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クライストロン短絡保護用半導体クローバースイッチの開発

小野 礼人; 高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 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.831 - 834, 2021/10

https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2021/proceedings/PDF/THP0/THP015.pdf

J-PARCでは、直線型加速器の高周波加速用クライストロン電源のクライストロン短絡保護装置(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半導体クローバースイッチを開発している。1枚当たり、3kV, 40kA, 50s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。制御電源供給には、120kVを想定し、各基板モジュールに充電される高電圧を利用する自己給電システムを採用している。このオーバル型基板モジュール10枚を10直列で接続し、既設機器(120kV, 40kA)の電圧に対して1/4スケール(30kV, 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。

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。

J-PARC超伝導空洞用入力結合器の大電力試験

加古 永治*; 野口 修一*; 宍戸 寿郎*; 浅野 博之*; 千代 悦司; 鈴木 浩幸*; 堀 利彦*; 山崎 正義*

Proceedings of 28th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.324 - 326, 2004/06

ディスク型セラミック窓を有する同軸タイプの高周波入力結合器が、設計・製作された。2本の入力結合器は真空排気装置を備えた結合導波管に取付けられ、972MHzのパルス高周波源を用いて大電力試験が行われた。その結果として、0.6ミリ秒のパルス幅で25Hzの繰返し運転時に、入力結合器への投入高周波電力として、最大2.2MWが達成された。

Cold test of 600MHz superconducting cryomodule for high intensity proton linac

大内 伸夫; 赤岡 伸雄*; 浅野 博之*; 千代 悦司; 長谷川 和男; 竹田 修*; 吉川 博; 松岡 雅則*; 大谷 利宏*; 加古 永治*; et al.

Proceedings of 21st International Linear Accelerator Conference, p.488 - 490, 2003/00

原研では、KEKと共同で超伝導陽子リニアックの開発を進めている。空洞性能とパルス運転時の安定な加速電界を実証するために、600MHz超伝導クライオモジュールを製作した。クライオモジュールは=0.6の超伝導5セル空洞を2台実装しており、運転温度2Kで設計されている。クライオモジュールの低温試験は液体ヘリウム冷却により4Kと2Kで実施し、空洞への熱侵入,負荷Q値,チューニング感度,ヘリウム容器の圧力に対する周波数変化及びローレンツ力デチューニングの測定を行った。測定結果はおおむね設計計算値と良好な一致を示したが、熱侵入量に関しては設計値1.7Wに対して測定値10Wとかなり大きな値を示した。また、ローレンツ力デチューニング量については、1つの空洞は設計値と一致したが、もう一方の空洞は設計値よりも高めの結果となった。また、予備的な横測定として大電力高周波試験を実施し、CW運転で最大表面電界10MV/m、パルス運転で16MV/m(定格電界強度)まで達成した。現在、パルス運転時の安定な加速電界を実証するために、高周波制御系の最適化を行っている。

High-voltage test of feedthroughs for a high-power ICRF antenna

藤井 常幸; 森山 伸一

IEEE Transactions on Plasma Science, 29(2), p.318 - 325, 2001/04

https://doi.org/10.1109/27.922741

フィードスルーはイオンサイクロトロン周波数帯(ICRF)加熱装置のアンテナを構成する最重要機器の一つである。その役割はアンテナを高真空に保ちながら大電力の高周波(RF)を伝送することである。6つの異なる形状のフィードスルーを用いて、大電力伝送の鍵を握る耐電圧性能について実験的に研究した。1秒間の高周波伝送における耐電圧を評価し、4種のPPPL,MIT,ORNL,JAERI型で40~52kVの耐電圧を得た。これは、1アンテナ素子で1~1.6MWの大電力を入射できることを意味する。特に、PPPL,MIT型は最も高い耐電圧性能を示した。この結果は真空封止用のセラミックスに電界が集中しないようにした、フィードスルーの真空側フランジの形状によるものであることを明らかにした。さらに、この形状を工夫することで、高周波放電の一種であるマルチパクタ放電をも問題とならないレベルに抑制できることを示した。

Performance test of lower hybrid waveguide under long/high-RF power transmission

関 正美; 小原 建治郎; 前原 直; 池田 佳隆; 今井 剛; 永島 孝; Goniche, M.*; J.Brossaud*; C.Barral*; G.Berger-By*; et al.

JAERI-Research 96-025, 55 Pages, 1996/06

JAERI-Research-96-025.pdf:2.06MB

低域混成波電流駆動(LHCD)用アンテナの定常運転のためには、アンテナの高耐電力特性と低ガス放出特性が必要である。定常LHCDアンテナ開発のために、強制冷却通路を持つ分散強化銅製のテストモジュールを原研が製作し、フランス・ガダラッシュ研究所で準定常入射試験を行った。短いコンディション期間の後、テストモジュールは200MW/mまでもの高耐電力性を示した。また、450度ベーキング処理を行った後のガス放出率は、300度において~2x10Pam/smであった。ガス放出率は、モジュール温度に強く依存するが、一方高周波電力には依存しないことが分かった。また、高周波入射により低減される枯化特性も見られた。さらに、水冷却で温度制御しながら150MW/mの高周波を入射したところ、1800秒間にわたり一定の低ガス放出率(~10Pam/sm)を観測し、連続入射の可能性を示した。このテストモジュールの開発・大電力試験を通じて、定常LHCDアンテナ用導波管製作の目処を得た。

Major improvement of gyrotron efficiency with beam energy recovery

坂本 慶司; 恒岡 まさき; 春日井 敦; 今井 剛; 假家 強*; 林 健一*; 満仲 義加*

Physical Review Letters, 73(26), p.3532 - 3535, 1994/12

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.73.3532

大電力ミリ波源であるジャイロトロンの効率向上を計るため、相互作用(ミリ波発振)を終えた電子ビームのエネルギーを回収するジャイロトロンを開発し、実験を行った。これは、ジャイロトロンのミリ波発振部と電子ビームを吸収するコレクタ部の間に電子ビームを減速する静電圧を印加し、その電子ビームが失ったエネルギーを電源部に回収するものである。その結果、出力610kW(周波数110GHz)において、効率を30%から50%に向上させることに成功した。また、ジャイロトロン内の電子のふるまいを数値計算し、相互作用で生じた低速電子はジャイロトロン内のポテンシャル井戸の内に閉じ込められるが、この電子はジャイロトロン共振器内の電子サイクロトロン共鳴領域を通過する時に再加速され、ジャイロトロンからはき出されることを示した。この効果によって、エネルギー回収の安定動作が可能となることが明らかとなった。

Upgrade of JT-60 ICRF heating system

藤井 常幸; 小林 則幸*; 森山 伸一; 三枝 幹雄; 安納 勝人; 篠崎 信一; 寺門 正之; 木暮 重幸*; 小川 芳郎*; 若林 邦朗*; et al.

Fusion Technology 1990, Vol.1, p.1171 - 1175, 1991/00

JT-60の改造(JT-60U)に伴う、JT-60ICRF加熱装置の改造についてまとめたものである。ICRF加熱装置の主要部であるアンテナとインピーダンス整合器の改良を行なった。JT-60U用アンテナは、Hモードのようなプラズマ密度が周辺で急峻に立ち上がっている場合でも十分な結合抵抗(2以上)が得られるように設計された。インピーダンス整合器は、大電力移相器とスタブチューナとの組合わせとし、耐電圧特性を向上させた。さらに、周波数フィードバック制御による整合回路を組合わせた。これにより、負荷のアンテナインピーダンスの速い(約3ms)変化に十分対応することができ、かつ、容易にインピーダンス整合をとることができる。これらの機器は、すでに製作され、40kV、1秒の耐電圧試験を終え、その健全性が確認されている。