加速器コントロール、モニタシステム
エレクトロ二クスオンラインユーザーズワークショップ 2001 年 10 月 5 日

加速器研究施設(KEKB 加速器ビームモニタ) Makoto Tobiyama☆加速器の制御、モニター対象
多種、多様な構成要素
電磁石系、高周波加速系、真空系、入出射系、モニター類、安全管理等
時間スケールDC〜ビーム周回ごと運転の進化と共に制御対象、モニターも変化していく
KEKB リングのバンチフィードバックシステムを例に紹介

KEKB リング周長 3km(frev=100kHz)
3.5GeV(LER) と8GeV(HER) のdouble ring
最小バンチ間隔 2ns(fRF=508MHz)

コントロールシステム：基本的に EPICS(冷凍機等一部例外あり)
EPICS: Experimental & Physics Industrial Control System「EPICS は ANL および LANL によってその開発が始められた加速器や大型測定装置、大型望遠鏡などにつかわれる分散型制御システムを開発するための、ソフトウェア開発環境と汎用アプリケーションのセットである」

http://www-acc.kek.jp/
WWW-ACC-exp/KEKB/control/

各制御室に VME コンピュータ(IOC) PPC750,603,68k40,68k64 等
OS:VxWorks 上に EPICS システム(device support, sequencer,database 等)がのっている

現場制御室で機器を制御、モニターする方法
1)VME ボード直接からの I/O
2)VME-MIX 経由で VXI につなぐ。VXI ボードから I/O
3)GP-IB 経由(digital volt meter、scanner 等)
4)ARCNET:主に電磁石、多数
5)CAMAC Serial Highway:RF 等昔の機器を使っているところ
6)Serial I/O RS-232 or 422 or 423...
7)その他

ユーザーインターフェース：EPICS 標準ツール、SAD、Python、他
EPICS CA(Channel Access)を通して EPICS database にアクセス
ORACLE Database から設定値の download

MEDM

SADPython

MEDM/SAD/Python いずれも UNIX マシン上で動き、X で描画
SAD/Python はインタープリタ→Network capacity は無限ですか？
→CPU 能力は無限ですか?

PC(Windows マシン)上での EPICS OPI
http://ahfb1.kek.jp/~tobiyama/epics/epics-pc/index.html

加速器のモニター、制御Feedback LER 制御室(富士実験室 B4)
IOC:10 台(HER、LER)

バンチフィードバックシステム

フィードバックシステムブロック図
BPM(Downstream)

BPM(Upstream)

Beam

40cm kicker

4xRF
750MHz
Σ

Σ

Σ

Σ

∆

Σ

Σ

2 Tap FIR
Digital Filter

Vector1

AR 250A250 250W
amp.

DC OffsetsumΣΣ0180
isosum180

04xRF
750MHzΣΣ∆Vector2Σ

509MHzΣΣΣFrom
verticaldetector

DC Offset

Tune Xexcite

バンチ位置検出部(BPM+信号処理回路)
ディジタルフィルター(2 tap FIR＋1 turn delay)
ハイパワーアンプ＋キッカー

sum0180
isosum0180A)一般的なもの(既製品)
VME:I/O:(PVME-501、RPV-130 等)、
遅い A/D(PVME-332 等)、[loss monitor 等]
遅い D/A(PVME-632 等) [パラメータ設定等]
NIM: タイミング関係、遅い Logic 等
Fan-out(〜100kHz)、Logic-converter(TTL-NIM)
B)特注品

VME:570MHz digital delay TD-4V,17k73 active I/O、2 タップ FIR フィルター、
Digital memory board、バンチ電流モニタ 、17k46 アンプ IF、17k53 チ
ューン測定 IF 等

NIM:高周波アンプ、phase shifter、step delay、I/O interface、RF スイッチ、attenuator、高速 RF スイッチ等

箱もの：bunch position detector、cable filter 等

特注品の発注先：
デジテックス研究所、朝日技研、三光社、R&K、林栄精器他（各社得意分野に応じて）その他、自作モジュールもそれなりにあり。

例:VME モジュール TD-4V (http://ahfb1.kek.jp/~tobiyama/epics/td4v-new)
570MHz ディジタルディレイ
508MHzRF 信号をカウン
ターで数えてスタートパル
スを 2ns ごとに delay 出来る
jitter〜3ps 程度
世界各地？の研究所で採用

例 2TAP FIR フィルター

2ns ごとに来るバンチ位置データをAD→2Tap FIR で DC off→DA•Development of a high-speed digital signal process system for bunch-by-bunch feedbacksystems,
Makoto Tobiyama and Eiji Kikutani
Phys. Rev. ST Accl. Beams 3,012801(2000)

例 バンチ電流モニタ

2GHz FIR BPF
FB-BPMΣΣ

750MHz LPFΣΣΣ∆φDC Amplifierand DC shifter

4 x fRF(2GHz)
BunchCurrent

RF(509M)
sync. sig.

Bunchcurrent
Monitor

VMEbusExtension

Injection Timing
Stop Trig.
Selector

1Hz forstorage mode

Shard memory
board

EPICS
Database

Optical filber Link
Fill pattern generator at
CCR

Bucket selector at
Linac

入射時：
1)injection trigger で memory board を stop
最大繰り返し 50Hz (LER、HER 同時でも可)
2)memory board から VME へ割り込み→データ転送
割り込み response 21µs、5120 バンチデータ転送 1.4ms(D32)3)EPICS レコード処理＋shared memory へデータ書き込み4)shared memory データが Linac control VME へ割り込みをかけ、次回入射バケツ選択プログラム作動
Bunch current equalizer(BCE)
蓄積時1)1Hz トリガーで bunch current data 取得
2）一般公開バンチ電流データは 5 秒に 1 回更新

例 バンチ振動レコーダー(BOR)
Feedback ON/OFF の transient でのバンチ振動を 5120 バンチ×4096 turns 記録(20MB)→Instability の growth、mode→feedback の性能
Transient-domain analysis
MLH03NO V2000-003.ADC

450,000
400,000
350,000
300,000
250,000
200,000
150,000
100,000
50,000
200

400

600

800

1,000

1,200

例 高周波モジュール バンチ位置検出回路ブロック

例 リモートオシロスコープ
Web 上で scope 制御
但し画像データは VGA→TV 変換でリアルタイム表示

加速器で使用するモジュール☆基本的に長期間使用する。
加速器の寿命がつきるまで使い続けるものもあり。
運転中に取り外すことはできない→一遍借りたら当分返せない。
☆汎用性がないものが多い
多種多様な制御、モニター対象に対して汎用性は難しい。
一般的なモジュールでも(加速器内部でも)融通が全く利かないものも多い。
汎用性を考える余裕、お金がない
トリスタン時代はコントロールグループがある程度の共通モジュー
ルを一括設計、製作、管理→今は？？？（但し、モジュール等を作るグループは限られてはいる）

しかし☆加速器の運転・保守予算＋人的資源は慢性的に極度に不足している☆機構全体でもきっとお金 or 人が余っているわけではない？
機構全体で最も効率よいお金、人的資源の使い方→無駄のないモジュール開発→知識の共有→ストック等の有効利用→よりよい研究につながる