New SiC kicker power supply for J-PARC

高柳 智弘; 小野 礼人; 杉田 萌; 山本 風海; 小栗 英知; 金正 倫計; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 小田 航大*; 徳地 明*; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 2687(8), p.082021_1 - 082021_7, 2024/01

https://doi.org/10.1088/1742-6596/2687/8/082021

J-PARCでは、次世代パワー半導体(SiC-MOSFET)を用いたキッカー電源の高度化を進めている。SiC-MOSFETは、既設のキッカー電源で使用している大電力用放電型サイロトロンスイッチを、寿命に優れた半導体スイッチに代替することを可能とする。新電源のベース回路は、このSiC-MOSFETと、誘導電圧を重畳して高電圧を出力するLTD方式を採用し、また、出力時の低ノイズ化を実現する放射対称型構造とした。さらに、キッカー電源の主要回路であるサイラトロン、充電用のPFN回路、反射波を吸収するエンドクリッパーの3つの機器をモジュール化して1つの回路で構成した。出力波形のパルス型を形成する主回路モジュール基板の32枚と、平坦部の垂れを補正する補正回路モジュール基板の20枚を階層的に直列接続し、キッカー電源に求められる出力電圧40kV、出力電流2kA、パルス幅1.2usを実現した。さらに、コロナ放電を抑制し、長時間の連続運転に耐える導体用絶縁筒を開発した。

機械学習を用いたJ-PARC RCS用ペイントバンプ電源の波形パターン制御

杉田 萌; 高柳 智弘; 植野 智晶*; 小野 礼人; 堀野 光喜*; 金正 倫計; 小栗 英知; 山本 風海

Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.519 - 522, 2023/11

https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2023/proceedings/PDF/WEP1/WEP17.pdf

J-PARC RCSでは、ペイント入射のビーム軌道偏向にペイントバンプ電磁石を用いている。ペイントバンプ電磁石用の電源は、IGBT制御のチョッパ回路で構成され、指令電流と指令電圧のパターンにより、ビーム軌道を時間変化させる出力電流波形(ペイントパターン)を作成することができる。ビーム軌道の制御精度は、指令電流と出力電流の波形の形状差(出力電流偏差)で決まる。現在のペイントパターン調整では、電源制御の応答関数に応じてパターンを調整するソフトを用いたうえで手動調整を行い、要求精度を達成している。しかし、この調整に1時間程度を要しており、更なる調整時間の短縮を行いたい。また、より最適な調整方法によりビームロスの低減を実現するために、従来の要求より10倍精密な出力電流偏差を実現したい。高精度なペイントパターンの作成には、負荷側のインピーダンスの解析モデルが必要になるが、時間変化する非線形のペイントパターンにおいてはインピーダンスが変化するため、解析モデルの構築は非常に困難である。機械学習では、負荷の解析モデルを構築せずとも学習によって非線形な応答を高速かつ高精度で得ることが可能である。機械学習を用いて台形波の出力パターン調整を行ったところ、学習を重ねることで立ち上り直後のリンギングを抑制した出力パターンの作成に成功した。本発表ではシステムの現状と今後の展望について報告する。

PCB特別措置法に基づくコンデンサの掘り起こし調査と取り扱い時の注意点

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

JAEA-Technology 2022-036, 31 Pages, 2023/03

JAEA-Technology-2022-036.pdf:8.77MB

日本原子力研究開発機構(以下、「原子力機構」)は、原子力科学研究所の大強度陽子加速器施設(J-PARC)など、多くの研究施設を有している。これらの施設には、電力を扱う受電設備や電源装置等多くの電気設備が設置されている。しかし、製造されてから半世紀以上の年月を経ている設備があり、これらの設備において、製造当時は優れた性質を有することから使用されていた材料等が、現在では有害物質として定められ、廃棄をする場合には特別な管理を必要とするものが存在する。その一つとして、ポリ塩化ビフェニル(PCB)があげられる。PCBは、熱に対して安定であり、電気絶縁性が高く耐薬品性に優れている。そのため、非常に幅広い分野に用いられた。しかし、PCBが難分解性の性状を有し、かつ、人の健康及び生活環境に係る被害を生じるおそれがある物質であることがわかり、国は「ポリ塩化ビフェニル廃棄物の適正な処理の推進に関する特別措置法(平成13年法律第65号、略称:PCB特別措置法)」を制定した。原子力機構おいて、令和4年4月に高濃度PCB廃棄物の該当品が新たに見つかる事象が発生したことを受け、令和4年6月に高濃度PCB廃棄物の掘り起こし再調査を実施した。現在は、低濃度PCB廃棄物について、掘り起こし調査を進めているところである。しかしながら、PCB廃棄物の新たな発見は、PCB使用されている可能性が高い設備や装置の見極めが非常に難しいことを示している。PCBは、変圧器やコンデンサ等の絶縁油に使用されている場合が多い。特にコンデンサは、使う材料や構造などによりサイズや形状が異なるなど多くの種類があり、見た目の判断だけではコンデンサであることを見逃してしまう可能がある。そのため、対象とした設備の仕様の理解と、外観検査からも該当品を見つけ出す知見と能力が調査担当者に要求される。本報告書では、PCB廃棄物の掘り起こし調査で実施した電源装置の分解調査作業の事例を基に、PCB廃棄物を外観検査で見つけ出すために必要な知見を紹介する。さらに、コンデンサを見つけた場合は、使用していない状態であっても充電されている可能性を認識し、焼損、感電、火災につながる危険性と取り扱い時に注意すべき点を報告する。

J-PARCにおける加速器用パルス電源の半導体化

高柳 智弘; 小野 礼人; 不破 康裕; 篠崎 信一; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 杉田 萌; 山本 風海; 小栗 英知; 金正 倫計; et al.

Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.242 - 246, 2023/01

J-PARCでは、放電管のサイラトロンを用いたビーム取り出し用キッカー電磁石電源を代替する半導体短パルススイッチ電源、および既設のクライストロン電源システムを小型化・省電力化する半導体長パルス電源の高度化を進めている。キッカー用半導体スイッチ電源においては、誘導電圧重畳回路(LTD)方式を採用した40kV/2kA/1.2sの実機仕様のユニット電源を製作し、必要な性能を確認した。そこで、本電源のメンテナンス性の向上と更なる安定化を目的とし、絶縁油を使わず、絶縁体構造のみでコロナ放電を抑制する高耐圧絶縁筒碍子の製作を進めている。また、クライストロン用半導体パルス電源においては、MARX方式を採用し、8kV/60A/830sの矩形パルス出力用主回路ユニットと、矩形波電流の一様性を10%から1%に改善する800V/60Aの補正回路ユニットを製作した。さらに、本MARX電源用に2.2kV/2.4kWの高耐圧SiCインバータ充電器を製作し、組み合わせ試験による特性評価を進めている。発表では各試験の評価結果と、パルス電源の半導体化について今後の展望を報告する。

Evaluation of eddy currents dependent on excitation pattern in design of pulse electromagnets

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

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 32(6), p.4101405_1 - 4101405_5, 2022/09

https://doi.org/10.1109/TASC.2022.3160152

パルス電磁石を高精度に設計するためには、励磁するパルスパターン形状に依存して発生する渦電流の効果を正確に確認する必要がある。渦電流の効果の違いによってコイルに流れる電流分布は変わるため、その結果、磁場分布の変動やコイルの発熱にも影響を与える。J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)用の新型バンプマグネットを用いて評価試験を実施した。台形型のパルスパターンを用いて励磁し、磁場が変化するパターンの立ち上がり部と磁場の時間変化が無いフラットトップ部で磁場分布が異なることを磁場測定で確認し、励磁パターンと磁場分布の時間変化の関係性を明らかにした。これらの結果を使用することで、磁場分布の影響を受ける入射ビームの軌道制御に対しても高精度なコントロールが可能となり、また、励磁パターンのパルスの時間幅、発熱対策、且つ、コイル形状の最適化も可能になった。ここでは、実施した試験の結果、評価・検証の結果を紹介する。

RCSバンプ電磁石磁場測定用プローブの検証

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

Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.641 - 644, 2021/10

J-PARCの3GeVシンクロトロン(RCS)では、水平シフトバンプ電磁石を用いて線形加速器からの入射ビームをRCSの周回軌道に合流する入射バンプ軌道を生成する。バンプ電磁石の励磁パターンは台形型のパルス波形で、立ち上がり・立ち下がり部の時間とフラット部の時間を、それぞれ150-500マイクロ秒と100-800マイクロ秒の間で変更可能である。このパルス波形をビームの要求条件に合わせることで必要な入射バンプ軌道をつくり、25Hzの繰り返し入射によって1MW大強度ビームを生成する。1MW大強度ビームの運転に際してはビームロスによる放射化の低減が求められ、そのためにはバンプ電磁石の磁場分布を0.2%以下の精度で測定し、高精度な入射バンプ軌道を確立する必要がある。そこで、バンプ電磁石への速いパルス励磁に対応できる高速応答性に優れた磁場測定器の選定評価試験を実施した。計測原理が異なる3種の磁場測定器(磁束計,ホールプローブ,積分型磁束計)を用いた比較検証を行ったところ、積分型磁束計の測定誤差が最も小さく、バンプ電磁石の磁場測定に適していることが分かった。

Thermally altered subsurface material of asteroid (162173) Ryugu

北里 宏平*; Milliken, R. E.*; 岩田 隆浩*; 安部 正真*; 大竹 真紀子*; 松浦 周二*; 高木 靖彦*; 中村 智樹*; 廣井 孝弘*; 松岡 萌*; et al.

Nature Astronomy (Internet), 5(3), p.246 - 250, 2021/03

https://doi.org/10.1038/s41550-020-01271-2

2019年4月「はやぶさ2」ミッションは、地球に近い炭素質の小惑星(162173)リュウグウの人工衝撃実験を成功させた。これは露出した地下物質を調査し、放射加熱の潜在的な影響をテストする機会を提供した。はやぶさ2の近赤外線分光器(NIRS3)によるリュウグウの地下物質の観測結果を報告する。発掘された材料の反射スペクトルは、表面で観測されたものと比較して、わずかに強くピークがシフトした水酸基(OH)の吸収を示す。これは、宇宙風化や放射加熱が最上部の表面で微妙なスペクトル変化を引き起こしたことを示している。ただし、このOH吸収の強度と形状は、表面と同様に、地下物質が300Cを超える加熱を経験したことを示している。一方、熱物理モデリングでは、軌道長半径が0.344AUに減少しても、推定される掘削深度1mでは放射加熱によって温度が200Cを超えて上昇しないことが示されている。これは、リュウグウ母天体が放射加熱と衝撃加熱のいずれか、もしくは両方により熱変化が発生したという仮説を裏付けている。

Development of a fast-rising short-pulse high-voltage power supply using SiC-MOSFETs for the J-PARC kicker system

高柳 智弘; 小野 礼人*; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 杉田 萌; 不破 康裕; 篠崎 信一; 徳地 明*; 生駒 直弥*; 亀崎 広明*

no journal, , 

J-PARC has developed a new kicker power supply that takes advantage of the high-speed characteristics of SiC-MOSFETs and replaces the thyratron with a semiconductor-type switch. In addition, the three main components of the kicker power supply currently in operation, the silatron, PFN circuit, and end clipper, were combined on a single board as a new modular circuit board to achieve a smaller power supply. The modular circuit of the new power supply consists of two types of boards: a main board that forms trapezoidal pulses and a compensation board that compensates flatness droop. 32 main boards and 20 compensation boards are connected in series in a hierarchical manner to achieve the rated specifications required for the RCS kicker system. This presentation will report on the test results, power-saving characteristics of the next-generation semiconductor switch, and results of suppressing corona discharges that occur at high voltages.

Effect on temperature dependence for long-term stable control of the magnetic field at sub-ppm using superconducting magnet for MRI

杉田 萌; 阿部 充志*; 飯沼 裕美*; 大金 千織; 荻津 透*; 佐々木 憲一*; 三部 勉*; 下村 浩一郎*

no journal, , 

J-PARCのMuSEUM実験では、直径20cm、長さ30cmの回転楕円体の領域に対して、磁場の時間変動は0.2ppm以下に、均一度は時間に関わらず0.2ppm(p-p)以下に保つことが求められている。MuSEUM実験で使用するMRI用超伝導磁石は、超電導コイルの内側に鉄シムを配置することで均一度の調整を行うシミングという手法をとる。磁場が温度によって変化する要因は、シミング機構の熱膨張による鉄シムの移動と磁化変化であると考えられる。そこで、シミング機構を加熱しながら磁場分布を測定し、磁場と均一度の温度依存性を確認した。また、磁場の温度変化要因である鉄シムの移動と磁化変化をシミュレーションにより計算した。実験とシミュレーションの結果を複合して考えると、実験環境の温度を0.2Kで制御する必要があるという結論を得た。