安全性と信頼性を備えた加速器用電磁石電源装置の設計モデルの構築

Construction of a design model for an electromagnet power supply with safety and reliability in the accelerator

小野 礼人; 高柳 智弘   ; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 山本 風海   ; 金正 倫計  

Ono, Ayato; Takayanagi, Tomohiro; Ueno, Tomoaki*; Horino, Koki*; Yamamoto, Kazami; Kinsho, Michikazu

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の3GeVシンクロトロン加速器には、1MWの大強度ビームを生成するために開発された電磁石用の電源装置が多数配置されている。これらの電源装置は、陽子ビームの軌道制御の要求に合わせて専用に開発されており、多種多様な出力波形の形式、定格仕様、更には異なる筐体のサイズや電源回路で構成されている。3GeVシンクロトロン加速器は運転を開始してから10年が経過し、経年劣化が原因と思われる故障が起きている。そのため、定期的に部品の交換や機器の更新を行っているが、連続運転中の予想しないタイミングで故障が発生してしまうなど完全な対策は難しい。J-PARCは多くのユーザーが研究利用をしており、故障時は速やかな復旧が求められる。しかし、異常検出センサーや設計仕様が電源毎に異なり、確認調査に多くの時間が費やされる状況も生じている。そこで、電源装置毎に専用マニュアルを作成し専用の治工具も用意をしたが、経験の無い症状と状況で発生するトラブルもあり、作業者の経験や知見に頼る対応を取らざるを得なくなっている。この様な状況は、多くの時間と労力を要する原因となり、作業間違いや事故が生じる要因にもなる。電源装置で使用するセンサーなどの電気・電子部品は、多くの部分で共通化が可能である。さらに、異常検出の方法を共有化し基本設計に組み込むことで、トラブル対応マニュアルの共有化と予備品の共通化が可能になる。そして、電源装置の構造を、故障による交換作業を前提にした設計にすることで、効率的、かつ実用性に優れたトラブル対応とメンテナンス手法を構築できる。これらの対応は、安全性と信頼性を確立する電源装置の開発に繋がり、加速器装置全体の稼働率向上にも貢献できる。本報告書では、電源装置の開発において設計思想の共有化と部品の共通化の必要性について述べるとともに、安全性と信頼性の確立に必要な基本設計モデルについて、3GeVシンクロトロン加速器の電磁石用電源装置の開発事例を用いて紹介する。

The 3 GeV rapid cycling synchrotron of Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) uses a large number of electromagnet power supplies in order to generate a high-intensity beam of 1 MW. These devices have been specially developed to meet the required specifications of the proton beams. Ten years have passed since the 3 GeV synchrotron had started operation, and we need to replace and update of the components due to failures caused by the aging deterioration. Since the J-PARC is used by many users, it is quite important to recover as soon as possible when a trouble occurs. However, we often spend lots of time to investigate the status and cause of the problem, then it results in the delay of recovery work. One of the major reasons is due to the differences in the manufacturers of sensors and monitors. Therefore, we have to create a manual for each power supply and prepare some exclusive tools. However, troubles rarely occur in the same state and situation, so we have to rely on the experience and knowledge. Even for power supplies with different purposes and specifications, some components, such as sensors, can be shared in many cases. In addition, if the concept of the interlock system, for monitoring the status of the power supply and detecting malfunctions, is shared between the different power supplies, the method and response for failure investigation can be standardized. By using a device with good maintainability, the accelerator operation will be more stable and reliable. In this report, we introduce the necessity of sharing the design concept and common parts. We also explain the basic design model for safety and reliability, using an example of manufacturing an electromagnet power supply for the 3 GeV synchrotron.