次世代パワー半導体を用いた新キッカー電源用の低ジッタ回路の構築

小田 航大; 高柳 智弘; 小野 礼人; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 杉田 萌; 森下 卓俊; 飯沼 裕美*; 徳地 明*; 亀崎 広明*; et al.

Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.610 - 614, 2023/01

J-PARCのキッカー電源は、取り出すビームのバンチ長に合わせ、フラットトップ幅が約1sの矩形パルスを数十nsの短時間で瞬間的に出力する。現在、放電スイッチのサイラトロンの代替を目的に、次世代パワー半導体を用いた新キッカー電源の開発を進めている。パワー半導体のスイッチ動作のタイミングは、外部からのトリガ信号の入力で決まる。そのタイミングの時間軸方向に対するブレ(ジッタ)が大きいと、出力パルスの再現性が低下し、ビームロスの要因となる不安定なビーム軌道偏位を引き起こす。そのため、キッカー用半導体スイッチ電源には、1.0ns以下の高再現性を実現する低ジッタ回路が求められる。ジッタの成分にはトリガ信号の揺らぎと半導体スイッチ動作のばらつきが含まれる。そこで、制御回路を構成する種々のデバイスに対する評価試験を実施し、最適なデバイスの選定、かつ、温度とノイズ対策を施した低ジッタ回路の試験機を製作した。発表では、制御回路を構成するアナログ回路とデジタル回路のデバイスに対し、環境とデバイスの温度、サンプリングクロックの周波数、パルスエッジのブレに対する評価試験の結果と、構築した低ジッタ回路の構成について報告する。

Kicker power supply for J-PARC 3-GeV RCS with SiC-MOSFET

高柳 智弘; 小野 礼人; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 富樫 智人; 山本 風海; 金正 倫計; 小泉 勲*; 川又 俊介*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011020_1 - 011020_6, 2021/03

https://doi.org/10.7566/JPSCP.33.011020

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、ビーム加速後の取出しに使用するキッカー電磁石の電源に、真空管の一種であるサイラトロンを使用してきた。しかし、より高耐圧、低損失かつ、高周波特性に優れた次世代電力用半導体であるSiC-MOSFETを使用することにより、電源の安定動作,小型化、及び省エネ化の高度化を進めている。RCSキッカー電源で採用されているサイラトロンスイッチ、同軸ケーブルタイプのPFN回路、および、反射波吸収用のエンドクリッパー等の主要な回路は、パワー半導体と蓄積用コンデンサーなどを用いることで一枚の回路基板上に実装可能とした。この回路基板は、単一で800V/2kAを出力できるため、複数枚の回路基板を直列多段に積み重ねることにより、必要な高電圧パルスを出力する。回路設計の詳細と、40kV/2kAの目標仕様に対して半分の20kV/2kAの出力を達成した結果を発表する。

Development of low inductance circuit for radially symmetric circuit

高柳 智弘; 植野 智晶; 堀野 光喜

Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012183_1 - 012183_7, 2019/12

https://doi.org/10.1088/1742-6596/1350/1/012183

J-PARC RCSの安定した運転を維持継続するための高度化研究開発の一つとして、キッカーシステムで採用しているサイラトロン代替用半導体スイッチ回路の開発を行っている。その中で、次世代半導体の一つであるSIC-MOSFETの半導体を用いた放射対称型回路は、多数の半導体スイッチが直列, 並列に多重化された構成である。この放射対称型回路では、全ての並列回路の長さが等しいため、タイミングジッタやレベル変化により出力波形が歪むことは原理的には無い。そのためこの回路は、超高速ショートパルスの波形の出力に有用である。本研究では、電力伝送回路を2重の円リング構造にすることで同軸形状とし、更なる低インダクタンス化を実現する回路を開発した。構造と出力波形から求めたインダクタンス値を比較した結果、約10%の低減を実現した。また、実試験にて計算と実測の比較検証を行い、開発した円リング構造が計算通り低インダクタンス化に有効であることを確認した。

SiC-MOSFETを用いた半導体スイッチ電源の開発

高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 山本 風海; 金正 倫計

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.244 - 248, 2018/08

3GeVシンクロトロン加速器用パルス電磁石電源の高度化を目的とした超高電圧短パルススイッチ電源に関する発表を行う。現在主流のSi製のパワー半導体より高耐圧,低損失、かつ、高周波動作に優れた次世代パワー半導体のSiC-MOSFETを用いたスイッチ電源の開発を進めている。半導体のSiC化は、サイラトロン代替スイッチや省電力小型スイッチング電源の製品化を可能とする。しかし、J-PARC 3GeV-RCSキッカー電源で採用しているサイラトロンの仕様(80kV/4kA)を1モジュールで満足する製品は開発されていない。その為、パワー半導体を直並列に多重化した回路を構築する必要がある。また、キッカー電源に要求される高速短パルス波形の出力には、パワー半導体の性能向上とは別にインダクタンスや浮遊容量などの回路インピーダンスを考慮した設計がポイントになる。そこで、パワー半導体を同心円状に配列し全並列回路のインピーダンスを同値にできる円形の放射対称型回路を構築した。これにより、回路インピーダンスの差異に起因した波形歪みを抑制できた。本構造はLTD回路に採用されており、半導体新キッカー電源の開発には不可欠である。発表では、SiC-MOSFETを用いたスイッチ回路を放射対称型と一般的な線形対称型でそれぞれ構築し各出力波形歪みを評価した結果、LTD回路を採用した半導体新キッカー電源の予備試験の結果、更に、同じスイッチング回路でSi-IGBTとSiC-MOSFETを置換して損失を評価した結果を報告する。

A Neural network model of and simulation of chemotaxis-related information processing in the neural network

坂本 一馬*; 曽 智*; 鈴木 芳代; 栗田 雄一*; 辻 敏夫*

Proceedings of SAI Intelligent Systems Conference 2015 (IntelliSys 2015), p.668 - 673, 2015/00

https://doi.org/10.1109/IntelliSys.2015.7361212

The nematode () is a simple multi-cellular organism consisting of approximately 1,000 cells including 302 neurons, and is the only creature whose connectome has been fully mapped. For these reasons, is ideal for studying information-processing mechanisms embedded in the neural network. This paper proposes a neural network model of with the actual neural structure preserved to simulate the worm's attraction to sodium chloride (NaCl). To implement attractant behavior, the worm's neural network must calculate the temporal and spatial gradients of NaCl concentration; however, the mechanism behind this complex information processing in the worm's neural network has not yet been fully elucidated. As a first step to analyze the information processing mechanism, the parameters of the neural network model were adjusted using the backpropagation through time (BPTT) algorithm, and the neural network model was verified for its ability to generate temporal and spatial gradients. Simulation for neuron ablation experiment was then carried out, and the results exhibited same trends as the biological experiment indicating that our approach can be used to predict the results of biological experiments, and can therefore be used as a tool to provide guidelines for such experiments.

過電圧短絡回路付プラズマ不安定性対応型積分器の開発

川俣 陽一; 米川 出; 栗原 研一

平成16年度大阪大学総合技術研究会報告集(CD-ROM), 4 Pages, 2005/03

トカマク型装核融合置特有の現象としてプラズマ不安定性発生時、磁場の急激な変動で磁場センサーにパルス的高電圧が誘起され積分計測結果に「飛び」として誤差が発生する。この高電圧への対策として、想定される最高電圧を増幅器の測定レンジ内に留める充分な電圧減衰回路(アッテネータ)を前段に入れた入力チャンネルを、通常レンジのチャンネルとともに並列に常時信号入力を行う多入力電圧レンジ一体型方式の積分器を開発した。低電圧側レンジのチャンネルには、過電圧を短絡する回路を設けることで高電圧発生時にはダイナミックに回路構成が変化し、低電圧レンジから高電圧レンジまで連続で積分可能なように設計した。この積分器をJT-60のプラズマ実験放電で使用したところ、開始当初は設計通り過電圧による「飛び」を解消していたが、プラズマ不安定性による高電圧入力の繰り返しで「飛び」の解消が不安定となった。この原因は、過電圧短絡回路に使用している半導体素子が、高電圧時の過電流の繰り返しにより特性が変化したことによるものと推定した。試験結果の解析や検討をもとに、次のステップとして、高電圧信号を繰り返し入力しても動作特性の変化が無い過電圧短絡回路の開発を対策方針とした。ここでは、開発中の大容量過電圧短絡回路付きの積分器開発について報告する。

実用 ガンマ線測定ハンドブック

米澤 仲四郎; 松江 秀明; 宮本 ユタカ; 鈴木 大輔; 安田 健一郎; 伊奈川 潤; 齋藤 陽子

実用ガンマ線測定ハンドブック, 366 Pages, 2002/06

ゲルマニウム検出器を使用する線スペクトロメトリーは、高分解能で、誰にでも使用できる強力な放射線測定法として、放射化分析,環境放射能研究等広い分野で利用されている。線スペクトロメトリーに関する日本語の単行本が少ないため、Gordon Gilmore, John Hemingway著,"Practical Gamma-ray Spectroscopy" (John Wiley & Sons, 1995年)を翻訳した。本書は、ゲルマニウム検出器を用いた線スペクトロメトリーについて、実用面に重点を置いて基礎から応用までを分かりやすく解説してあり、本年6月頃日刊工業新聞社から刷り上がり約500ページの単行本として出版される。

各種冷却材に対する構造設計の技術評価:ナトリウム冷却炉 配管引回し寸法をパラメータとした発生熱応力の検討

月森 和之; 古橋 一郎*

JNC TN9400 2000-049, 93 Pages, 2000/03

JNC-TN9400-2000-049.pdf:2.82MB

ナトリウム冷却ループ型大型炉の設計において、1次系配管に発生する応力の低減が設計成立の重要な鍵のひとつである。本件は、炉容器と中間熱交換器を結ぶ基本的な配管系として面内S字型のレイアウトを対象として、想定される寸法範囲で弾性計算によるパラメータサーベイを行い、配管ルーティングに依存した発生応力の傾向を把握し、最適のルーティング候補を選定することを目的とする。得られた主要な見解は以下のとおりである。(1)概して、ノズルよりもエルボ部の応力が厳しくなる。炉容器出口ノズルと中間熱交換器入口ノズル間レベル差と炉容器出口ノズルと液面までの距離を大きくすると、エルボの応力は減少する傾向にある。(2)超90度エルボを適用することで、エルボに発生する応力を大幅に低減することが期待できる。暫定的に応力制限を課した場合、超90度エルボ配管引回しは、従来の90度エルボ配管引回しに比べて広い寸法パラメータ範囲で成立する。(3)告示501号ベースでエルボの応力評価を行った場合、エルボ端部で応力強さが最大となる場合、シェル要素による計算された応力よりも過大となる傾向にある。この場合、エルボ中央と端部最大応力の平均を最大値とみなすことで、簡便かつ保守的に最大応力強さを評価できる。(4)従来の90度エルボによる配管引回しでエルボ部の応力強さが最小となるケース(炉容器出口ノズルと中間熱交換器入口ノズル間レベル差V=7m、炉容器出口ノズルと液面までの距離V1=5m)に対して、105度エルボを前提として、ノズル間レベル差の最小化および同寸法で発生応力の大幅低減という2つの観点からそれぞれについて、V=5m,V1=4mおよびV=7m,V1=5mという代替引回しを提示した。いずれの場合もノズル部の応力は、90度エルボ配管引回しに比べて減少する。

耐放射線性マイクロコンピュータの開発; システム設計

石橋 祐三; 黒田 能克*; 仲嶋 淳*

PNC TJ8216 98-003, 243 Pages, 1998/03

PNC-TJ8216-98-003.pdf:6.5MB

FBR燃料再処理施設などの将来施設における自動化には、高放射線環境下で使用できる耐放射線性マイクロコンピュータを中心とした耐放射線性電子機器の開発が必須である。この開発により信号ケーブルの本数削減、自律制御による作業効率の向上、長寿命化による保守費の削減が可能となる。ここでは、耐放射線性マイクロコンピュータによる施設の自動化に向けたシステムの構築を行うためのシステム検証を目的とした「耐放性マイコン内蔵型線スペクトル測定装置」のシステム設計を行った。この設計にあたっては、先に実施した耐放射線性マイクロコンピュータのブレッド・ボード設計・試作の成果を踏まえ、ハイブリッドIC技術を適用した耐放射線性マイクロコンピュータを採用した。この耐放射線性マイクロコンピュータは、集積線量が10sup7RADを越えた状態にあっても機能するものとし、10sup8RAD(集積線量)を目標としたものを組み込んだ設計を行った。

JT-60U分光計測装置のノイズ調査と対策

永谷 進; 鬼沢 正美*; 川井 勲*; 仲田 久夫*; 久保 博孝; 杉江 達夫

JAERI-Tech 97-062, 21 Pages, 1997/11

JAERI-Tech-97-062.pdf:0.89MB

臨界プラズマ試験装置(JT-60U)では、負イオンを用いた中性粒子入射装置(N-NBI)の運転を開始した。その加速電極間での放電破壊が発生すると、JT-60U周辺機器にノイズ障害が発生する。分光計測装置の一部もこのノイズによって、制御回路系が誤動作して正常にデータを取れなくなる状況が生じた。JT-60U運転でのダイバータ斜入射分光測定装置の制御回路系内部のノイズを、光ファイバー・アイソレーション・システムを使って測定した。振幅15~18V周波数15MHzのノイズが観測されたため、制御回路に出入りするすべてのケーブルにフェライトコアを取りつけた。その結果、電導ノイズをほぼゼロレベルまで減少させることができ、分光計測装置の誤動作を防止することができた。