J-PARC加速器用大電力クローバー回路用半導体スイッチ

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

Proceedings of 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.871 - 876, 2023/11

https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2023/proceedings/PDF/FRP1/FRP17.pdf

J-PARCでは、直線型加速器の加速用高周波を増幅する真空管型高周波増幅器(クライストロン)電源の短絡保護装置(クローバー装置)に水銀整流器(イグナイトロン)を用いている。イグナイトロンは、世界的に使用が制限されている水銀を使用しており、将来的に製造中止が見込まれる。そこで、大電力半導体素子(MOSゲートサイリスタ)を用いたクライストロン短絡保護用の半導体クローバー装置を開発している。基板1枚当たり、3kV, 40kA, 50usの動作出力を実現するオーバル型基板モジュールを製作した。120kVの高電圧を想定した各基板モジュールへの制御電源供給は、各基板モジュール1枚に分担充電される電圧(3kV)から高圧DCDCコンバータで制御電源を作り出す自己給電方式を採用した。この基板モジュール20枚を20直列で接続し、既設機器(120kV, 40kA)の電圧に対して1/2スケール(60kV, 40kA)での動作性能を確認することができた。その出力試験結果について報告する。また、今後実施予定である3/4スケール(90kV, 40kA)での動作性能を確認するにあたり、超高圧試験回路の検討を行った。

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。

J-PARCクライストロン高圧電源における電圧ドループの影響解析

不破 康裕; 小野 礼人; 高柳 智弘; 篠崎 信一; 溝端 仁志*; Fang, Z.*

Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.780 - 782, 2020/09

https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2020/proceedings/PDF/FRPP/FRPP40.pdf

J-PARCリニアックではクライストロンを駆動する電源として直流高圧電源を使用している。これらの高圧電源は定格電圧110kVのアノード変調型電源で、1台の直流高圧電源に対して最大で4本のクライストロンを接続して運用している。このように複数のクライストロンを1台の直流高圧電源で駆動しているため、ビームパルス後半において高圧電源のコンデンサバンクの電圧ドループが生じる。この影響でクライストロンの出力低下が起こり、安定なビーム加速を維持する上での課題となっている。また、現有の直流高圧電源の半数はJ-PARC建設当初に導入され、残りの半数はリニアック400MeVアップグレード時に導入されたものであり経年劣化が現れ始めている。今後、経年劣化が生じたコンデンサを部分的あるいは全面的に交換するなどの対策が必要になり、安定運転を維持するためにはコンデンサバンクの構成を変更した際の直流高圧電源の運転挙動を改めて評価する必要がある。本発表では、現状の構成での電圧ドループやそれによる電圧低下がクライストロンに与える影響、及びコンデンサバンクの構成を変更した際の影響を数値計算や実測結果を用いて評価し、今後の安定なビーム運転に必要な対策を議論した。

J-PARC用324MHzクライストロンの特性評価

不破 康裕; 篠崎 信一; 千代 悦司; 平根 達也; Fang, Z.*; 福井 佑治*; 二ツ川 健太*; 溝端 仁志*; 岩間 悠平*; 佐藤 福克*; et al.

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.611 - 613, 2019/10

https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2019/proceedings/PDF/THPH/THPH010.pdf

J-PARCリニアックでは、324MHzと972MHzのクライストロン計45台を用いて加速器の運転が行われている。J-PARCの今後の安定化及び高度化に際しては、最大出力付近でのクライストロン出力特性の正確な把握が重要となる。この特性の把握には使用前のクライストロンはもちろんのこと、放電など何らかの理由で交換されたクライストロンの特性測定が不可欠である。しかしながら、放電による周辺機器を含めた損傷などのリスクや加速器の運転との時間的な干渉が理由で、このような測定はこれまで実施されてこなかった。そこで、リニアック棟内にクライストロンテストスタンドを設置し、様々な運転パラメータにおけるクライストロンの高圧特性や入出力特性を測定した。この測定結果を用いることでインストール前にクライストロンの特性が把握でき、最適な運転パラメータの決定や効果的なクライストロン交換の計画が可能となった。また、使用前と使用済みのクライストロンの特性を比較することでクライストロンの劣化傾向を定量的に把握するための基礎データを取得した。

Evaluation of mean time between accidental interruptions for accelerator klystron systems based on the reliability engineering method

武井 早憲; 古川 和朗*; 矢野 喜治*; 小川 雄二郎*

Journal of Nuclear Science and Technology, 55(9), p.996 - 1008, 2018/09

https://doi.org/10.1080/00223131.2018.1467285

加速器駆動核変換システム(ADS)では、ビームトリップ事象が少ない、信頼性の高い加速器を開発しなければならないが、ビームトリップ事象がどの位の間隔で生じているか統一した手法で評価されていない。本研究では、統一した評価手法を得ることを目的として、高エネルギー加速器研究機構入射用加速器のクライストロン系の運転データを用いてクライストロン系が偶発的にトリップする平均時間間隔(MTBI)を信頼性工学に基づく手法で評価し、従来の結果と比較した。従来、クライストロン系のMTBIを評価する手法は少なくとも3種類あり、評価したMTBIは30.9時間, 32.0時間、そして50.4時間となった。一方、本研究では信頼性工学では一般的なノンパラメトリックな評価手法を用いてMTBIを評価したところ、57.3時間となり、従来の評価値と比較して1.14倍以上も長い時間となった。今後、本研究で述べた信頼性工学に基づく手法でビームトリップの平均時間間隔を評価することが望ましい。

原研972MHz RFテストスタンドの現状2005

堀 利彦*; 千代 悦司; 山崎 正義*; 鈴木 浩幸*; 長谷川 和男; 吉田 光宏*; 山口 誠哉*; 穴見 昌三*; 福田 茂樹*

Proceedings of 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 30th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.239 - 241, 2005/07

原研972MHz RFテストスタンドで昨年度実施した活動状況を報告する。第1点目は972MHzクライストロン初号機で観測された発振原因は、第2空洞とクライストロンビームとの高次モード結合だったことが判明し、この結果を反映した2号機改修管での再試験の結果、ほぼ設計値どおりの良好なデータを得たことである。第2点目は超伝導クライオモジュールの大電力試験についての成果である。長パルス(3ms)幅・大電力RFの要求性能を満足するシステム構成を検討・試作したところ、カソード電圧サグに起因するパルス平坦度の性能不足を、低電力RF機器に任意波形発生器を新たに採用することで性能の向上を図った。今回のシステム構成は非常に簡易であり、位相性能を問題にしないRFエージング試験などにおいては、非常に有用な回路構成であると言える。

原研972MHzRFテストスタンドの安定動作R&D試験

堀 利彦*; 千代 悦司; 山崎 正義*; 鈴木 浩幸*; 長谷川 和男

KEK Proceedings 2003-16 (CD-ROM), 4 Pages, 2004/02

原研972MHzRFテストスタンドは実機に向けたRFコンポーネントの開発・評価試験を行うとともに、超伝導空洞用のカプラー試験にもRFの供給を行っているが、この試験中に高圧停止インターロックが多発し、これを改善することが急務であった。この原因を調査したところ、クライストロンの自励発振RF電力レベルと高圧停止頻度との間には強い相関関係があることがわかったため、その主原因であるクライストロン出力空洞からの逆行電子を低減するようなクライストロン動作条件を実験的に求めた。この新しい運転条件でカプラーエージング試験を再開したところ、このStudy以前と比較して安定で継続的なRF供給が行える良好な結果を得た。

大強度陽子加速器(J-PARC)用324MHzクライストロンの開発

手塚 勝彦*; 三宅 節雄*; 坂本 光徳*; 千代 悦司; 福田 茂樹*; 川村 真人*; 穴見 昌三*

Proceedings of 28th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.372 - 374, 2003/07

本報は大強度陽子加速器(J-PARC)線形加速器の高周波源として使用される324MHzロングパルスクライストロンの開発について記述している。このクライストロンは最大出力電力3MW以上,変換効率55%以上(出力電力2.5MW)の性能と入出力特性で非常に高い安定性が必要である。現設計管の評価試験において、最大出力電力3.03MW,変換効率55.9%(出力電力2.53MW)で安定動作を達成した。

原研972MHz RFテストスタンドの現状

山崎 正義*; 千代 悦司; 菅沼 和明; 小林 鉄也; 堀 利彦*; 鈴木 浩幸*; 長谷川 和男; 吉川 博

Proceedings of 27th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.296 - 298, 2002/08

原研972MHz RFテストスタンドでは、大強度陽子加速器施設の線形加速器で高エネルギー加速部に高周波源として用いられる972MHzクライストロン(初号機)を含めたRFコンポーネントの大電力試験を実施し、各種特性試験データの取得を行った。本報告では、972MHz RFテストスタンドの構成機器及び各種動作特性試験の概要について記述し、そして今回、超伝導空洞用の長パルス化試験調整(デューティの制限,サグ評価,A.G.C回路の調整)を行い、カプラエージングに必要な出力パラメータ(パルス幅2.5mS,パルス繰返し25pps,出力350kW)の良好な結果を取得した。それらの試験調整の結果について報告する。

大電流電子線加速器の開発

野村 昌弘; 遠山 伸一; 田中 拓; 武井 早憲; 山崎 良雄; 平野 耕一郎; 大村 明子

JNC TN9410 2000-007, 376 Pages, 2000/03

JNC-TN9410-2000-007.pdf:15.51MB

昭和63年10月に原子力委員会・放射性廃棄物対策専門部会で策定された「群分離・消滅処理研究技術研究開発長期計画(通称:「オメガ計画」)」に沿って、大洗工学センターでは、その計画の一部である「電子線加速器による消滅処理」の研究を実施してきた。これは、電子線加速器で作られる高エネルギーガンマ線を用いて光核反応によりセシウム、ストロンチウム等の放射性核分裂生成物を安定な核種に変換する研究であるが、この消滅処理研究を工学的な規模で実施するためには100mA-100MeV(ビーム出力10MW)級の電子線加速器が必要であると推定され、「オメガ計画」の第1期の課題である大電流電子線加速器のビーム安定化等に関する要素技術の開発として20mA-10MeV(ビーム出力200kW)を開発目標として大電流電子線加速器の開発を行ってきた。本電子線加速器は、平成2年度から高エネルギー物理学研究所、放射線医学総合研究所、大学等の協力を得て技術開発に着手、平成5年度から大電流電子線加速器の製作を開始した。その後、加速器の心臓部とも言える入射部系が完成し、性能試験を平成8年3月から9月にかけて実施した。平成9年3月には本加速器の主要設備全ての据付けが完了したが、サイクル機構の諸事情等もあり、大幅に遅れ平成11年1月から性能確認のための加速器運転を開始、平成11年12月まで継続してきた。試験結果としては、まだ開発途中であり、長時間・安定に至っていないが、ビーム出力約14kWを達成した。また、短時間であるが、ビーム出力約40kWの運転も可能とした。本報告書では、サイクル機構で開発してきた大電流電子線加速器の開発を開始当時まで振り返って、開発の経緯、要素機器の開発、設備・機器の設計、加速器の性能確認試験等の事項について、総括的にまとめた。