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)

DEVELOPMENT OF SELF-HEALING CAPACITORSFOR KLYSTRON MODULATORS,A)

B)

Mitsuo Akemoto 1 , Syusaku TujioA)
High Energy Accelerator Research Organization(KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
Nichicon Kusatsu Corporation
2-3-1 Yagura, Kusatsu, Shiga, 525-0053
Abstract
In order to realize a compact pulse modulator for klystron, a reliable capacitor with a long lifetime is required. We
have evaluated lifetime performance of self-healing(SH) capacitor using a PFN-type modulator. From the test results, itwas confirmed that the SH capacitor has energy densities more than three times compared with the conventional nonhealing(NH) capacitor. This paper describes SH capacitors developed by KEK.

ク ラ イ ス ト ロ ン 電 源 用 SH型 コ ン デ ン サ の 開 発
度破壊しても、その部分の電極が瞬時に蒸発消化し絶縁が回復する自己回復性の特徴がある。耐電圧性
最近、クライストロン電源の大電力化に伴い、まに優れたポリプロピレンフィルム(εr ~2.2)を使用すます電源の小型化が求められている。この要求をした場合、電位傾度を~200V/µm以上上げることが実現するためには電源で使用される蓄積コンデンサできる。の小型化が不可欠である。
SHコンデンサのもう一つの特長として、フィルム
本稿ではSHコンデンサの寿命評価試験の結果及び、 上に多数の分割(パターン)蒸着された電極構造にすKEKでこれまでに開発されたパルス成型回路(PFN)用ると、自己回復限界を超えて誘電体破壊が生じてもコンデンサ及び直流用コンデンサについて紹介する。 絶縁破壊の際に生じる過電流によって、小区分単位に故障部分のコンデンサが回路より切り放される。
２．コンデンサの小型化
この事によって健全なコンデンサとしての維持がで3きるので安全面でも優れている。
コンデンサのケース容積V (m )次式で与えられ１．はじめにcaseる。

３．SHコンデンサの寿命評価試験[1]Vcase =2W,"0"r#E 2

3.1 コンデンサ素子

ただし、Wは蓄積エネルギー(J) ε r は誘電体の比誘電率、ε０は真空の誘電率(8.85x10-12 F/m)、ηは誘電体容積のケース容積に対する占有率、Eは使用!
する電位傾度(V/m)である。従って、コンデンサを小型化するには、比誘電率の大きい誘電体で、かつ高い電位傾度までとれるかにかかっている。
従来のコンデンサはコンデンサ薄紙(εr ~4.5)またはプラスチックフィルム(ε r=2.0~3.1)、あるいはその複合体を数層重ねて構成され、電極としてアルミ箔を用いたNH(Non-Healing)コンデンサが一般的であった。NHコンデンサはパルス電流耐量に優れるが、誘電体材質中に確率的に存在する弱点部分でその耐電圧が決定され、電位傾度で50~100V/µmが限界である。これに対して、電極として誘電体フィルム上に薄い膜状金属亜鉛又はアルミ(厚さ200~300Å)を蒸着したSH(Self-Healing)コンデンサは一1SHコンデンサの寿命を評価するために実器過電圧試験（加速度寿命試験）を実施した。図1に試験したコンデンサ素子の断面の構造を示す。誘電体は幅36mmの、300Åの亜鉛蒸着電極を持つ厚さ5.8µmのポリ エ チ レ ンテ レ フタ レ ート フ ィ ルム (PET) と 厚 さ10.8µmのポリプロピレンフィルム(PP)を使用し、素子が小さいコンデンサが3直列された構造になっている。

E-mail: mitsuo.akemoto@kek.jp-879-

図１：コンデンサ素子の誘電体と電極の構成

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)

試験はATFのパルス電源のPFN（16段、各段コンデンサが3並列接続、特性インピーダンス3.8 Ω、パルス幅6.5µs）に実装して試験した。試験コンデンサの定格容量はコンデンサ素子の直列数を調節して0.0167µFとし、電位傾度は充電電圧47kVで7種類、114V/µm 、 131V/µm 、 152 V/µm 、 183 V/µm 、 214V/µm、229 V/µm、274 V/µmとして、それぞれ3台の試験コンデンサを製作した。図２に試験コンデンサの外観写真を示す。PFN用なので特殊引出し電極構造ユニットを碍管に収納して、低インダクタンス構造になっている。試験条件はLC共振充電方式の電源で、充電時間は13 ms、充電電圧47 kV、繰り返しが25Hzである。

を表１に、図３に電位傾度とショット数（寿命時間）の関係を示す。塗りつぶした丸は破壊したコンデンサで、矢印のあるものは未破壊である。比較の[2]ために、白丸はNH型のコンデンサ (KEKの入射器での試験)のデータを示す。
300
SH

Electric field strength(V/µm)

3.2 試験コンデンサと試験条件

NH

250

Ref(n=20.8)'n
L ! V$= ##&L
V &0 " 0%2001501005001051061071081091010

Lifetime(Shots)

図３：電位傾度と寿命時間の関係
コンデンサの推定寿命は次式で求められる。
(nL "V %=$ 'L0 # V0 & ,ただし、Lは電圧Vでの寿命時間、L０は電圧V０での寿命時間、nは電圧係数である。破壊したコンデンサの全データをフィッテンングして電圧係数を求めるとn=20.8となる。その推定寿命の曲線を図３に示!
す。この曲線より50 pps X 50,000時間(9 Gショット)の寿命時間のコンデンサを設計する場合、設計電位傾度は154 V/µmになる。この値をNHコンデンサと比較すると2倍以上の電位傾度の設計が可能であることが分かる。誘電体容積でいえば、1/4以上の小型化が可能となる。

図２：試験コンデンサの外観
表１：過電圧試験の結果
GroupNo.

1234567Sample
No.
123456789101112131415161718192021

Structure

Dielectricstrength(V/µm)

10S

274

12S

229

13S

21415S

18318S

15221S

13124S

114

lifetime(Hours)
888811121021357041332
1272-

４．PFNコンデンサの具体例
KEKのATFリニアックのSバンド85MWクライストロ[3]ン用パルス電源 のPFNコンデンサは、3章で述べた試験結果に基づいて設計された。PFN回路は2並列14段で構成し、特性インピーダンスが3 Ω、出力パルス幅が7.5µsである。設計電位傾度は 128 V/µmとして、余裕を持たせた。コンデンサの仕様を表２にまとめる。また図４に外観図を示す。
表２：PFN用SHコンデンサの仕様

3.3 試験結果
合計2,293時間の試験運転を実施した。その結果
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静電容量
定格電圧
ピーク電流RMS電流
誘電体素子
設計電位傾度
設計寿命
繰り返し
重量
エネルギー密度0.045 µF
55 kV
4.2 kA
21 A
PET+PP
128 V/m
50,000時間以上
50 pps
5.8 kg19.4 kJ/m3

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設計寿命約10万時間に対して設計電位傾度は約300 V/µmまで上げることができた。この値は通常のNHタイプと比較して2倍以上の電位傾度で、またエネルギー密度は270 kJ/m3 になり体積は1/4まで小型、軽量化できた。コンデンサの仕様を表３にまとめる。

図６：櫛型蒸着パターンとヒューズ動作
表３：DC用SHコンデンサの仕様
静電容量
定格電圧
充電エネルギー
誘電体素子
設計電位傾度
設計寿命
繰り返し
重量エネルギー密度

図４：ATFで使用しているPFN用SHコンデンサ

５．DCコンデンサの具体例[4]

STFのLバンドクライストロン電源 は1.7 msの長パルスを出力する長パルス電源で、この電源のコンデンサバンク用にSH型コンデンサが使用されている。コンデンサバンクは定格電圧11 kV DC、容量500 µFのコンデンサ4台を、図５に示すように並列接続して使用する。1台の大きさは68cmW x 25cmD x68cmHである。

500 µF
11 kV
30 kJ
PP
300 V/µm
100,000時間以上
5 pps
140 kg270 KJ/m3

６．まとめSH方式を採用することで、コンデンサは高電位傾度設計が可能となり小型化、軽量化できる。パルス電源コンデンサのますますの大容量化、高電圧化にあって、SHコンデンサの特長が期待される。

参考文献

図５：STFで使用しているSH型DCコンデンサ
このコンデンサは誘電体にポリプロピレンフィルムを使用し、その上に、図６(左側)のように櫛型に多数の分割(パターン)アルミ蒸着された電極構造を構成しているため、自己回復限界を超えて誘電体破壊が生じても絶縁破壊の際に生じる過電流によって、小区分単位に故障部分のコンデンサが回路より切り放される(図の丸印を参照)。この事によって健全なコンデンサとしての維持ができるので安全面でも優れている。

[1] 阪口博数、松原正明、竹田誠之、明本光生. “パ ル ス
変 調 器 用SH形PFNコ ン デ ン サ の 開 発”, Proc. of the20th Linear Accelerator Meeting in Japan, pp. 281-283,
1995.
[2] H. Honma, T. Shidara, S. Anami, A. Asami, H. Sakaguchi,“Improvements to the PFN Capacitors for the Klystron
Modulators of the KEK 2.5-GeV Linac”, Proc. of 1990
Linear Accelerator Conference, pp. 235-237, 1990 KEKPREPRINT-90-81.
[3] M. Akemoto, S. Takeda, “Pulse Modulator for 85 MW
Klystron in ATF Linac”, Proc. of the 17th International
Linac Conference, pp. 415-417, 1994.
[4] 明 本 光 生 、 本 間 博 幸 、 中 島 啓 光 、 設 楽 哲 夫 、 福田 茂 樹. “KEK超 伝 導 試 験 設 備 （STF） に 於 け る10MW ク ラ イ ス ト ロ ン 用 パ ル ス モ ジ ュ レ ー タ の 開発”, Proc. of the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan,
pp109-111、2007.

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