The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

直接デジタル検波方式による陽子シンクロ卜ロンビーム位置検出器の開発
林 直 樹 A)、荒 川 大 B) 、廣木成治 A)、李 成 洙 B)、
三 浦 孝 子 的 、外 山 毅 的 、 豊 川良治〜A)日 本 原 子 力 研 究 所 東 海 研 究 所 大 強 度 陽 子 加 速 器 施 設 開 発 セ ン タ ー〒 319-1195 茨 城 県 那 珂 郡 東 海 村 白 方 白 根 2-4B)高 エ ネ ル ギ ー 加 速 器 研 究 機 構 〒 305-0801 茨 城 県 つ く ば 市 大 穂 1-1x=k

概要
大強度陽子加速器のシンクロトロンでは、ビーム位置検出器の検波方式に、電極からの信号波形を直接デジタル化し、ソフトウェア処理で位置を求める方式を採用する。 この方式の利点は、広帯域であり、C O D 測 定 、ターン毎の位置 検 出 、 どちらにも対宏ヽできることである。
本報告では、試作 した アナログ処理回路と高速A D C を用 い た KEK-PS主リングでのテスト実験について述べた後、今後の開発課題について述べる。

厂一/?

⑴

L+R

ここで、I ，及は、左 右 （若しくは、上下の）電 極 の 信 号 （電圧) 、たは、校正作業により決定する比例定数である。 （「対角線分割電極」型の場合、理想的には、真空容器の内半径となる。） シングルパスモードでは、時間領域の波形でのピーク値を求め、⑴ 式 に 当て はめ て、算出する。

2 .1 高 速 14bitADC

目標位置精度より、L，R は、 1/1000 (60dB) 程度の精度が必要となる。
また、入射から出射エネルギーまで、 ピー
1はじめに
ク 電 流 I p の 値 で 4〜 5 倍変イ匕すること、片極性だけ使うた大強度陽子加速器施設（J-PA RC )の 2 つのシンクロト
め の 余 裕 2 倍を考慮し、最 低 8 0 d B のダイナミックレンジ
ロ ン(3-GeV Rapid Cycle Synchrotron; RCS と 50-GeV Mainを必要とする。
Ring; MR)では 、各四極電磁石毎に配置されるビーム位置モ
サンプリング速度は、シングルパスモード時の波形よりニター、Beam Position Monitor (BPM)で、それぞれ、0.1mm、決 定した。加速終了近くでバンチ長が一番短くなるのは、0.2m m の （水 平 • 垂直方向共）位置測定精度を目標としてRCS で 約 1OOnsec、M R で 約 67nsec (18R Fbuckets運転時いる[1]。 これは、 円 形 真 空 容 器 の 内 半 径 の 約 1 /1 0 0 0 程度は、 この半分）であり、 こ の 1 /2 が必要最低限のサンプリに相当し、 目標を達成するには、電 極 、信号処理回路、そング周波数（R C S で 、20MS、M R で 30〜6 0 M S ) となる。
れぞれで十分な設計をする必要がある。
これらの条件より、数 M H z領 域 で SFDR (Spurious-Free
大強度の陽子ビームは、空間電荷効果により広がるため、 Dynamic Range) 90dB 以上、40〜80M SPS以上のサンプリン
センサヘッドは、単 純 な 平 行 4 分割電極ではなく、線形出グ 速 度 を 持 つ 14 bit ADC (214= 8 4 d B ) を選択した。
力特性を持つ円筒の対角線分割電極を選択している[2]。円筒形にするのは、内径を極力確保するためで、長方形断面
では、アパチャー確保の点や不連続面の存在によるインピ
2.2 ア ナ ロ グ 回 路一ダンス増加などの点で不利となる。また、RCS，M R どち
B P M は、定格運転時の大強度ビームだけでなく、 コミらも機器配置上のスペースが極端に限られているため、補ッシヨニング時の比較的低強度でも使用する必要がある。
正電磁石とスペースの共用をする。特 に R C S 用 は 、25Hz
運 転 の た め 、渦電 流の 影響を抑える薄肉設計としている。 高 速 A D C の入力範囲± 1 V 程度 に、信号電圧をあわせるたビーム位置モニターは、同期検波方式、ログアンプ方式、 め、 アナログ回路は、広範囲をカバーする減衰器、及び増幅器を持つ。低域フイルター(RCS用 5MHz、M R 用 10MHz)などが検討されたが、閉 軌 道 の 観 測 (C O D 測定) 、 1 回通は、折 返し も 十 分 小 さ く な る よ う A D C のナイキスト周波過 で の 位 置 測 定 （シングルパス測定） ともに同じ回路で使数に対し余裕を持つた設計としている。
用できる、R C S では、時間的制約も加味し、デジタル検波方式を採用することとした。

2信号処理部の設計

信 号 処 理 の ア ル ゴ リ ズ ム は 、以 下 の 通 り で あ る 。 高速A D C により波形を取り込み、C O D 測定モードでは、 FFT処 理し 、特定周波数のピークを対向鼋極で比較し、次式により位置を出す。
図 1 : アナログ回路ブロック図。

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また、 アナログ回路部分、及 び A D C 部分でのチャンネル間のゲイン差を補正するため、較 正 用 の 測 定 モ ー ド （レファレンスモード） を設けた。 これは、 2 つの信号を混合し等分に分けて信号出力するモードである。 この回路のブロ ッ ク 図 を 図 1 に示す。

が少し大きいところは、信 号強度が、約-3 7 d B m 以下で、S /N 比が悪化した時間と一致している。擬似的位置データ
は、約 4.8m m で 、アツテネー夕以降、チャンネル間に特性差が無ければ、ゼロになるはずである。通常測定モードでは、 この分を補正し、 プ ロ ッ ト し た （
図 5 )。

テス卜実験

32 . で述べた、信号処理方式の検証のために、2 0 0 2 年末にかけて、K EK -PS主リングでテスト実験を行った。テストに使った信号は、I-6F セ ク シ ョ ン の giant型(k=75)のセンサヘッドで、同 セ ク シ ョ ン の normal型(k=60.9)の （従来のダイオード検波方式による）位置データを比較ために使用した。

3 .1 回 路 構 成 及 び 、 ADC ボード
2 .2 の試作アナログ回路、若しくは、10M H zフィルターを、A D C の前段回路として用いた。A D C ボードは、2 チ
図 3 : F F T 処理後、周波数領域データ。R F 周波数のピーク
ャ ン ネ ル 14 bit 65M SPSの ADC (AD6644)を持つPCIカード
値 が 、8M Hz付近に見られる。
夕 イ プ の ICS-652[3]をWindowsXPの P C に入れて使用した。
テスト用のプログラムは、LabViewで作成した。 サンプリ
ング周波数は、64M SPSの内部クロックである。 図 2 は、前段回路を接続する前の状態で確認したもので、ノイズレベルは平均約- 1OOdBmであった。アナログ回路を接続しても、ゲ イ ン 1 ， 2 倍 で は 、殆ど変化が無かった。ゲ イ ン 10倍 では 、約-96dBm、1 00倍では約-76dBm、と全体のノイズフロア一が上昇してくるのを確認した。

0— - - - T 4■2«01 Sec^-

図 4 : レフ ァレ ンス モー ド で の 位 置 換 算 プ ロ ッ ト （〇） とRF周波数のピーク信号強度（実 線 ；右側のスケール)。

r%

24681012141618 晰20

図 2 : F F T 処理後、 ノイズデータ。

3.2 COD 測定モード
こ の モ ー ド で は 、 1 フ レー ム当 たり サン プリ ング 点数
1 0 2 4 点 、又 は 2 0 4 8 点とし、入射からデバンチされるまでを 1 0 0 または、1 5 0 フレーム分のデータを取得した。 デ一
夕処理は、オフラインで行った。処理手順は、ま ず 1 フレー ム ず つ 窓 関 数 （ここ では Hanning窓）をかけながら、FFTを行う（
図 3 ) 。次 に 、R F 周波数のピーク値を求め、左右の電極での値を比較し、式(1 )を使って位置を求めた。以下 、各フレーム毎、 同じ処理をし、時間変化を調べた。
レフアレンスモードのデータでも同様の処理を行い、擬似的に位置データを算出した（
図 4 ) 。測定のばらつきは、土0.1m m 程度の幅に収まっていることが分かる。ばらつき•00.20.4^0.6Oil

1 1 ^1-4^

図 5 : 各方式によるビーム位置の時間変化。
(〇 ：デジタル方式、実 線 ：従来型）
時間情報としては、各 フ レ ー ム 毎 に OS (WindowsXP)の時刻を書き込んだものを使っているが、 リアルタイム性が保証されないため、誤差が残っていると考えられる。
図 5 では、加 速 開 始 後 （0 . 5 秒以降） のデータでは、従The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

来型をほぼ再現しているが、最初のバンチ入射から加速開始直前までは、大きな差があり、その要因追求が今後の課題である。

3 .4 シングルパス測定モード
このモードでは、A D C ボードの最大メモリ長、0.5M 点(524,288点 、8.192m sec分)のデータを各チヤンネルで取得し、オフライン解析を行った。 図 6 は、 あるチヤンネルから得られた、最初のバンチの入射前後の波形である。 ピー
クの値から、A D C の各チヤンネルのもつオフセツトを差し引いた値を式(1)で、左右評価し位置を決めた。

01-I - I I - -卜|
^一I-I
1o q.
.
.

-0
I—-00、

24S

8101214psec

図 6 : 入射直後の波形データ。

,-

1 周ごとにあたる各ピークで、位置を決定し、0 . 8 ミリ秒までプロットしたものが図である。最初の振動は、入射直後のベータトロン振動が見えている。

_ ■ I ■ I » I , 1 ■ I , I . I .
01000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000
MSOC

図 7 : シングルパスモード位置データ。

4参考文献[ 1 ] Y. Yamazaki, eds, Accelerator Technical Design Repor for
High-intensity Proton Accelerator Facility Project, J-PARC,
KEK-Report 2002-13; JAERI-Tech 2003-044.
[2] T. Toyama, et ai” in this Proceedings.
[3] http://www.ics-ltd.com/product_catalog/ics一652.html.

fs-0-0は、 1 ：
7 レーム当たりのサンプリング点数を増やすか、あるいは、decimation、 デジタルフィルタリングにより実効サンプリングレートを低下させて測定時間を稼ぐなど、対応する必要がある。
また、FFT及び 、その前後の処理を、あらかじめプログラミングされた半導体上で行う場合には、演算中に有限ビット長の問題が出てくるので、それらに関連する考察も必要である。

まとめ

直接デジタル検波方式により、COD測定モードとして、FFT処理して位置を導き出す方法が実用的である、 と確認された。 同 じ A D C ボードによるデータで、 1 周ごとの位置データを決めることも出来た。ただし、CO D 測定モードについて、一部の時間領域で、従来型との系統誤差が残っており、 これを調べることが、今後の課題である。
今 回 テ ス ト 実 験 を 行 っ た KEK-PS 1 2 G e V に比べると、J-PARCの周回周波数、R F 周波数は、 ともに小さくなる。
そ の た め C O D 測定モードでの、周波数分解能を上げるに