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)

Present Status and Upgrade of the L-band Linac at ISIR, Osaka University
Goro Isoyama, Ryukou Kato, Shigeru Kashiwagi, Yutaka Morio,
Yoshikazu Terasawa,Kenichiro Furuhashi, Shoji Suemine
Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University
8-1 Mihogaoka, Ibaraki Osaka, 567-0047
Abstract
The 40 MeV, L-band electron linac at the Institute of Scientific and Industrial Research (ISIR), Osaka University
was operated for 2,240 hours in the fiscal year 2007 with a few troubles. The most serious problems in operation andmaintenance of the linac were discharge in the high-voltage tank for the klystron and leakage of cooling water at theaccelerating tube. The former one has been almost solved but only a makeshift remedy has been taken against the latterproblem. In order to improve performance of the linac, the timing system is being upgraded and three RF cavities forthe sub-harmonic buncher system have been completely renewed for higher operational stability and replaced with theold ones.

阪大産研Lバンド電子ライナックの現状と性能向上
Lバンド電子ライナックの平成19年度の運転と保守及び故障の状況、性能向上と開発研究の現状を報告する。

１．はじめにLバンド電子ライナックは、大阪大学産業科学研究所附属産業科学ナノテクノロジーセンターの加速器量子ビーム実験室が所有する３台の電子ライナッ
クの１台であり、周波数が108 MHzのRF空洞２台と216 MHzの空洞１台からなるサブハーモニックバン
チ ャ ー シ ス テ ム と 、 周 波 数 1.3 GHz の プ レ バ ン
チャー、バンチャー、長さ3 mの加速管から構成され、電子ビームの最大加速エネルギーが40 MeVで電荷量が最高記録で91 nCの大強度単バンチ電子ビームを加速することが出来る。ライナックは、昭和53年（1978年）に完成して以来、大阪大学の共同利用に供されており、マイクロ秒からナノ秒、サブピコ秒に至る広い時間領域のパルスラジオリシスによる放射線化学の研究や赤外自由電子レーザーの開発研究などの研究に利用されている。平成14年（2002年）に大規模な改修を行い、運転の再現性と安定性が格段に向上した。
過渡定常マルチバンチ

２．運転状況
平成19年度のLバンドライナック運転日数を、月別、モード別に図１にしめす。過渡モードは、最も利用頻度が高く、ナノ秒パルスラジオリシス用の運転モードであり、単バンチモードは、サブピコ秒パルスラジオリシスやSASEの発生実験、マシンスタディーなどに使用される。マルチバンチモードは、FEL用の運転モードで、定常モードはビーム強度が必要な照射実験用運転モードである。昨年度まで利用できなかった定常モードと多バンチモードの立上げが本年度完了した。今年度は、22件の研究課題が共同利用に採択された。前期は保守作業の18シフト（日）を含む119シフトが、後期は保守作業の36シフトを含む119シフトが分配された。後期の保守日としては例年の倍の日数を確保しているが、これは後述するサブハーモニックバンチャー(SHB)空洞の更新作業に充てられた。保守運転を含む平成19年度の運転日数は195日であり、運転時間実績は2,240時間である。

単バンチ

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３．保守及び故障の情況
昨年度問題となったクライストロン・パルストラ
ンスでの放電とそれによる絶縁破壊の問題を解決するために、放電対策として1次巻線に太い銅線を採用して電場の集中を防いだうえ、１次と２次巻線用の機械的支持板に放電による破壊が起こりにくいボイドレスのFRPを使用した新しいトランスに交換した。通常モードの試験運転では放電が起きなかったが、長パルスモードで、パルストランスタンク内の2次側電圧モニター用の分圧器（Stanganes, CVD‑350）で放電が観測された。この分圧器の耐電圧は日数151050456789101112123月

図1 平成１９年度Lバンドライナック月別運転日数-43-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)

350ｋVで、２次側の最高電圧295kＶは十分仕様の範力低下のインターロックが動作してライナックが停囲内である。５月の連休前の保守日に、この分圧器止した。調査の結果、受電設備からエヤコンプレッを耐圧が400ｋVの分圧器（CVD‑400）に交換して試サーへの電力供給が停止していることが判明し、別験をしたところ同様の放電が起きた。このことから、 の小型コンプレッサーを使用してライナックの運転
パルストランスタンク内でごく短い時間であろうとを再開した。引き続きこの原因を調査している最中、思われるが、定格を上回る高い異常電圧が発生する
LバンドライナックとSバンドライナックで共用してと推測された。異常な高電圧が発生する原因が不明
いる1次冷却水ポンプが原因不明で停止し、しばらであるので、対症療法としてタンク内に放電ギャッ
くの間動力盤のスイッチが入らなくなる現象がしばプを設置した。放電ギャップ間隔を調整して異常電しば観測された。これらすべての原因が動力盤内の圧が発生したときには機器の放電が起きる前に放電
マグネットリレーの老朽化による故障であることがギャップで放電させる。その結果、たとえ放電が起判明したため、定常的に使用しているリレー類をすきても機器に損傷を与えることなく、油中に放電パべて新品に交換した。これによりコンプレッサー側ワーを逃がすことが出来るようになり、問題が解決の問題も解決した。
２月にウォームアップ中にサイラトロン回復異常した。
５月後半に加速管の冷却水が大気側へ漏れているが発生し、リザーバ電圧を調整してもスイッチ動作のが見つかった。当初１マシンタイムあたりの漏れができない状態になったため、これを予備品と交換量は300ｃｃ以下、夜間停止中の漏れ量は2cc程度でした。その後、サイラトロン用トリガーアンプが故あったが、その後漏れ量が１桁近く増大した。水漏障していることも判明した。製造業者による原因調れは、溶接により固定された厚さ9mmのステンレス査の結果、アンプ回路に使用している6個6並列のカバー内側で起きているので、場所を特定してシーFETの1個が故障していることが分かった。FETがすル剤などで水漏れを止めることが出来ない。漏れ量ぐに入手できなかったことと、回路上５並列でも運を低減するため、必要な流量を確保しながら加速管転に支障がないため、故障した1個を回路から切りにかかる水圧を下げるように冷却水バルブを調整し離して運転を再開した。
これらのトラブル以外にも、これまで高頻度で発た。１０月にファイバースコープカメラを用いて漏生しているヘルムホルツ電源HC‑PS‑S1とHC‑PS‑S16
れ箇所を探したところ、水漏れは銅とステンレスのと計算機制御系との通信エラーへの対策として電源ロー付け部の2箇所で起きていることが判明した。の通信ボードを交換したが、通信エラーは無くなら
しかしステンレスカバーが加速管全体の荷重の半分ず依然として原因は解明されていない。またサブを担っていることから、現場での修理作業はかなりハーモニックバンチャー用RF電源の前段増幅用真空困難である。バルブ調整後の水漏れは少量で落ち着管（RCA7651）の出力が低下したため７月（SHPB 3いていることから推移を観察することにした。現在号機）と１２月（SHPB 2号機）に予備の新品に交換
は1マシンタイムあたりの漏れ量は1000ｃｃ以下でした。
あり、3ヶ月に1度冷却水を補充することで対応している。
７月に入りクライストロン電圧の変動が大きくな４．ライナックの性能向上と開発研究ると共にクライストロンモジュレータ電源のサイラトロンが自然放電するようになったため、このサイ4.1．計算機制御可能なプリセットスケーラの開発ラトロンを予備の新品と交換した。この作業の後、Lバンド電子ライナックの運転と実験に使用するモジュレータ電源のパルスフォーミングネットワー
多種多様なタイミング信号を発生する高精度タイミク（PFN）の1段で可変インダクタンスの位置読み出
ングシステムは、平成14年度の大規模改修に際してしが出来なくなった。調査の結果、位置読出し用エ新たに開発した装置で、基本的に周波数シンセサインコーダのコネクタが緩んでいるのが見つかり、問ザーやデジタル遅延時間装置、NIMの論理モジュー題が解決した。前述のサイラトロン交換作業時にコルなど市販機器を組み合わせた装置である。タイミ
ネクタが緩んだものと考えられる。
ング装置の大部分はGPIBインターフェースやPLCの８月にはクライストロンモジュレータに安定化交デジタル入出力を使い計算機制御システムに組み込流電力を供給しているAVRが過電流アラームで停止まれている。電子ビームの繰り返し周波数を設定すした。昨年度設置したAVRのバイパス回路を用いてるカイズワークス社のプリセットスケーラモジュー利用運転を継続した。故障の原因はAVRに使用してル（KN‑140）は、計算機インターフェースを持たないる半導体スイッチIGBTの破損である。IGBT破損のい機器である。クライストロンモジュレータの長短原因を調査したところ、モジュレータ起動時のHVブパルスモードを切り替える時や、ビームプロファイレーカー投入直後の突入電流がわずかな時間ではあルモニターを挿入・引上げる時にRFパルスやビームるがIGBTの定格電流値を超えることが判明した。の繰返しを替える必要があるが、その際オペレータIGBTを交換してAVRの修理は完了したが、同じ故障が手動で切り替えている。この操作を誤ると機器をが再発する可能性があるため、製造業者側と対応策破損する可能性がある。タイミングシステムの計算を協議している。
機制御化を進め、ヒューマンエラーを低減させるた
９月に真空用ゲートバルブに使用する圧搾空気用めに、計算機制御可能なプリセットスケーラの開発エアーコンプレッサーが停止ししたため、圧空系圧を行った。
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定なビームを供給して実験を開始するまでの時間は1時間程度である。他方、SHBシステムを利用する単バンチモードでは、ビームが安定して実験を開始するまでに4時間以上必要である。この主たる原因はSHB空洞の問題である。SHB空洞は4分の1波長同軸共振器構造を持つが、銅とステンレス鋼のクラッド板で作られている。同軸構造の外導体外側のステンレ
ス鋼に水冷用のパイプを巻いて全体の温度を一定に保つ。SHB空洞にRFパワーを投入した時に主に発熱する部分と水冷部分とが離れているので冷却はクラッド板の熱伝導に頼ることと、冷却水に直接接している部分がステンレス鋼で熱伝導率が小さいことにより、立上げ後に温度が定常状態に達するまでの時間が長い。温度が変化すると熱膨張と収縮により空洞の大きさが変わり、共振周波数が変動する。
このような状況を改善するために、昨年度KEKの電子陽電子ライナックの入射器で使用されているSHB空洞を参考にして、肉厚の無酸素銅のみで空洞を作製し、発熱が最も大きい同軸構造の内導体とその付根の部分に冷却水を循環させることで、発熱部分を直接水で冷却できる構造を持った216MHzSHB空洞１台をKEKの大学等連携支援事業により開発した。
この開発と製作で得た知見を活かして引続き108ＭＨｚSHB空洞2台を製作した。
新たに開発した3台のSHB空洞はこれまでと同様１／４波長共振器空洞であるが、材質を肉厚の無酸素銅にしたために熱的な安定性を確保している。また
図３に見えるように、この空洞は3分割構造を持つが、共振周波数を測定して最終的な寸法を決めて全て銀ロウ付けで溶接をした。真空中への水漏れ事故を起こさないように、冷却水経路の銀ロウ付け溶接を真空側で行わない構造を採用した。全部を溶接した結果、無負荷Q値が増大したが、それによるビーム負荷の増大を低減するためと、RFフィリング時間を短縮するために、RFパワーの入力結合器に従来よりも大きい結合度を採用した。これら３台のRF空洞の特性を測定した後に、図4に示すようにハイパ
ワー試験をした。2008年3月に1ヶ月間の運転停止期間を設けてSHB用RF空洞の交換作業を行い予定した期間で成功裏に完了した。2008年4月に約1ヶ月間とならし運転をして5月からSHBの使用を再開した。

新しいプリセットスケーラの回路部分は従来のカイズワークス社製と同じ物であるが、プリセット計数値やON/OFFスイッチなどの操作部分をリレー回路に置き換えてUSBインターフェースを用いて計算機に接続する。図２に新たに開発したプリセットスケーラを示す。計算機制御システムの制御ソフトウ
エアもこのプリセットスケーラの制御を包含するように改造、拡張した。これまで個別の動作試験を行ってきたが、近日中に制御用ソフトウエアを入れ換えて日常的に使用できるようにする。
4.2.

SHB空洞開発

SHBシステムを利用しない過渡モードでは、朝に加速器システムを立上げてからユーザーポートに安

図２ ３分割された108MHzSHB空洞。（上）内導体と上流側端盤、(中)上流側端盤、(下)外導体。

図３ 108MHzSHB空洞２号機のハイパワー試験。
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