Vacuum tube operation tuning for a high intensity beam acceleration in J-PARC RCS

J-PARC RCSにおける大強度ビーム加速時の真空管動作の調整

山本 昌亘   ; 沖田 英史  ; 野村 昌弘  ; 島田 太平 ; 田村 文彦   ; 古澤 将司*; 原 圭吾*; 長谷川 豪志*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 吉井 正人*

Yamamoto, Masanobu; Okita, Hidefumi; Nomura, Masahiro; Shimada, Taihei; Tamura, Fumihiko; Furusawa, Masashi*; Hara, Keigo*; Hasegawa, Katsushi*; Omori, Chihiro*; Sugiyama, Yasuyuki*; Yoshii, Masahito*

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、ビームを加速する高周波電圧の発生に四極真空管を用いている。これまでのところ真空管の寿命を延ばすために、真空管に印加するフィラメント電圧を定格値よりも下げて使用している。2020年に初めて、60000時間運転したところで1本の真空管が寿命を迎えた。これは真空管メーカーが推奨(もしくは保障)する運転時間よりも長いことを意味しており、フィラメント電圧を下げることが有効であることを示唆している。しかし、フィラメント電圧を下げて使用すると、電子放出が減ることになる。大強度ビームを加速するときにはビームによって誘起される電圧(ウエイク電圧)を補償するため大振幅の陽極電流が必要となるが、フィラメントからの電子放出が少ないため、それを補おうとしてコントロールグリッド回路を駆動する半導体増幅器が出力不足になる現象が発生した。そこで、実際に印加しているフィラメント電圧の定格に対する割合を85%から95%にしたところ、同じビームパワーを加速するのに必要な半導体増幅器の出力を大幅に減少させることができた。本発表では、フィラメント電圧調整の観点から、真空管のパラメーター測定の結果について述べる。

Tetrode vacuum tubes in J-PARC RCS are used under a reduced filament voltage condition compared with the rating value to prolong the tube lifetime. For the first time after 60,000 hour of operation in the RCS, one tube has reached the end of its life in 2020. Therefore, the reduced filament voltage works well because the tube has been running beyond an expected lifetime suggested by the tube manufacturer. However, the reduced filament voltage decreased the electron emission from the filament. Although the large amplitude of the anode current is necessary for the high intensity beam acceleration to compensate a wake voltage, a solid-state amplifier to drive a control grid circuit almost reaches the output power limit owing to the poor electron emission from the filament. We changed the filament voltage reduction rate from 15% to 5%. The required power of the solid-state amplifier was fairly reduced, whereas the accelerated beam power remained the same. We describe the measurement results of the vacuum tube parameters in terms of the filament voltage tuning.