Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-21]F eedbac k System of the RF Phase in KEK-A
TF Linac

T. Okugi, H. Ha yano, M. Kuriki and T. Naito
Accelerator Laboratory,
High Energy Accelerator Research Organization
Oho 1-1, Tsukuba, Ibaraki 305 Japan

Abstract

KEK-A TF linac is built in the Assem bly Hall for TRISTAN project in 1991. The thermal
condition of the hall is not good enough for a stable linac operation, because the temperature

of the klystron gallery is drifted by 1 C within one day. RF phase is also drifted by 3-5

 of theS-band frequency in day and night. In order to control the RF phase, we installed RF phasedetectors, which have S/H circuit in order to use for pulsed RF. By using the phase detector,
an RF phase feedback system was tested. It was found that a stable klystron operation could
be performed within the phase drift of60.5 in a day.

KEK-ATF リニアックにおける RF 位相フィードバック

ではクライストロン出力の長期ド リフトに関する安定リニアックで現在検討を化の一環としてについての報告をおこなう。
進めている位相I. INTR ODUCTION

KEK-A TF
KEK-ATF はリニアコライターのための試験加速
feedback器として 、1991 年からトリスタンのアッセンブリーホールに建設が開始された。リニアックは 10 台のクライストロン (入射器用１台、エネルギー補償用１台、II. PERFORMANCE OF PULSE TYPE
主リニアック用８台) を用いて、電子ビームを最大 1.5PHASE DETECTORGeV まで加速できるように設計されている。また、現 クライストロンの位相検出には 、日本高周波社製
在は約 1.3 GeV のビームエネルギーでの運転を行っの位相検出器を使用した。本位相検出器のブロック図ている。
KEK-ATF の建設がおこなわれたアッセンブリー を FIG. 1 に 、主なパラメーターを TABLE I に示す。本位相検出器は、パルス型の高周波に対応するよホールは加速器を建設するのに適した立地条件である入射器で開発された位相検出器を基にしうにとは言いがたい。例えば、アッセンブリーホールには、回路を追加したものである。て、ホール全体に対する冷却設備が備わっていないため、
本位相検出器の１つ目の特長は、中間周波数をアッセンブリーホール内の気温は、外気温の変化に非に選ぶことにより、最短入力パルス幅
程 の温度変動を生常に敏感であり、夏冬ではに対して位相検出を可能にしている。
度のパルス
電力はとの共通ラインでじる。また、以上という比較的また、２つ目の特長として、運転中は 、その運転周期に同期あるため、広域の動作範囲が保証されているがあげられる。
電圧の変動が発生する。これらの劣悪な環境
した
Limiter
下での運転を要求されているのに対して、
DBM
Amp.
リニアックはダンピングリングの入射器として、エネ
Integration
2856 MHz
Circuit
Test Signalまで抑えたビームを、以内のルギー拡がりをExOR
LPF
Phase Output
以内のエネルギー変動というビーム電流変動、Limiter
条件下で運転しなければならないという厳しい課題を
2856 MHz
DBM
LPF
S/HAmp.
Reference Signal
Phase Output
課せられている。 これらの条件を満足するためには、( S/H )
位相変動は全クライストロンに同期した変動に対してS/H Trigger 以内、同期していない変動に対しては
はFIG. 1. 位相検出器のブロック図以内に抑える必要がある。
ではビームジッター等の軽これまで、TABLE I. 位相検出器の主なパラメーター減を目的とした短期間の安定化に対して 、電子銃の項目
装置性能
タイミングジッターの軽減、クライストロン変調器の周波数285665 MHzを含んだ回路の開発等により中間周波数130 MHz対応してきた。また、長期ド リフトに関しては、各ク 入力パルス幅
300 ns  C.W.
ライン 光 基準信号レベル
ライストロンへ伝送される-30+5 dBm
ケーブル の位相安定化 、クライストロン冷却水の 試験信号レベル-10+5 dBm

温度安定化、クライストロン室の空調設備の導入 ク 位相検出範囲-360+360 内の連続する 540
ライストロン自身の空調は導入したが、変調器の空調 位相検出精度
61 (基準信号 0dBm; 試験信号 -150dBm)は導入できていない 等の対処をおこなった。本発表

KEKB
S/H

AC
KEK-PSACMHz10-20 C
KEK-PSKEK-A TF

1%0.1%

1%

130300 ns

RF30 dB

RFIFLO

Oscillator
2726 MHzRFLOIFTrig.

62.6

67.7

KEK-A TF

feed-forward

De-Q)

[2]

[1]

RF reference

(()

−189−

FIG. 2. 位相検出の様子

FIG. 2

RF343638

Room Temparature [°C]

3240

S/H
SLED

FIG. 3. 位相検出器の温度変化特性-230-1012(FIG. 3)
1 deg.

0.3 deg./ C
1 deg.

KEK-ATF

S/H

10

クライストロンの位相検出の様子をに示す。チャンネル１にはクライストロンから出力されたの波形、チャンネル２には、トリガー、チャ前と後ンネル３、チャンネル４には、それぞれではをの位相信号を表している。
使用しているため、チャンネル３の出力波形には、位相反転をおこなっている様子があらわれている。
位相検出器に関する系統的誤差の評価をおこなうため、位相検出器およびフロントパネル上のケーブルでの温度変化特性に関する測定をおこなった。測定は、通常運転時にクライストロン室で、３日間にわたり分毎におこなわれた。この測定を通して、位相検出器
 であり、通常の出力信号の温度依存性は程度であることが確運転時の位相測定精度が。この結果から、本測定システムを認された以内の位相変動を評価するこ使用した測定でとは難しいことがわかった。

Phase Drift [degrees]

RF(a)

(b)

I

002

Time [day]31

Modulator Room

2

Time [day](44

Cooling Water

Klystron Room

3RFFIG. 4(a)3-5 deg.

Klystron #2 PhaseTemparature around Klystron

1Klystron #5 Phase

Klystron #1 Phase

Klystron Phase Drift in KEK-ATFPFN)

FIG. 4(a)KEK-

FIG. 4. クライストロンの位相変化と周辺温度変化

28303234363840-25-20-15-10-50

510

1-2 C

FIG. 4(b)ATF

RFのクライストロンの制御システムは 、ド ライバークライストロンを使用しておらず、基準信の基準信号を光ケーブ号生成器により生成されたルで各々のクライストロンへ分配し 、その基準信号をアンプにより増幅し 、ク各クライストロン付近でライストロンへと入力する形態を採っている。 節で述べたように、基準信号を各クライストロンへ分配している光ケーブルは、既に充分、温度変化に対する位相安定化がおこなわれている。そのため、位相測定はこの基準信号の位相とクライストロンの出力位相を比較することによりおこなわれた。また、測定はの通常運転時におこなわれ 、位相測定には上記に示した位相検出器を用いた。測定されたクライストに示す。
ロンの出力位相の変化をからクライストロンの出力位相は昼夜での位相変化が生じていることが分かる。また、日周変動よりも更に長い周期の長期位相変動も同時に観測された。一方、クライストロン周辺の温度変化の様子をに示す。クライストロンの冷却水 コレク
ター部およびボディー部 は、要求を満足する精度で制御されているが、クライストロン周辺の温度は、昼夜 程度の温度変化が生じていることが分かる。
でクライストロン周辺温度とクライストロン位相との間には、非常に強い相関があることから、クライストロンの出力位相の日周変動は周辺温度の変化により生じていると推測される。しかしながら、日周変動よりも更に長い周期の位相変動の原因は、現段階では完全には解明されてはいないが、これらの原因として変調器充電電圧の変化やア付近の温度変動によるンプ内での位相変化等が考えられる。

KEK-ATF

III. RF PHASE DRIFT OF KEK-ATF LINAC

Klystron Phase [degrees]
Temperature [°C]IV. PHASE FEEDBACK SYSTEM OF

V. DISCUSSION

KEK-ATF LINAC

前節で述べたクライストロンの出力位相変動の抑によるクライストロン出制のため、我々は力位相の制御を考えている。クライストロン位相のに対するブロック図をに示す。前節で述べたように位相変動の制御は非常遅い周期であるため、また、位相検出器の測定精度を向上させるたには時定数秒のローパスフィめ、ルターを使用している。の運転時の実装に 先だって 、実際のシステムの試験をおこなった。の利得は、最大程度の可変範囲がある。本試の利得がの範囲で発験では、振を起こさずに安定に動作することが確認された。そのの利の典型的な結果として、得でおこなったときのクライストロン位相の時間変化に示す。には、の移をにより安定化された位相を相器の制御量とは正常に動作し 、に示してある。
より、クライストロン位相の変化量が日周変化で全幅以内に抑えられることがわかる。この値
でに比は温度変動からくる位相測定の系統誤差べて充分小さいため、クライストロンの出力位相の変程度まで抑えられたと言える。
動は系統誤差Feedback

Feedback

FIG. 5feedback loop

feedback

1.4

KEK-ATF

feedback loop

50 dB
feedback loop

5-35 dB

10 dB feedback loop

FIG. 6

FIG. 6Feedback
Feedback

Feedback loop

Feedback

0.2 deg.

前節まではクライストロンの出力位相の安定化に関する議論を進めてきた。しかしながら、リニアックを真に安定化するためには、クライストロンの出力位位相を安定化相ではなく、加速管に入る場所でのでは各クライストロンかせねばならない。の導波管でを移送してら加速管までは最大いる。リニアックのコンクリートシールド 内は以内の温度制御をおこなっているが、節で述べたようにクライストロン室は約  程度の日周変化を生じる。導波管は、このクライストロン室を最大で約通ることになる。つまり、昼夜で導波管内で最 の位相変化が起こることが予測される大約。
ではの出力や位相検出のため、各検出ポートからクライストロンまで加速管直前のケーブルが用意されている。しかしながら、現段階でに比べて充分はケーブルの温度安定性がに保たれていないため、また、現状の位相検出の測定精度との兼ね合いもあり、加速管直前の位相に対してをおこなっていない。

Feedback System for KEK-ATF Klystron2856 MHz Reference
from Master Oscillator

Feedback Module

O/E Convertor

Input

RF Amp.

Input

OutputOutputRF.B. In

Time Constant
0.4 - 1,375 msec

Phase Controller
Phase Shifter

Phase Shifter

Input

Input

Loop Gain
0 - 60 dBPolarity Change

Control OutCOutput
Control In

OutputPhase Detector

Ref. In

Feedback Module

F.B. In

RF1C

0.1 CIII

25 m
1 deg./ C[3]
KEK-ATF
RFRF

1 deg./day

feedback

1 deg.

1 deg.

RF

KEK-ATF
40 m

VI. SUMMARY

3-5

クライストロンの出力位相を測定したところ、 の日周変動とさらに長い周期の位相ド リフトが検出された。日周変動はクライストロン室の温度変化によるものであると推測されるが、長い周期の位相ド リフトに関しては、現段階では原因は理解されていない。これらの位相変化を抑え、クライストロンの出力を安定を試みた。位相化させるため、位相は期待通りの動作をし 、クライストロンの出力位相は以内で安定化された。

feedback

feedback

1 deg.

Phase Out
Test In

Control InAmplitude Controller
RF Amp.

Input

OutputControl In

Control Out

VII. ACKNOWLEDGEMENT

Klystron

KEK-ATF

本研究を通して御助言をして下さったのスタッフ、学生の方々、また、クライストロンの運転をサポートして下さった 有 イーキューブの方々、開発を助けて頂および 、データ収集の際のいた 株 関東情報サービスの方々に感謝致します。特の変更に臨機応変に対応してくれに 、急なた小沢順一氏には深く感謝しています。最後に本研究をサポート頂いた木原加速器施設長、高田加速器総主幹にこの場を借りて感謝申し上げます。

FIG. 5. Klystron 位相 Feedback のブロック図( )Result of Feedback for Klystron Phase

Phase [degrees]2
Klyston Out Phase

0-2

( )
softwaresoftware-4[1] 栗木雅夫, in this conference (12P-20).

Amount of Feedback-6[2] 坂本智弘, 平成 8 年度東北学院大学修士学位論文.

-8-10051015202530

Time [hours]
FIG. 6. Klystron 位相の Feedback の結果

35[3] 安積隆夫, 第 23 回リニアック技術研究会, p.202.