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

PASJ2014-MOOL06

SACLA における大電力 RF 機器の高繰り返し化
DEVELOPMENT OF A HIGH REPETITION RF SOURCE IN SACLA近藤 力#, A), 稲垣 隆宏 A), 櫻井 辰幸 A)、惠郷 博文 B)、大島 隆 A)、大竹 雄次 A),
Chikara Kondo#, A), Takahiro InagakiA), Tatsuyuki Sakurai A), Hiroyasu Ego B), Takashi Oshima A),Yuji OtakeA)
A)
RIKEN SPring-8 CenterB)
JASRI

Abstract

In SPring-8 Aungstrom Compact LAser (SACLA), to meet an increase of the number of experiments in the future,
we have been considered a developmet plan of a high-repetion linac. As a part of the plan, we have developed a highpower rf system with a 120 pps repetition rate. For the high repetition system, we newly developed a PFN charger, amodulator, a klystron, and an accelerating structure. The PFN charger was required not only the high stability of acharging voltage, but also short settling time, because the interval between the RF pulses decreases by half from thepresent 60 pps. To realize the fast stabilization, we introduce a digital control for the mode switching between coarse
charging and precise charging, and also introduced a pulse width modulation in a feedback control system for thecharging. In the modulator, we developed a highly efficient heat exchanger to suppressed the temperature increase of
insulation oil filled in the modulator tank. This development of the heat exchanger is to meet increase from 60 pps to120 pps. Aa a result, the oil temperature was suppressed under 48 dgree Celsius at 120 pps operatition. We also
develped a disk-load type C-band accelerating structure. A high accelartor gradiant of 50 MV/m, with a 120 pps
repetition rate are realized in the strucuture. We succeeded the countinous operation of the high-power rf system for
more than 8 hours at 120 pps.
があり、加えて既存ユニットが設置されているスペースに収められる事も要求される。
このような要求を基とした RF システムの高繰り
SPring-8 の X 線自由電子レーザー施設(SACLA)
返し化では、機器内での熱損失の増大に対し、熱損
では、2012 年の供用開始以降、X 線自由電子レーザー(XFEL)を用いた多くの先端放射光実験が行われ 失の抑制や、放熱・冷却の強化といった熱対策が重ており、将来、より多くの利用実験の需要が見込ま 要となる。また、加速管における放電頻度の抑制や、れている。このような利用実験の増加への対応とし PFN 充電器におけるフィードバック制御の速応化なて、ビームラインの増設や、電子ビームの高速振り ど、各機器特有の課題もある。そこで、我々は、こ分けを行う計画が進行している [1] 。しかし、X 線 れらの問題に対策を施した機器の設計および製作、レーザーは、電子ビーム１バンチ毎に１パルスしか 更に動作試験を行い、120 pps 運転が可能な RF 加速生成できないため、使用ビームラインが増加しても、 システムの実証を目指した。
本稿では、120 pps 運転用に開発したシステムのビームの繰り返し数(現状最大 60 pps)を増やさない各機器について、概要や高繰り返し化する上での設限り、ビームラインライン当たりの X 線レーザーの[4,5]照射頻度が減少することになる。そこで、ビームラ 計思想を中心に述べ、個々の機器詳細は別発表 にイン当たりの照射頻度を保持するため、ビーム繰り 譲るものする。また、SACLA 加速器棟テストスタ返しを増加させることも、将来の選択肢として検討 ンド室において、RF システムを組合せた統合試験の結果について述べる。
している。

1.

はじめに我々は、ビーム繰り返しの増加させる上で、特に消費電力が大きい C-band 用 RF システムについて、繰り返しが既存の倍である 120 pps 運転が可能なシステムの開発を行ってきた[2,3]。これは将来の更なる高繰り返しシステムに向けた予備的な開発であり、現在の技術的に確実に開発できる繰り返し数を選択した。このような高繰り返し RF システムは、開発後には SACLA の RF システムの予備品として有効的に活用できるようにするため、既存のシステムと互換性を持つものとした。そのため、120 pps 運転
時でも、加速 RF の強度や位相に対する高い安定度といった基本性能は維持もしくは向上している必要___________________________________________# ckondo@spring8.or.jp

2.

機器設計

2.1 設計方針
本高繰り返し RF システムは、既存の SACLA のシステムに設置し運転できる事が前提であり、性能の向上や維持だけでなく、機器毎の互換性も重要となる。そこで、下記の設計方針を採った。
1) 全体構成は既存の構成を踏襲し、各機器に対しては、高繰り返し運転が可能であり、かつ既存機器との互換性があるものとした。
2) 加速 RF の安定性や、加速管の加速電界といった XFEL 用加速器として重要な性能は、- 199 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Table 1: Specifications of the high Voltage Inverter
ChagerH

470 nF

Charging Voltage (max)

50 kV

Output power (max)

71 kW

Pulse repetition (max.)

120 pps

Pulse-to-pulse stability (50kV)<100 ppm (peak-peak)を用いて、モジュレータ電源内の PFN コンデンサ(470 nF)に最大 50 kV まで充電する高電圧電源である。本 PFN 充電器の主要な仕様を Table 1 に示す。
PFN コンデンサへの充電電圧は、クライストロンのRF 強度や位相に直接影響するため、充電電圧の安定度には 100 ppm(pk-pk)もの高い精度が要求される。
Figure 1: Schimatic layout of the C-band accelerating
この要求を達成するために、既存の PFN 充電器では、
RF system and nominal specifications at 120pps
フィードバック制御を用いて充電電圧の安定化をoperation.
行っている。このとき、最後の約 2%分の充電およ[6]既存の要求 以上を達成しているものとした。
び整定に、充電時間 15 ms の内の約 2.5 ms の時間が特に、加速電界は既存の 40 MV/m を超える費やされている [7]。120 pps 運転では充電時間が約50 MV/m 以上を目指した。
7.5ms と短くなるため、この整定時間を短縮する必3) SACLA の建物のスペースに設置可能な大きさ要がある。そこで、スムーズな電圧整定を実現できとした。そのため、電源機器は 19 インチラッる制御システムの開発を行った。一方で、高出力化
ク内か、または長さ 4m×幅 1.2m の床スペーに伴い増大する熱損失にも対応する必要があり、電スに収まる大きさとした。
力変換の効率化や、冷却系の強化を目指した。この本 RF システムの構成を、Figure.1 に示す。まず、ような高電圧高精度電源を、日本高周波株式会社にインバーター型の PFN 充電器とライン型モジュレーおいて製造した[5]。
タ電源によって高電圧パルスを生成し、クライスト充電器の基本回路構成を Figure 3 に示す。急速充ロンを駆動する。このクライストロンによって、約電ラインと精密充電ラインの２種類の充電ラインを48 MW, 5712 MHz のマイクロ波を生成し、これを組み合わせた構成となったいる。急速充電ラインは、
SLED 型パルスコンプレッサによってピーク電力共振型インバーターラインを２系統同時に動作させ（200 MW）を増加させ、２本の進行波加速管に投ることで、 急速な充電(10 kV/ms)を行う。この急速入し、電子ビームを加速する。
充電ラインによって目標電圧の直前まで充電した後、既存 の RF システムの基本構成を用いて、120 pps精密充電ラインによって高精度な電圧整定を行う。
運転に対応できるものとするには、PFN 充電器、モ
この電圧整定では、充電電圧のモニタを精密充電ラジュレータ電源、クライストロンおよび加速管につインにフィードバックし、IGBT のゲート幅をパルいて、高繰り返し化の検討が必要だと思われた。
ス幅変調方式(PWM)によって制御して、出力電流をクライストロン駆動用 500 W 半導体 RF アンプで調整し、高精度かつ高速な電圧整定を実現する。
は、バイアス電圧をパルスで印加するため、これを本充電器は、コンデンサ充電を行うがために、制120 pps で運転した場合でも熱負荷の増大は問題に御特性を速めて電圧整定を高速化していくと、オーならず、既存機に対して制御プログラムを一部変更し、使用することで対応した。
RF システム全体の動作制御を行う PLC 制御シス
テムにおいては、高繰り返し化に合わせて制御の処理の高速化が必要で、それに対応した高速の CPUモジュール(横河電機 F3SP76-7S)を用いる方針とした。
導波管や SLED、LLRF 機器などは、熱負荷の増大は大きくなく、既存の 60 pps 用 RF 機器を使用することとした。
下記に、高繰り返し化に向けて開発を行った、
PFN 充電器、モジュレータ電源、クライストロン、加速管について、検討事項と機器概略を述べる。
2.2 PFN 充電器
PFN 充電器は、施設電源ライン(400 Vac)の電力- 200 -

Figure 2: Block diagram of the high precision PFNcharger.

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バーシュートが発生し易くなる [2]。更に、出力部に 生部では、内部機器は絶縁油の自然対流によって冷整流ダイオードを備えているため、充電中にオー 却されている。このため、機器や絶縁油の温度上昇バーシュートが起こると、電圧整定には高抵抗によ を抑えるには油の滞留を極力無くすことが重要となる長い時定数の電圧降下を待たねばならない。その る。そこで、有限要素法による流体シミュレーショ
ため、電圧整定の高速化には、充電速度をなるべく ン [8]を用い、対流が促進されるような配置を検討し落とさずに目標電圧に近くまで充電し、更にオー た。Figure 3 に、その一例として、油中機器の主なバーシュートを起こさせずに精密充電に切替える制 発熱素子の一つであるトランスについて、縦置きと御が必要となる。これを実現するため、精密充電へ 横置きの配置の違いによる対流をシミュレーションの切換直前に、急速充電ラインの IGBT に対しても した結果を示す。この結果から、トランスを縦置きPWM 制御によって出力を抑え、充電電圧を切換閾 にした方が、１次巻線と２次巻線間の絶縁油の対流
値 ま で ゆ っ く り と 昇 圧 す る よ う に し 、 オ ー バ ー がスムーズとなり、トランス表面の最高温度も 3℃シュートを抑える。この急速充電ラインの PWM 制 程度下げられることが期待される。
以上のような熱設計を踏まえて製作した電源の機
御は、CPLD によるデジタル制御によって行うことで、切換閾値やパルス幅などの制御パラメーター設 器サイズは、ほぼ 1 m 立方の大きさとなり、モジュ定に対し柔軟性を持たせ、調整を効率的に行えるよ レータ電源に並べる床設置とした(Figure 4)。
うにしている。
高繰り返し運転では、機器内のトランスやスイッ2.3 モジュレータ電源
チング素子、整流ダイオードなどにおける熱損失が増大し、電源内の絶縁油も高温となる。そこで、設本モジュレータ電源は、既存の一体型モジュレー計段階にて、トランスの鉄損や銅損を詳細に検討し、 タ [9]と同様に、PFN バンク、サイラトロン, パルス余裕のあるコア容量や太い配線を用いることで、熱 トランスおよび保護回路が、鋼板を厚板溶接した油損失を抑制した。また、整流ダイオードの熱損失を タンクに収納されており、これにクライストロンを実測し、ヒートシンクを取付けた場合の冷却効果を 挿入する構造とした。
実証するなどの放熱対策も行った。一方、高電圧発モジュレータ電源を繰り返し 120 pps に対応とするには、電源内部における発熱量の増大と、それにHorizontal Mount
Vertical Mount伴う絶縁油の温度上昇が懸念された。モジュレータ
Max. 61 deg.C
Max. 58 deg.C
電源で使用している鉱油系絶縁油は、油温度が 70℃以上になると劣化が促進されるため、この温度以下での使用が推奨されている。そこで、本電源の設計に先立ち、既存の電源による各部品の温度を測定し、そこから 120pps 運転時における各機器の温度を推定した。その結果では、電源内の EOL 抵抗の表面温度が 100℃以上になると推定され、放熱強化が必要と判断された。また絶縁油も上面付近で 60℃程度まで上昇すると推定された。この絶縁油の温度が上Trans Core
Pri. CoilSec. Coil
昇すると、内部機器全般の温度が上昇するため、既存のモジュレータ電源と同程度の50℃以下を目指し、
Figure 3 : Cross-sectional views of the stimulated flow
冷却機構の強化を行った。
(vector) and temperature (color counter) of insulation oil
発熱量が大きい EOL 抵抗については、既存の抵
around the tranfomer. The left figure is a horizontally
抗ユニット(定格140 W×6 本)に対し、抵抗の本数をmounted case, and the right figure is a vertically mountedcase.
Klystron
PFN charger
Heat exchanger
Modulator

Modulator Tank
Figure 4: Photograph of the PFN charger, and themodulator power supply equipping the klystron in the teststand.

Figure 5 : The oil and water heat-exchanger placed at thetop of the modulator tank.

- 201 -

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PASJ2014-MOOL06倍の 12 本の構成とすることで、発熱を分散させ温度上昇を抑えるものした。
また、絶縁油の冷却能力の増強のため、フィン付きの大型冷却板(Figure 5)を開発し、タンクの天板部に設置した。この冷却板は、シームレスな冷却水配管に銅フィンをハンダ接合しており、冷却面積を増やすことで、冷却能力を高めている。この冷却板を導入により、冷却能力を既存の一体型モジュレータの倍程度に強化できることが見込まれ、絶縁油温度は 45℃程度に抑えられると予想された。
以上のような、発熱部での放熱対策や、効率的な絶縁油の冷却機構の導入により、モジュレータ電源のサイズは長さ 1.8 m×幅 1 m×高さ 1.2 m となり、既存のモジュレータに対し長さや高さが約 0.1 m 増えたのみで、既存機の設置スペースに収まるサイズとなった。
2.4 クライストロン
クライストロンは、東芝電子管にて 120 pps 対応のC-band 用パルスクライストロン(E37214)を新規製作してもらった。このクライストロンは、既存の Cband クライストロン E37202 と出力部までの設計は同一のままコレクタを大型化し、熱負荷の増大に耐えられるものである。
2.5 ディスクロード型高電界加速管
加速管を高繰り返し化するにあたり、従来のチョークモード構造からディスクロード構造にすることにした。この変更により、マルチバンチ加速には不利となるが、シャントインピーダンスを高くすることができ、より高い加速電界を得やすくなる。
また、温度変化によるセルの熱変形も小さくなる
ため、共振周波数のズレも小さくなる。そのため、高繰り返し運転によって空洞温度が上昇しても、加速効率の低下を抑えることができる 。
一方で、高電界・高繰り返し運転を安定に行うにあたり、空洞内における放電頻度を軽減する必要がある。放電頻度を抑えるには、空洞表面の特に電界が集中しやすいアイリス部の表面電界を下げること

Figure 6: Experimet. al., set-up of the disk-load C-band
accelerating strutcure in an RF test stand.

が重要である。そこで、アイリス断面を従来の円状から楕円状に変更することで、表面電界を約 20%下げている [3]。
本加速管は、2013 年に試作空洞による低電力試験において良好な結果が得られており [3]、今回、三菱重工業において計 6 本の製作を行い、そのうちの２本に対し SACLA にて動作試験を行った (Figure 6)。

3.

動作試験

以上に述べた開発した機器を用いて、120 pps 運転の動作確認および長期安定性を確認する必要がある。このため、SACLA 加速器棟テストスタンド室に設置された遮蔽シールド内とその周辺において、電源機器および RF システムを組合せての運転試験を行った。
試験は電源試験と RF 試験の 2 段階で行った。電源試験では、PFN 充電器、モジュレータ電源、およびクライストロンの電源機器の動作評価をおこなった。この試験では、電源の 120 pps における PFN 充電の速応性や充電電圧の安定度、機器の温度性能などが要求を満足しているかを確認した。RF 試験では、電源システムに加速管などの RF システムも加えた動作試験を行い、加速管などの評価と共に、RFコンディショニングを行った。これにより、新規加速管の 50 MV/m 以上の加速電界の確認と 120 pps での冷却特性の確認を行った。
3.1 電源動作試験
Figure 7 に、充電電圧 50 kV、繰り返し 120 pps にて運転したときの充電電圧と出力電流の典型的な波形を示す。また、同図下に、充電モードの切換時における充電波形の拡大図を示す。これらより、充電電圧は、目標電圧の直前において、急速充電のPWM モードに切り替わり、更に精密充電による電圧整定に、スムーズに切り替わっていることが分かる。これらの充電電圧の波形から、充電開始から約7.0 ms で電圧整定が完了しており、120 pps 運転による短い充電時間でも、電圧整定を完了していることを確認した。整定電圧の安定度は、充電完了後での評 価 で 約 20 ppm(pk-pk) で あ り [5] 、 要 求 の 100ppm(pk-pk)以下を十分に達成していることを確認している。
また、繰り返し 120 pps による高電圧運転を 24 時
間連続で行い、PFN 充電器、モジュレータ電源、クライストロンの長時間の動作確認を行った。途中、PFN 充電器とモジュレータ間の高電圧ケーブルにおいて放電トラブルが発生したが、ケーブル交換後は問題無く運転を再開でき、PFN 充電器やモジュレータ電源、クライストロンは長時間の連続運転でも問題なく動作することを確認した。
このとき PFN 充電器と、モジュレータ電源のそれぞれの内部絶縁油について、上面付近の温度の測定
結果を Figure 8 に示す。この結果から、120 pps 運転においても、PFN 充電器の絶縁油温度は油面付近で60℃程度と、既存機の 60 pps 運転時と同程度であった。またモジュレータ電源の絶縁油温度も 48℃程度- 202 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2014-MOOL06であり、予想温度よりは 3℃程度高いが、目標とした 50℃以下に抑えることができた。

7.5ms
Charging Voltage.

3.2 RF 試験(10kV/div)

Coarse Curr.

Precise Curr.

(5A/div)(1A/div.)

Horizontal 1ms/div
Zoom (Horizontal 0.2ms/div)
Coarse (resonant)Coarse(PWM)

PreciseVoltage.
(250V/div)

Coarse Curr.

Precise Curr.

Figure 7: (Top)Waveforms of a charging voltage( yellow) and the output currents of the main-charger(blue line) and the sub-charger (green line) at a 50 kV
charging and a 120 pps repetition. (Bottom) Zoomed
wavefome of the charging voltage (red line) at themode switching from the coarse charging to the precise
charging.

クライストロンに導波管や SLED、加速管を接続し、大電力 RF を用いた動作試験を行った。今回は、実機での構成(Figure 1)とは異なり、SLED で圧縮した RF 電力を加速管１本のみに投入し、想定使用電界を超えた高電界 RF 運転での動作確認、および放電頻度の測定を行った。この結果、加速管における平均加速電界が約 50 MV/m においても定常的に運転できることを確認している [4]。これより、加速管２本構成で想定している加速電界 46 MV/m においても安定に使用できることを確認した。また、高繰り返し運転時における RF 位相のシフトや放電頻度も、チョークモード型加速管に比べて少なくなっている事を確認した。
更に、120 pps による RF 連続運転を約 8 時間行い、高繰り返し化した RF 加速システムが健全に動作することを確認した。

4.

まとめ

我々は、SACLA の RF 加速システムと互換性を持たちながら、120 pps での高繰り返し運転が可能なRF 加速システムを開発した。このシステムでは、特に熱損失の大きな、PFN 充電器、モジュレータ電源、クライストロン、加速管について、新規に開発を行った。それぞれでは、高繰り返し化による発熱の増大に対応できるようにするため、シミュレーションも活用した熱対策を施した。また、PFN 充電器では、デシタル制御による充電ラインの切換や、PWM 制御によるフィードバック制御を導入することで、50 kV の充電電圧に対し整定完了が 7.0 ms 程度、かつ電圧安定度 20 ppm(pk-pk)という高速、高安定な PFN 充電器を実現した。また、モジュレータ電源では、大型冷却板を導入し、内部絶縁油の温度上昇を 48℃に抑えた。加速管は、ディスクロード構造とし、加速管の高電界化を目指すと同時に、高繰り返し運転時における RF 位相シフトを抑え、また楕円状アイリスによって放電頻度を軽減した。これらの機器を統合して連続運転を行い、120 pps 運転においても連続運転が可能な事を確認した。
今回試験したシステムのうち、PFN 充電器と加速管は、現在建設中の極紫外 FEL 用加速器[12]に設置し、繰り返しは 60 pps ではあるが、コンディショニング運転やビーム運転に使用する予定である。

謝辞
Figure 8: Trends of insulation-oil temperaturs inside of
the PFN charger (red line) and the modulator (blueline), and the charging voltage (green line) at 120 ppsoperation.

本システムの開発では、各機器の開発企業の技術者の尽力で成功したものであり、深く感謝します。
特に、PFN 充電器およびモジュレータ電源の開発では、日本高周波の田中豊氏、中津悟氏、三宅克馬氏、山田洋人氏を始めとする多くの方々には、機器細部に至るまで調査および調整をして頂き、感謝します。

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更に、ディスクロード型加速管の開発では、鈴木大輔氏と三浦禎雄氏を始めとする三菱重工の方々にご尽力を頂き、感謝します。最後に、試験エリアにおいて、機器の搬入から組立、および運転試験まで協力頂いた、スプリングエイトサービスの運転員の方々、特に、益田邦和氏、中澤伸候氏、木村健氏に深く感謝します。

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