[論文レビュー] Testing and Implementation Progress on the Advanced Photon Source (APS) Linear Accelerator (Linac) High-Power S-band Switching System

A. Grelick, N. Arnold+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2000

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、先進光子源（APS）線形加速器向けに高電力Sバンド波導スイッチングシステムの設計、試験、実装を詳細に記載しており、ホットスワップ可能なキリストロンサブシステムを備え、35 MWのピーク出力での信頼性ある運用を可能にした。主な成果として、段差付き遷移とSF6ガス処理を施したWR340波導スイッチが43 MWでの正常運転に成功したほか、FELおよびLEUTL運用の信頼性向上に寄与する52 dBのリターンロスを達成したチューナブルウィンドウの開発がなされた。

ABSTRACT

An S-band linear accelerator is the source of particles and the front end of the Advanced Photon Source injector. In addition, it supports a low-energy undulator test line (LEUTL) and drives a free-electron laser (FEL). A waveguide-switching and distribution system is now under construction. The system configuration was revised to be consistent with the recent change to electron-only operation. There are now six modulator-klystron subsystems, two of which are being configured to act as hot spares for two S-band transmitters each, so that no single failure will prevent injector operation. The two subsystems are also used to support additional LEUTL capabilities and off-line testing. Design considerations for the waveguide-switching subsystem, topology selection, control and protection provisions, high-power test results, and current status are described

研究の動機と目的

• 35 MWのピーク出力を処理できる信頼性の高い高電力波導スイッチングシステムをAPSリニアック用に開発すること。
• L1/L2およびL4/L5の代替としてL3およびL6キリストロンサブシステムをスペアとして使用するホットスワップ機能を実装し、システム可用性を確保すること。
• 商業用WR284スイッチにおけるブレークダウン問題を解決することで、高電力下での波導スイッチの信頼性を向上させること。
• 高いリターンロスと溶接後の調整機能を備えた新規WR340波導ウィンドウの設計および試験を行うこと。
• 安全でモード依存の運用が可能な、柔軟なPLCベースのインターロックおよび制御システムを統合すること。

提案手法

• SLACでの高電力試験において、非段差付き遷移で見られた電場集中問題を解消するため、電気めっき処理を施した段差付きWR284からWR340への遷移を使用した。
• 30 PSIGでSF6ガスを圧力保持した再加工WR340波導スイッチを高電力試験し、43 MWまでの安定した運用に成功した。
• ガス純度を維持し、ブレークダウンリスクを低減するため、SF6コンditionァー・ドライヤー装置を導入した。
• 溶接後の調整機能を備えたチューナブル波導ウィンドウを設計し、組立公差の影響にもかかわらず高いリターンロス（≥40 dB）を維持できるようにした。
• スイッチ位置および安全インターロックのリアルタイム監視と制御を実現するため、インターロック・チェスティスにプログラマブルロジックコントローラー（PLC）を導入した。
• 故障検出と運用安全性を高めるために、PLC間の離散信号およびハイレベルメッセージングを用いた新しいインターロックアーキテクチャを統合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適切な遷移設計とSF6処理を施した場合、WR340波導スイッチは35 MWのピーク出力で信頼性を持って運用可能か？
• RQ2 段差付き遷移とガス処理を施した再加工WR340波導スイッチの最大信頼性保証出力はどの程度か？
• RQ3 実際の組立公差を想定した溶接後調整機能を備えたカスタムチューナブル波導ウィンドウは、溶接後も40 dBを超えるリターンロスを維持可能か？
• RQ4 PLCベースの制御システムは、動的インターロック論理を備えた安全でモード依存のスイッチングをどのように保証できるか？
• RQ5 ガス処理は高電力波導システムにおけるアーキングおよび劣化を防ぐために果たす役割は何か？

主な発見

• 4つのWR340波導スイッチのうち3つが、反復的アーキングが発生する以前に43 MW以上での運用に成功し、35 MWを超える運用能力が確認された。
• 4番目のスイッチは、処理中の深刻なアーキングにより劣化を来したため、初期のブレークダウンイベントに対して感受性が高いことが示された。
• 電気めっき処理を施した段差付き遷移の使用により、以前の非段差付きWR284からWR340への遷移で見られた電場集中問題が解消された。
• プロトタイプのチューナブル波導ウィンドウは溶接前リターンロス52 dBを達成したが、組立圧力への感受性が高いため、溶接後の調整機構を再設計する必要があった。
• Duke大学FELでの成功した運用を踏まえ、SF6コンディショナー・ドライヤー装置の有効性が裏付けられ、今後の導入を推奨する。
• タイムスタンプ付き故障スタックとオペレーターディスプレイを備えたPLCベースの制御およびインターロックシステムは、正常に試験され、設置準備が整った。