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)

HIGH VOLTAGE PULSE TRANSFORMER FOR XFEL/SPring-8 USING
6.5% SILICON DOPED IRON CORE,A)

Katsutoshi Shirasawa1

B), Noriaki Umemura , Kazuyoshi Iwamoto

Chikara Kondo

A),Tatsuyuki SakuraiA)B), Takahiro Inagaki, Tsumoru Shintake

A)

,A)

A)

SPring-8 Joint-Project for XFEL/RIKEN, 1-1-1, Kouto, Sayo, Hyogo, 679-5148

B)

RISHO KOGYO CO., LTD., 4-2-37, Minami-Tsukaguchi, Amagasaki, Hyogo, 661-0012

Abstract
We have developed a new pulse transformer for the XFEL/SPring-8 klystron pulse modulator. The pulse transformer
is required to generate -350 kV, 310 A, 2.5 μs flat top pulse to drive a C-band 50 MW klystron. We have adapted 6.5%
silicon steel as the core, because this high-silicon steel have low core loss and low magnetostriction properties. The
epoxy molded winding was developed by RISHO KOGYO CO., LTD. The winding has better mechanical strength andelectrical properties than conventional one. In this paper, we report the result of the high voltage test and the pulse timeresponse measurement.

XFEL/SPring-8用6.5%ケイ素鋼板を使用したエポキシ含浸型パルストランスの開発
１．序論
２．設計パラメータ

現在建設中のXFEL/SPring-8線型加速器では，主今回製作したパルストランスの主要なパラメータ
加速器の大電力RF源としてCバンド50 MWクライストを表１に示す。
ロンを使用する[1]。今回開発したパルストランス
は，このクライストロンを動作させるためのもので-22.0 kV, 5080 A,あり，主なパラメータは，昇圧比1:16，パルス幅
Primary Pulse
4.7 μs
4.7 μs(フラットトップ2.5 μs)，2次電圧-350 kV,
1 : 162次電流310 Aである。
Step up ratio(n1:n2= 7 : 112)
このパルストランスは，従来のクライストロン用SecondaryOutput
パルストランス[2]とは異なる特徴を２つ持ってい-350 kV, 310 A, 1.1 kΩPulse
る。1つ目は鉄心である。構造自体は一般的なカッPrimary Load
トコアであるが，材料として6.5%ケイ素鋼板を使用
1.1 kΩ/162 = 4.3 Ω
Impedance
した。通常用いられる方向性ケイ素鋼板(ケイ素含Effective Core
有率3%程度)よりも磁歪が小さく，高周波特性が良0.92×128.25 = 118 cm2
Sectional Area
いという特徴を持っている。磁歪は，振動や騒音のMean Magnetic Path原因となる。我々が開発しているクライストロン用
1.29 mLength
パルス電源[3]では，PFN，サイラトロン，パルスト
ランスなど全てのコンポーネントが，絶縁油を満たAssumed Effective
1000した同じ筐体内に収められる。そのため，磁歪を抑Permeability
えなければ，鉄心の振動による衝撃波が絶縁油を伝Flux Swing
1.27 Tわり，サイラトロンカソードなど振動に弱い部品を劣化させる可能性がある。2つ目は巻線である。1次， Primary Inductance
560 μH
2次巻線共にエポキシ樹脂で真空含浸されており衝Leakage Inductance
2.5 μH
撃に強く，耐電圧も向上している。この巻線は利昌工業株式会社が持つ独自の金型真空含浸技術を用いPulse Droop
1.8 %て製作された。完成したパルストランスについて，パルスレスポンスとクライストロンを負荷とした高表１，パルストランスの設計パラメータ電圧試験を行った。
インダクタンス等は実効透磁率を1000と仮定して1E-mail: kshira@spring8.or.jp-559-

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)計算を行った。フラックススイングはスーパーコアのB25 値1.4 T以下となるように，鉄芯の断面積に余裕を持たせて設計した。２次巻線は，従来のパルストランスと同じくリーケージインダクタンスを小さくするため，テーパーがついている。図１にパルス電源タンク内に設置したパルストランスの写真を示す。運転時にはタンク内は絶縁油で満たされる。

Cバンド50 MW
クライストロン

有率6.5%の無方向性電磁鋼板10JNEX900を採用し，カットコアに加工して鉄芯とした。厚さは100 μmである。
３．２ 金型真空含浸技術[5]利昌工業株式会社の製作するモールド変圧器は１次コイル，２次コイル共にガラス繊維で補強され，低粘度エポキシ樹脂による金型方式真空含浸法で製造されている。特徴としては耐水性，電気的・機械的特性に優れていることが挙げられる。この技術で巻線を製作することにより，特に高電圧が発生する２次巻線の破損を防ぎ，信頼性の高いパルストランスを製造することが狙いである。
図１に示したパルストランスの写真で，巻線部が赤いのは着色されたエポキシ樹脂の色であり，巻線を強固に固定している。

４．動作試験
高さ563 mm

４．１LCRメータ(NF回路ブロックZ2353)を用いて測定したパラメータを表２に示す。Leakage Inductanceは，
ほ ぼ 設 計 値 と 同 じ 値 に な っ た が ， Primary
Inductanceは設計値の約半分の値が得られた。LCRメータが内蔵している電源容量は小さいので，測定時の磁場が小さい。したがって，透磁率が計算で使用している値よりも小さく，初透磁率範囲で測定を行っている為だと考えられる。

パルストランス

幅525 mm

図１，一体型モジュレータに設置されたパルストランス。

３．特徴

LCRメータによる測定

C バンド 50 MW
クライストロンPrimary Inductance

290 μH

Leakage Inductance

3 μH

Capacitance(Primary-GND)

260 pF

Capacitance(Primary-Secondary)

160 pF本パルストランスの特徴である6.5%ケイ素鋼板と，巻線に採用した金型真空含浸技術について説明する。 表２，LCRメータで測定したパルストランスのパラメータ。
３．１ 6.5%ケイ素鋼板(JFEスーパーコア)[4]
従来のケイ素鋼板は，最高3.5%のケイ素が添加されており。このSi量を増やすと磁気特性が向上し，6.5%で最高になる。この高いケイ素含有率を実現しているJFEスーパーコアの特徴は，
 低鉄損
 低磁歪
 高透磁率 無方向性である。
今回はJFEスチール株式会社が製造しているSi含４．２ パルス応答
出力される波形について調べるため，小型のパルス電源を使用してパルス応答を測定した。測定時の機器構成を図２に示す。負荷などの条件は，実際にクライストロンを運転する状態を模擬した。得られた波形を図３に示す。立ち上り時間(10%-90%)0.8μs，サグ1.6 %/μsであった。ともにフラットトッ
プ2.5 μsを得るのに問題ない値が得られた。

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図２，パルス応答測定時の構成。パルスジェネ
レータの出力インピーダンスは50 Ω。1.3 kΩの抵抗はクライストロン(1.1KΩ)を模したものである。

図４，クライストロンを負荷とした時の電圧波形。電圧が-350 kVのときクライストロン出力は50 MWとなる。フラットトップ部のリンギン
グはPFNが未調整のため。

参考文献

図３，パルス幅5 μsの矩形波に対する出力波形。立ち上り時間(10%-90%)は0.8 μs,サグは1.6 %/μsであった。

他,“XFEL/SPring-8 Cバンド主加速器の開発状況”，本研究会ポスター発表[1] 稲垣隆宏[2] 例えば, R. B. Neal et al., “THE STANFORD TWO-MILE
ACCELERATOR”
４．３ 高電圧試験[3] 近藤力 他,“XFEL/SPring-8 向けクライストロン用パルス電源の開発”，本研究会ポスター発表
一体型モジュレータにパルストランスを組み込み，[4]JFEス
チール株
式会社
電 磁 鋼 板 http://www.jfe50 MWクライストロンを負荷として運転を行った。
steel.co.jp/products/denji/index.html
得られた電圧波形を図４に示す。電圧はCVD, 電流[5] 利昌工業株式会社 http://www.risho.co.jp/

はCTで測定した。電圧が飽和することもなく-350kV，310 A, 繰り返し60 ppsで運転することができた。この結果より，鉄芯の磁束がまだ飽和しておらず，設計にはまだ余裕があることが分かる。なお，今回の試験ではコアバイアス回路を削除して高電圧運転を行っている。フラットトップ部はサグもなく仕様値である2.5 μsを満たしているが，リンギングが大きい。この理由はPFNが未調整であるためであり，今後改善する予定である。

５．まとめ
低磁歪・低鉄損材料である6.5%ケイ素鋼板(JFEスーパーコア) を用いたパルストランスを製作した。
巻線は機械的強度，電気的特性を向上させるため1次，2次共にエポキシ樹脂で金型真空含浸したものを使用した。Cバンド50 MWクライストロンを負荷として，定格電圧-350 kV, 電流310 A，繰り返し60ppsで問題なく運転できた。XFEL/SPring-8の主加速部クライストロン電源にはこのパルストランスが採用される。
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