大型放射光施設 SPring-8

公開日

2018年06月16日

2018年6月18日
理化学研究所
高輝度光科学研究センター
ニチコン株式会社

※共同研究チーム

背景
　パワー半導体の技術革新は、目覚ましいスピードで進展しつつあります。パワー半導体を取り込むことによるシステム性能の大幅な改善が、幅広い分野において期待されています。
　理研放射光科学研究センターでは、この最新のパワー半導体技術を、X線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLA^[3]の2本のXFELビームラインをパルスごとに切り替えるための、電子ビーム振り分け電磁石用電源に適用しました。軟X線から硬X線の短波長領域のレーザーでは、通常のガスや固体のエネルギー状態（準位）^[4]間の反転分布^[5]を利用したレーザー増幅を起こすことが困難です。そのため、高品質（高輝度）の電子ビームを光速に近い速度で蛇行させ、発生した自発放射光と電子ビームの相互作用により、レーザー波長に相当する密度変調（濃淡）を電子ビームに形成し、レーザーを増幅します。通常、このXFELでは、電子ビームを加速する直線型加速器の下流側に設置された1本のビームラインにのみレーザーが供給されます。
　X線レーザーを利用する研究は急速に拡大しており、ビームライン数を増やし利用時間を拡大することが喫緊の課題になっていました。そこで、共同研究グループは、高速で磁場を変更できる電磁石で電子ビームを振り分け、XFELを同時に複数のビームラインに提供できるシステムの構築を目指しました。

開発手法と成果　
　目標とするパルス電源の主要性能は、① 60 Hzの繰り返しで運転可能、② 60 Hzの繰り返しごとに任意のパターンで運転が可能、③ 定格出力電力：0.24 MW（電圧1 kV、電流240 A）、④ 電流の安定性：240 Aに対して変動量が0.002％以下、⑤ 電流の設定範囲：-240 A～+240 Aです。従来の共振回路^[6]やPFN（Pulse Forming Network）^[7]を用いるパルス電源では、これら全ての性能を同時に満たすことができません。特に、パルスごとに電流のパターンを自由に変更することは、これらの電源では不可能でした。
　一方で、60 Hzのパルスごとに、電流の大きさや流れる方向も含め任意に電流パターンを制御するには、4象限電源^[8]が適しています。しかし従来の4象限電源では、大電流から微小電流にわたる広い範囲で電流の安定性を達成することが難しく、同様に目標の性能を満たすことができませんでした。
　4象限電源の最大出力電力や電流の安定性は、使用するハイパワー素子の性能向上により改善できます。検討の結果、1 kV以上の高い耐電圧特性を持ち、100 A以上の大電流を100 kHzを超える速度でスイッチングができる「SiC MOSFET」によるチョッパーユニットを2直列5並列に組み上げ、これらを高精度のPWM（Pulse Width Modulation）^[9]により制御することで、目標とする主要性能の①から④までを同時に達成できることが分かりました。この基本回路をベースに実際の電源の詳細設計、フィードバック制御の最適化、詳しい回路特性の評価を行いました。
　最後に残された課題は、ゼロ電流付近における電源動作の不安定性でした。これを解決するため、余剰電流を通過させるバイパス回路を導入しました。低電流時に、負荷（今回は電磁石）をバイパスする回路に電流を流すことで、一定量以上の制御電流を確保できます。さらに稼働するユニット数を減らし、１台のユニットの出力電流の下限を制限するシーケンスを実装し、低出力電流時における電源動作の安定性を実現しました。これにより、⑤のゼロをまたぐ広い電流範囲において、目標性能を満たす運転を実現できました。
　開発した電源の系統図を図1に、240 Aの出力電流における電流の安定性を図2に、電源本体の外観とチョッパーユニットの写真を図3に示します。電源の製作はニチコン株式会社が行いました。

今後の期待
　進歩の著しいパワー半導体デバイスを4象限電源に適用することで、高い出力と優れた電流安定性を備え、パルスの出力ごとに電流パターンを変えられるという、これまで実現できなかった電源の開発に成功しました。本研究成果によりSACLAでは、平成28年2月に初めて成功したXFELのパルス振り分け運転におけるレーザー品質が大幅に向上し、全て実験が振り分け運転により可能となりました。平成29年9月より振り分け運転が供用運転における標準運転モードとなり、利用実験時間の拡大が実現しています。
　今後も利用ニーズの拡大が見込まれる他のXFEL施設においても、同様の振り分けシステムと電源を導入することで利用効率が向上することが期待できます。また、今回開発したパルス電源は、電力で駆動するあらゆる機器に適用が可能です。任意の電流や電圧パターンを利用する機器の運転に今回の成果を適用することで、さまざまな生産システムの高度化にも貢献できると考えています。

補足説明
[1] SiC MOSFET
SiC（シリコンカーバイド）製のトランジスタのパワー半導体素子。現在、主流となっているSi（シリコン）製のパワー半導体素子と比べ、高速かつ電力損失が小さいスイッチングが可能。高周波化することによりインダクタなどの構成部品を小さくできるため、電源製品の小型化が可能であり、使用部材の削減や製品輸送時のエネルギー削減など、さまざまな省エネルギー効果の波及も期待できる。

[2] X線自由電子レーザー（XFEL）
近年の加速器技術の発展によって実現したX線領域のパルスレーザー。従来の半導体や気体を発振媒体とするレーザーとは異なり、真空中をほぼ光速で移動する電子ビームを媒体とするため、原理的な波長の制限はなく、X線領域で使用できる唯一のレーザーである。XFELはX-ray free-electron laserの略。

[3] SACLA
理化学研究所と高輝度光科学研究センターが共同で建設した日本で初めてのXFEL施設。科学技術基本計画における五つの国家基幹技術の一つで、2006年度から5年間の計画で建設・整備された。2011年3月に施設が完成し、SPring-8 Angstrom Compact free-electron LAserの頭文字を取ってSACLAと命名された。2011年6月に最初のX線レーザーを発振、2012年3月から供用を開始した。0.1ナノメートル（100億分の1m）以下という世界最短波長のX線レーザーを発振する能力を持つ。 詳細はhttp://xfel.riken.jp/

[4] エネルギー状態（準位）
原子や分子の中で束縛されている電子は、その系に特有な離散化されたエネルギー状態（準位）を持ち、任意のエネルギー状態で存在ができない。エネルギーの低い順に、この準位を、基底状態、第一励起状態、第二励起状態と呼ぶ。

[5] 反転分布
系の中に存在するエネルギー状態の占有率は、通常、エネルギーの低い状態の占有率が高い状態の占有率を上回る。例として基底状態と第一励起状態を考えると、電子は基底状態に多く存在する。例えば外部から光を入れて、基底状態の電子を励起し、第一励起状態に押し上げると、第一励起状態にある電子の存在確率を基底状態に比べ大きくできる。このように占有率がエネルギー状態間で逆転した分布を反転分布と呼ぶ。この状態は、レーザー増幅に必要な誘導放出を起こすために必要。

[6] 共振回路
コイルとコンデンサ間の電気エネルギーの移動を利用した回路。コイルとコンデンサの特性で決まる特定の共振周波数で電流の振動を発生させる。

[7] PFN（Pulse Forming Network）
多数のコンデンサとコイルをはしご状に接続した電気回路。回路の端に接続された高速大電流のスイッチを導通させると、コンデンサに蓄積した電気エネルギーがコイルを通して順番に放出され、矩形など決められたパターンの電流を出力する。

[8] 4象限電源
磁石などの負荷に対し、プラスとマイナス両方の極性の電圧と電流を出力でき、さらに負荷へ電力を供給することも、負荷に蓄えられた電力を吸収（回収）することも可能な電源。

[9] PWM（Pulse Width Modulation）
スイッチのオン・オフを繰り返しながら電流を制御するチョッパー回路にて、スイッチをオンにする時間の幅を変化させることで、平均的な通過電流の大きさを変える制御手法。