Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-36]

Timing System for Multi-Bunch/Multi-train operation at ATF

T. Naito, H.Hayano, J.Urakawa, T.Imai*
KEK, High Energy Accelerator Research Organization
1-1, Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki, Japan*Science University of Tokyo
A timing system has been constructed for muti-bunch/multi-train operation at KEK-ATF. The
linac accerelates 20 bunches of multi-bunch with 2.8ns spacing. The Damping Ring stores up to 5
trains of multi-bunch. The timing system is required to provide flexible operation mode andbucket selection. A personal computer is used for manipulating the timing. The performance ofkicker magnets at the injection/extruction is key issue for multi-train operation. The hardware andthe test results are presented.

マルチバンチ／マルチトレインビームの入射取り出しのためのタイミングシステム
0. はじめに
KEK の将来計画 であるリニア コライダーは 、TeV 領 域 を 目指 す る 線形 加 速 器で あ り 、 High
Luminosity を実現するために特徴のある運転がなされる設計になっている。リニアコライダーでは、1.4ns（または 2.8ns ）の間隔を持ったマルチバンチビームが加速され、そのダンピングリングでは、十分なダンピングタイムを得るために連続的に複数のマルチバンチビーム（マルチトレイン）を入射し、複数の入射周期の時間ダンピングリング内に滞在した後に連続的に取り出される様な設計になっている。
リニアコライダーを実現するための実証マシンで射/取出しの繰り返し周期を遅くすることなくダンピングリング内にビームが滞在する時間を増やすことが出来る。ATF ダンピングリングの場合、繰り返しは 25Hz(40ms) であるのに対し、ダンピングタイムは〜27ms である。 マルチトレイン運転をするために連続的に入射/取出しのタイミングを変更するわけであるが、複数のタスクを処理している制御用計算機では、40ms 以内で処理する（リニアコライダーでは 6ms 以内）ことは難しいため、また、複雑な運転モードを電子回路のみで構成するのは煩雑になりすぎるため、シングルタスクのパーソナルコンピュータを用いてシステムを構築した。

ある ATF では、このような動作を実現するために既に熱電 子銃に よるマ ルチバン チビー ムの生 成[1][2]、マルチバンチビームのエネルギー拡がりをATF では、ワンターン入射/取出し方式を採用しておりマルチトレイン運転の場合、後から入射されるビームのためのキッカーパルスが既に入射されて抑えるためのエネルギー補正システム [3]、それらを制御するためのタイミングシステム [4] 等の開発いるビームにどの様な影響を与えるかはキッカーマ
グネットの立ち上がり/立ち下がり特性が大きく影が行われており、本研究会でも報告されてきた。
今回は、マルチトレイン運転を実現するためのタイミングシステムを構築したので報告する。

響する。 このシステム構成とテスト結果について報告する。
40ms 40ms 40ms 40ms40ms

Injection
beam

Train1
Injection to#0 bucket

Train1

1.

マルチトレイン運転

Train5

マルチトレイン運転は、図１に示すように連続的に最大５個のマルチトレインビームをダンピングリン
グに入射し、５倍の入射周期の時間ダンピングリン

Damped #264
beam

グ内に滞在した後に順次取り出される様にしたものある。この様な運転モードにすることによって、入−234−

Extraction from#66 bucket

Train2#0Extraction from#132 bucket

Injection to#66 bucket
Train2#66

Train3
Injection to#132 bucket

Extraction from
#198 bucket

Train4#198
Train4Extraction from#0 bucket#132

Injection to#198 bucket

Train3Train5Extraction from
#264 bucket

Injection to#264 bucket

図１

ダンピングリングのマルチトレイン運転

1. システム構成
今回のシステム構成を図２に示す。ATF のトリガ

２. 動作テスト
マルチバンチの加速試験はすでに行われ２０バン

信号は LineSync Module により電源同期した任意のくり返 し信号 が生成 される。 各トリ ガ信号 はチのビームをダンピングリングに入射可能なエネルギー拡がりに押さえられることが確認されている。

TD2 と呼ぶプリセットカウンタ方式のディレイモ
ジュールによってビームに同期するようになっている。 リングの任意のバケットにビームを入射する

しかし、放射線シールドの点からダンピングリングでの蓄積、取り出しは、まだ行われていない。 今回は、シングルバンチビームを使い複数バンチの連ためには、ライナック及び入射/取出しキッカーのトリガタイミングを同時に変える必要がある。 さらに連続的に入射ビームのタイミングを変えるため続入射/取出しテストを行った。テストでは、２トレイン（この場合、２バンチ 231ns 間隔）、３トレイン（154ns 間隔）、４トレイン（115.5ns 間には、ビームのくり返しに同期して、順次そのタイミングを変えてゆく必要がある。この動作を行うた隔）までは問題なく入射/取出しが行われたが５トレイン（92.4ns 間隔）では、最後の入射で後ろのめにリ ング の RF 周波 数に 同期 した Revolution
Frequency (2.1MHz) にトリガ信号を同期させ、その位相を変えるようにした。図２で A で示されるビームを落としてしまった。

図３に４トレイン運TD2 がその動作を行っており、この TD2 のディレイ値をコンピュータから連続的に書き換えることによって 2.1MHz の位相が変わる。このディレイ値書き換えの動作を専用のコンピュータを使うことによって 1~2ms で行うことが出来る。 CSY(Clear andSYnchronize module) は、ソフトによりトリガ信号にゲートをかける機能を持ち、ビームのくり返しを任意の時間制御することが出来る。ソフトによりマルチトレインの数やバケット位置選択、入射のくり返しを制御するため既に２０以上の運転モードが用意され、制御計算機からはその運転モードのフラグを与えるだけでタイミング制御が行われる。

図３４バンチ（115.5ns 間隔）のビーム波形

Line Sync
Gun Mod.
TD2

AC 50HzTD2

CH1

Gun grid
single/multiMonitors

357MHz#2
Linac
Klystrons

SHBs

CSY
TD2

CH2

TD2357MHz

TD2

TD2

CSY

#0
#329

357MHz

TD2 TD2

CH3#1
Injection/extraction
kicker

TD2357MHz

TD2357MHzCH4

RF cavity

TD2TD2DRklystron

357MHzBucketController
2.1MHzX1/165
X1/2
1.428GHz

X1/2

TD2357MHz

X2X2A

SHBs

714MHz2.856GHz+4.2MHz

SSB signal
Generator

2.856GHz-4.2MHz

2.856GHz

図２

Linac klystrons for Energy compensation

Linac klystrons

システム構成CT weveform of Injection Kicker

転時の CT の波形を示す。１つのビームだけが入射直後であるために電流量が多いが、他のビームは均の様子を図４に示す。 １バンチあたり２ mA を入射した場合、キッカーパルスの前縁にあたるタイミ
ングでは 92.4ns の間隔でも 100%近い入射効率であったが、キッカーパルスの後縁にあたるタイミン
グでは 115.5ns 以降徐々に入射効率が悪くなっている。
Total Current(mA)

Multi-train storage characteristics

0.30.2

1.5

10.50.100-0.1-200-1000100200Time(ns)図５300400500600-0.5-200-1000100200300400500

600

Time (ns)

入射/取出しキッカーのパルス波形

４. まとめマルチトレイン入射/取出しのタイミングシステムを構築し、実際の運転テストを行った結果４トレインまでの入射/取出しが可能であることをたしかめることが出来た。
今回のテストは本来、２０バンチのマルチバンチを複数トレインの入射/取出しによって行うべきであるが、ATF では放射線シールドの問題からまだマ

43.5

3
Total Current(mA)

20.4

Amplitude(a.u.)

3. 入射/取出しキッカーマグネットの特性
２バンチのビームを、それぞれ違うバケット間隔に入射し、どのバケットまで入射可能かを調べた。そ

2.5

0.5

Amplitude(a.u.)

等に蓄積されている様子が解る。

CT waveform of Extruction Kicker

0.6

ルチバンチの蓄積運転を行っていないため、シングルバンチで行った。

2.52マルチバンチの入射/取出しでは、すでに２０バンチ以上のビームを入射/取出し出来る Flat top 磁場が作られていることが確認されている。[5] [6]

1.5

10.5

５.
004080120160200240280320

Bucket# of the second bunch

図４２バンチ入射時の入射効率
ダンピングリングの１周期は 462ns
330 バケット、１バケットは 1.4ns 間隔

これはキッカーマグネットの磁場の立ち上がり特性の影響によるものと思われる。
ビームが一様磁場を感じる様になるまでの時間は、
T = Tr + Tdで表される。（Tr:パルス電源の立ち上がり、Td:

謝辞
今回の測定に関し、ATF オペレーショングルー
プの協力に感謝致します。制御計算機との GUI 接続に関するソフトウェアは、関東情報サービス（株）
小沢氏に協力していただきました。また、木原施設長、高田総主幹をはじめとした関係者の方々のこのプロジェクトに対するご理解に感謝いたします。
References[1] 内藤 他、"マルチバンチ用グリッドパルサの開マグネット内でのパルスの伝搬時間）

発", 第１７回ライナック技術研究会, 1992, p43[2] 栗木 他、"熱電子銃によるマルチバンチビーム

図５に入射/取出しキッカーのパルス波形を示す。
それぞれの立ち上がり/立ち下がりに要する時間は、これらの波形と入射キッカーについては磁場モニタから Trise = 70ns, Tfall = 90ns、取出しキッカー生成", 第 24 回ライ ナック技術 研究会, 1999,
p153[3] S.Kashiwagi et al, "Preliminaly Test of Δ F Energy
Compensation System", Proc. 1996 Int. Linac Conf.,については計算から Trise = 53ns, Tfall = 63ns であった。 この結果からだけでは入射効率の結果を説明できないが、入射/取出しキッカー共にパルスの立ち下がりにテイルがあるのが観測されている。
このテイルが他のバケットにいるビームに影響を与えているのではないかと考えられる。

(LINAC96)[4] 内藤 他、"ATF のタイミングシステム", 第２１回ライナック技術研究会, 1996, p[5] T.Naito et. al., "Instalation and measurement of theATF injection kicker",KEK Prepri. 97-135,Sep. 1997
[6] 今井 他、 "ATF におけるダブルキッカーシステ
ムの開発", 第 ２３回ライナッ ク技術研究会 ,1998, p208