で一次側と二次側の水系統の間に漏水が発生していることが分かった。この問題は運転中の粗温調冷却系純水の減少として現れており、現在対策を進めている。
また現状の粗温調装置でもクライストロンからリザーバータンクに戻している冷却水の温度安定度は、リザーバータンク出口で±0.01℃と非常に良いため、精密温調装置の場合と同様にリザーバータンク出口からクライストロンに冷却水を送出するよう配管を変更することでさらに高い安定度の実現を検討中である。

交換した新しいクライストロンは三菱電機のPV3030A3を修理・改良しピーク42MW（平均8.4kW）までのRF出力試験データがあるLEBRA用の改良型
クライストロンPV-3040Nである。製作から既に6年を経過していたためエージングを慎重に行い、ダイオード状態では繰り返し2～10Hzで125時間、その後RF出力状態では168時間をかけて、パルス幅20μs、繰り返し2Hz、ピーク20MWの出力でほぼ安定に動作する状態に到達した。クライストロンの故障により1ヶ月間共同利用が停止したが、これによりようやく再開した。
クライストロン交換の際、集束コイル下部の内側からコイル冷却水の漏水が見つかった。予備のコイルを用意してあったので同時に交換した。
さらに、この機会に1号機のパルストランスを改良型に更新したが、2003年6月に2号機で採用した改良型パルストランスでは、現在も目立った放電痕を生ぜず良好な状態であることから、残るヒータートランスの放電対策が今後の課題である [4]。

５．冷却系の改良
加速管及び電磁石系冷却用の精密温調冷却装置は2007年春の改良により30±0.01℃の温度安定度を達成した。このとき明らかになっていた問題として、高圧冷却水で冷却していたPXR発生用Si標的結晶がウオーターハンマー現象により振動を起こしX線強度が±10％程度変動していたこと、またFELビームライン使用時に冷却水の放射化が顕著であり、放射線管理上無視できないこと、があった。
PXR標的結晶の振動の問題は、精密温調装置のリザーバータンク出口からPXR用に分岐を設け、ポンプを追加しPXRから戻った水を直接リザーバータンクに戻す配管を行い対応した。これにより水圧の低圧化が図られ、他の系統で発生したウオーターハンマーの影響を受けないため、X線強度変動を数％以下に抑えることが出来た。また、FELビームライン使用時の冷却水の顕著な放射化については、電磁石真空チェンバー冷却系とスリット冷却系で強く発生していることが確かめられた。純水を循環させているため、ここで発生する放射性核種は半減期2分の15Oのみを考慮すれば良いので、この系統を冷却している流量1l/min程度の冷却水を、戻りの際に一旦容積20lの密閉容器内を通過させその間に放射線レベルを下げた後に戻す対策を行った。この結果、モジュレーター室内の精密温調装置に戻る冷却水配管表面での放射線レベルは、自然放射線レベル近くまで下がった。
その後、クライストロン冷却用粗温調冷却装置の古い温度制御回路を最新のものに更新した。また、
粗温調冷却装置は熱除去に冷却塔からの冷却水を用いており、この冷却水温度が精密温調用冷凍機のON/OFFや冷却塔ファンのON/OFFにより短時間で６．まとめ
LEBRAの近赤外FELとPXRを利用した学内共同利用は、FEL共振器ミラーとPXR標的結晶の強度の問題はあるものの順調に進められている。しかし、クライストロンの長パルス運転を実現して以来、8年間利用したPV-3030A1が故障した結果、クライスト
ロンの予備が底をついたため今後の運用に不安がある。アセンブリタンク内では主にヒータートランスの放電が絶縁オイルの劣化と汚れを招き、電子銃碍子が汚れ耐圧が低下したことが今回の大放電の原因と考えられる。従って、クライストロンを長持ちさせるためにはタンク内の放電を抑える対策ととともに、随時碍子表面の汚れを除くことが重要である。
加速器全体の動作安定度は冷却系の改良・更新によりこの数年間で大きく改善された。室温の安定化対策も含めてさらに安定度の改善を検討中である。

参考文献[1] T.Tanaka et al., Proceedings of the 4th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan and the 32nd Linear
Accelerator Meeting in Japan (Aug. 1-3, 2007, Wako) 22.
[2] K.Hayakawa et al., Proceedings of this meeting.
[3] Y.Hayakawa et al., Proceedings of this meeting.
[4] T.Tanaka et al., Proceedings of the 2nd Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan and the 30th LinearAccelerator Meeting in Japan (Jul. 20-22, 2005, Tosu) 28.
[5] T.Sakai et al., Proceedings of this meeting.

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