Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP048

J-PARC クライストロン高圧電源の改修
IMPROVEMENT OF J-PARC KLYSTRON HIGH VOLTAGE POWER SUPPLY千代悦司#, A), 川村真人 A), 佐川隆 B), 小川真一 C)
Etsuji Chishiro #, A), Masato KawamuraA), Ryu SagawaB), Shinichi OgawaC)A) J-PARC center (JAEA/KEK), 2-4 Shirakata Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki, 319-1195
B) Universal Engineering, 1318-105 Senba-cho, Mito-shi, Ibaraki, 310-0851
C) Hitachi, Ltd. 5-2-1 Ohmika-Cho, Hitachi-shi, Ibaraki, 319-1293”

Abstract

In J-PARC linac, six units of high voltage power supplies for 324MHz klystrons have operated since 2006, and thoserunning time exceed 35,000 hours. In addition, six units of power supplies for the 972MHz klystrons have been operation
since 2013. In the power supply, various troubles occur under the operation. In some anode modulators, arc discharge inthe transformer oil had occurred due to the deterioration of the auxiliary solid insulator. In three modules combining a
step-up transformer and a rectifier, the high voltage diode was breakdown because an unexpected overvoltage was applied.
And by improving the voltage dividing resistor of the module, high stability cathode voltage was achieved. In this report,
we describe the trouble and the improvement that occurred in the equipment.
動作[1]により MTBF が高くならなかった。この改修
1. はじめには、クライストロンの短絡検出器であるクローバ盤
J-PARC リニアックのクライストロン直流高圧電 内の CT の抵抗器の種類を金属皮膜抵抗器からセラ源は、2006 年より 324MHz 高周波源用の電源 6 台が ミック抵抗器に変更することにより不要動作がなく運転を開始し、現在までに 35,000 時間以上稼働して なり Run#8 以降、しばらくの間 MBTF は良くなった。
Run#15 (2008 年) と Run＃24,25 (2009 年) の極端にいる。また、2013 年より 972MHz 用電源が稼働し、短い
MTBF は、アノード変調器の油中放電に起因し合計 12 台の高圧電源か稼働している。本電源は、降ている。初期タイプの変調器は絶縁油中で耐電圧を圧変圧器で 6.6kV から 600V に変換した交流電圧を電圧調整盤のサイリスタにて位相制御し、この電圧 向上させるためテフロンや FRP を用いていたが、運を直接、変圧整流器にて昇圧・整流し、110kV の直 転時間が 5,000 時間を超える頃から固体絶縁体が放[2]流高電圧を発生している。リニアックで用いられる 電により炭化し、著しい耐圧劣化が発生した 。ま
2 種類のクライストロン(型番：E3740A、E3766A)は、 た、油中の最小の絶縁離隔距離も機器ごとに異なり、それぞれアノード電極を有しており、アノード変調 距離確保が徹底していなかった。そこで、放電対策器により直流電圧をパルス状に分圧することにより として絶縁油だけで絶縁が保てるよう 70 ㎜以上の離700μs、25Hz のパルス運転を行っている。これまで 隔距離もつ配置となるよう内部フレームを作り直し、の運転により本電源には、種々のトラブルが発生し また、電界強度の高い電極には緩衝用のリングを取た。変調器では、絶縁離隔距離の不足で絶縁体が劣 付けて変調器を 20 式分、2011 年までに改修を行っ化し、油中放電が発生した。変圧整流器では、高圧 た。
Run#31 からの 324MHz 用高圧電源のフォルトの主ダイオードの破損や直流高電圧が安定しない事象がな原因は、クライストロンの電子銃部でのアノード生じていた。電圧調整盤では、サイリスタの誤点弧により変圧器の鉄心が飽和する偏磁事象が生じた。 とボディ(A・B) 間の放電による制御機器の誤動作
本報告では、これら変調器や電圧調整盤、変圧整流 である。この部分で放電が発生するとアノード電位器で発生したトラブルやその改修について報告する。 が急激に接地電位になり、カソードから di/dt の高いビーム電流が引き出される。この時のリターン電流のノイズにより NIM モジュール等の制御機器が誤動2. クライストロン電源のフォルト頻度作を発生し、電源が停止していた。改修方法として、
図 1 は、クライストロン電源がインターロック動 NIM モジュール回路内にフェライトやコンデンサー作によりフォルトし、ビーム供用が停止する平均故 を挿入するノイズ対策を施すことにより誤動作の発障間隔(MTBF)を示す。横軸の Run ナンバは、供用の 生頻度を低下させた[3]。
ための連続運転の Run 番号を示し、1 ラン当りの連Run#54, 55 の 20 時間を下回る短い MTBF は、クラ続運転時間は、初期の頃の 250 時間程度、その後 イストロンの電子銃部での A・B 間の放電に起因す徐々に長くなり、最近の Run では 1,000 時間を超え る。上記の制御機器の誤動作を引き起こす放電は、る場合もある。また、Run#50 からは、972MHz クラ アノード電圧は、放電後、数十µs でカソード電位まイストロン用の高圧電源か稼働している。
で復帰するが、この Run でのクライストロンは、ア324MHz 電源の運転初期には、クローバ盤の不要 ノード電圧が復帰せず A・B 間の放電が長時間、持#etsuji.chishiro@j-parc.jp- 1091 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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5.5kΩから 5.3kΩに抵抗値が回復している。クローバ動作後の抵抗値の回復も、動作時の接地電位の上昇により抵抗器に電流が流れ、抵抗値が回復されたと推測される。抵抗器の改修は、まず 972MHz 用電源で実施され、低圧側の抵抗 器 を精 密 抵抗 器(1/2W、 温度係数-2.8ppm/℃)に交換した。
その結果、6 か月間にわたる運転でのカソード電圧の変動は、設定値の±0.2％となり、安定なカソード電圧での運転を達成した。324MHz 用電源
も今年夏季メンテナンス時に改修する予定である。
Figure 1: Mean time between failures of klystron power supply.

4.
変圧整流器ダイオードスタックの破壊続するようになった。このため、予備のクライストロンと交換し電源停止回数の提言を図った。
2012 年 3 月に変圧整流器 1 号機(運転時間 28,400972MHz 用高圧電源は Run#50 より稼動しているが、時間)、2013 年 12 月に同 2 号機(30,200 時間)、2014
電圧調整盤の放電の影響により VCB が誤動作し、
年 6 月に同 5 号機(36,000 時間)のダイオードスタック
MTBF が 50 時間を下回る RUN が多い。電圧調整盤が破損した。破損個所はダイオード素子と並列に接で放電が発生している個所の電位は固定されておら続されているセラミックコンデンサーである。コンず浮遊電位となっていたが、これを高抵抗で接地すデンサーに耐電圧を超える過電圧が印加されたためることにより放電が抑制されることが判明した。
沿面部で絶縁破壊(短絡)が発生した[5]。図 3 は、変圧整流器の回路図を示す。変圧整流器は、サイリスタ
3. カソード電圧の安定化で位相制御された 6 相の交流を変圧器(600V/54ｋV、運転当初の高圧電源 1,2 号機のカソード電圧は不 500kVA x 2 台)で昇圧し、2 段の全波整流器を直列に安定であり、3~4%程度まで緩やかにカソード電圧が 接続することで直流 110kV を発生している。図 3 中低下したり、クローバ動作後、急激に元の電圧に回 に示される 1 個のダイオードの構成は、6 段のダイ復するなど、その都度、カソード電圧設定値を調整 オードモジュールがスタックされ、1 モジュールあする必要があった [4]。原因は、電圧フィードバック たり 11 個のダイオードとこれと並列に接続された 11回路中に使用していた分圧抵抗器の低圧側の抵抗器 個のコンデンサーから構成される。の抵抗値が変動していたためであり、高圧用の抵抗
図 4 はダイオードスタック中のコンデンサーが短器を 4V 程度の電圧で使用していたため、抵抗素体と電極キャップとの接続部に絶縁膜が生じ抵抗値が変動したと考えられる。図 2 は、この高圧抵抗器に交流電圧を印加した時の抵抗値の変動を示す。
公称値 5kΩの抵抗器に電圧を印加することにより

Figure 3: Circuit diagram of the module combining
step-up transformer and rectifier.
Figure 2: Change in the resistance of the divider.

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U相P側
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

V相P側
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

W相P側
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

季メンテナンス時に取り付ける予定である。

15.

23324MHz クライストロンにおいて、運転時間が20,000 時間を超える頃から A・B 間の放電が頻発になり 30,000 時間を超えると、アノードからボディへの放電電流がミリ秒オーダで持続するようになった。
このような放電を持続する管は、一度放電が発生すると数時間間隔で放電を頻発するため予備のクライストロンとの交換を行った。これまでにこの放電のため交換したクライストロンは、3 管であり、それぞ れ の 運 転 時 間 は 、 30,000 時 間 、 33,000 時 間 、35,000 時間であった。現在、36,000 時間を超えて運転している管が 15 本あり、これらの管もいずれ耐圧劣化により交換を行う必要がある。現在、これら耐圧劣化したクライストロンを再生するため電子銃の交換などを行うことを計画している。

4給電線

5612345612345給電線

クライストロンの耐電圧劣化

66.

123456U相N側

V相N側

W相N側

Figure 4: Distribution of the breakdown capacitor in thehigh voltage diode stack.
絡した個所を示す。短絡は P 側のスタックの W 相下段で発生した。コンデンサーに過電圧が印加されるメカニズムはまだ解明されていないがまた、コンデンサーは、変圧器からの給電線側から故障しているため、変圧器側からのサージや図 5 に示す歪んだ入力波形に含まれる高周波成分による共振が過電圧発生の原因であると推測している。変圧整流器の改修として、変圧器の 1 次側にサージアブソーバを本夏

まとめ324MHz 用高圧電源は、運転当初において、電気素子の選定ミスや接続ミスなどでフォルトが多発していたが、バグフィックスすることにより次第にフォルト頻度が低下した。2008～2009 年は、アノード変調器内の放電により MTBF が低下する RUN があったが、改修以降、変調器に起因するフォルトは大幅に低下した。2012 以降はクライストロン電子銃内の A・B 間の放電に起因するフォルトが MTBF 低下の主因になっており、最近では A・B 間の耐電圧が劣化したクライストロンも現れ、予備管と交換するようになった。972MHz 用高圧電源は、電圧調整盤の盤内放電による VCB の誤動作により MTBF が低下しており、夏季メンテナンス時に放電防止対策を施す計画である。両電源の MTBF は、まだ低く JPARC 稼働率低下の主な要因となっているため更なる改修が必要である。

参考文献

Figure 5: Primary voltage waveform of step-up
transformer.

[1] 川 村 他 、 Proc. of 4th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan and the 32nd Linear
Accelerator Meeting in Japan (2007) pp501-503.
http://www.pasj.jp/ web_publish/pasj4_lam32/PASJ4-LAM
32%20(D)/contents/PDF/TP/TP26.pdf[2] 千 代 他 、 Proc. of 9th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan (2012) pp1224-1226.
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj9/proceedings/PDF/TH
PS/THPS105.pdf[3] 堀他 、 Proc. of 10th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan (2013) pp1001-1003.
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj10/proceedings/PDF/S
UP0/SUP053.pdf[4] 川 村 他 、 Proc. of 6th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan (2009) pp1001-1003.
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj6/papers/fpaca46.pdf[5] 川 村 他 、 Proc. of 9th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan (2012) pp1001-1003.
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj9/proceedings/PDF/TH
PS/THPS110.pdf- 1093 -