Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, Japan

PASJ2016 TUP009

STF2 加速器での低電力 RF 制御系の開発
DEVELOPMENT OF LOW-LEVEL RF CONTROL SYSTEM FOR STF2 AT KEK
松本利広#, A, B), 明本光生 A, B), 荒川大 A), 片桐広明 A), Qiu FengA, B), 三浦孝子 A, B), 道園真一郎 A, B),
矢野喜治 A, B), Sigit Basuki WibowoB)
Toshihiro Matsumoto #, A, B), Mitsuo AkemotoA, B), Dai ArakawaA), Hiroaki KatagiriA), Feng QiuA, B), Takako MiuraA, B),
Shinichiro MichizonoA, B), Yoshiharu YanoA, B), Sigit Basuki WibowoB)
A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
B)
SOKENDAI (The Graduate University for Advanced Studies)

Abstract
STF2 accelerator has been constructed to establish accelerator technology for International Linear Collider (ILC) at theSuperconducting RF Test Facility (STF) in KEK. In order to demonstrate distributed low-level rf (LLRF) control system
required for ILC, new digital controller board that implements 14-channel 16-bit ADCs, 2-channel 16-bit DACs and two
SFP connecters was developed and has been evaluated at test bench.
In this report, the development of LLRF control system for STF2 accelerator and the status of the digital controller
board are described.

1.

はじめに

高エネルギー加速器研究機構（KEK）では、国際リニアコライダー（ILC）の加速器技術の確立・実証を行うため、2005 年から超伝導 RF 研究施設（STF）で開発を進めている。ILC の開発・構築に向けて、2014 年に技術設計書（TDR）[1]が完成し、STF では現在 STF2 加速器[2]（Figure 1）の建設を進めている。この STF2 加速器は 3台 の 高 周 波 系 で 構 成 さ れ 、 1) 5 MW ク ラ イ ス ト ロ ン（Thales, TH2014C）より常伝導空洞へパワーを供給する
フォトカソード RF 電子銃、2) 800 kW クライストロン(TOSHIBA, E37501)で 2 台の 9 セル超伝導空洞を励振するキャプチャクライオモジュール（CCM）、3) 1 台の 10MW クライストロン(TOSHIBA, E3736H)によりパワー供給が行われる 8 台の超伝導空洞と 1 台の超伝導四極電磁石をもつ CM1 クライオモジュールと 4 台の超伝導空洞をもつ CM2A クライオモジュール、である。2016 年秋にはクライオモジュールの冷却を行い、2 台の高周波源で2+8 台の超伝導空洞の運転が予定されている。

この STF2 加速器の高周波源は、ILC の高周波源の実証を目指して構築が進められており、クライストロンのRF 出力を各空洞へ分配する導波管系については、
TDR で検討された局所 RF 電力分配系（LPDS）に準拠したものとなっており、準備が進められている[3]。
STF2 加速器の低電力 RF（LLRF）制御系も同様にTDR に準じた構成で開発を進め、今年秋の運転で評価試験を目指している。ここでは、ILC での LLRF 制御系の実証を目指した STF2 加速器の LLRF 制御系の開発状況について報告する。

2.

ＩＬＣの LLRF 制御系

ILC 主リニアックの高周波源は、1 台の 10 MW クライストロンで 4.5 クライオモジュールにあたる 39 台の超伝導空洞にパワーを供給し、全体では 378 台から構成される。
このクライストロン出力の振幅・位相は、39 台の空洞内電場のベクターサムが全体として一定になるようにフィードバック（FB）・フィードフォワード（FF）制御を用いた LLRF制御系によって制御される。Figure 2 に TDR での LLRF系の構成図を示す。ここで LLRF 制御系は、クライオモジュール近くに配置された複数台のフロントエンド LLRFコントローラとクライストロン近くに設置したマスターLLRFコントローラによる構成となる。これは 1 台の高周波源で制御する 39 台の空洞が 60 m の長さになり、これをマスターLLRF コントローラ 1 台で済ませる場合、搭載するADC 数などからコントローラが大規模なものになること、

Figure 1: Layout of STF2 accelerator.
Figure 2: Block diagram of LLRF system for ILC [2].

___________________________________________# toshihiro.matsumoto@kek.jp- 829 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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クライストロンから一番離れた空洞からの信号から近くの空洞からの信号の到着時間差が最大で数 100 nsec の分布になるといった欠点がある。
フロントエンド LLRF コントローラでは、担当する空洞の空洞内電場のプローブ信号の他、入力信号、反射信号をモニターするため、アナログインターフェイスやダウンコンバーター、デジタイザーから成る。またリアルタイムで担当する空洞の部分的なベクターサムを計算、その結果を専用の同期データリンクでマスターLLRF コントローラへ送る機能を持つ。マスターLLRF コントローラでは各フロントエンド LLRF コントローラからの部分的なベクターサムから全体のベクターサム演算やフィードバック演算をすると共に例外処理等の高周波系全体の制御を行う。

3.

STF2 加速器の LLRF 制御系

STF2 加速器には 3 台の高周波系がある。CCM の高周 波 源 に は cERL の デ ジ タ ル ボ ー ド 用 に 開 発 し た
MTCA.0 規格の 4 チャンネル 16 ビット ADC、4 チャンネ
ル 16 ビット DAC、FPGA を搭載したボード[4]を用いてデジタル LLRF 制御系を構築、2012 年 2 月から 2013 年 3月まで量子ビーム実験でビーム加速を行った[5]。RF 電子銃のデジタル LLRF 制御系に対しても MTCA.0 規格のデジタルボードによるデジタル LLRF 制御系の構築準備を進めている。
CM1 と CM2A の 12 台の超伝導空洞の高周波源として 10 MW クライストロンを用いる。この高周波系の LLRF制御には、新開発の MTCA.4 準拠の制御ボード[6]を採用する。以下では CM1、CM2A の LLRF 制御系について説明する。
3.1

信および高速光通信が可能となっている。
また STF2 のデジタル LLRF 制御系のため、14 チャン
ネルの 16 ビット ADC（AD9650）と 2 チャンネルの 16 ビッ
ト DAC（AD9783）を実装した FMC（FPGA MezzanineCard）を搭載している。この FMC ボードの評価試験を行ったところ、ADC のチャンネル間アイソレーションで約90 dB 以上、SNR では 80 dB 弱との測定結果であった。
このデジタル制御ボードの ZYNQ 内の ARM プロセッ
サには Linux と EPICS が組み込まれており、単体で一つの EPICS IOC となる[7]。
3.2

STF2 加速器のデジタル LLRF 制御系

デジタル制御ボードを STF2 加速器の CM1、CM2a の12 台の空洞運転の LLRF 制御系として用いる場合、14チャンネルの ADC を搭載しているため、1 台で十分である。しかし ILC の LLRF 制御系では 39 台の空洞に対してベクターサム FB 制御を行うため、最低 3 台の専用の同期データリンクで繋がった制御ボードが必要となり、これらは Figure 2 で示したように、分散して配置となる。このため、MTCA.4 のシェルフを使わず、1 台のデジタルLLRF 制御ボードが収納できる専用の 19 インチラックサイズの電源供給ボックスにデジタル制御ボードを組み込んである(Figure 4)。
既に 3 台のデジタル制御ボードが完成しており、2016年秋からの運転では、まず 1 台を使って 8 台の空洞のベクターサム FB 制御を行い、2 台を高速光通信で接続して、空洞波形モニターとして運用する(Figure 5)。次に高デジタル制御ボード開発したデジタル制御ボードの写真を Figure 3 に示す 。 こ の デ ジ タ ル 制 御 ボ ー ド の FPGA (Fieldprogrammable gate array)には Xilinx の ZYNQ を採用している。この ZYNQ は、これまでの FPGA のロジックブロック（PL 部）に加えて、ARM Coatex-A9 がプロセッサ（PS 部）としてワンチップになっている。このボードはMTCA.4 規格に準拠しており、Gigabit Ethernet×1 、SFP × 2 、DIO× 各 8 を 実装 し た 拡 張 ボ ー ド μ RTM（MTCA Rear Transition Module）により、外部 Ethernet 通
Figure 4: Digital controller board and the power supplybox.
速光通信で接続した 2 台のデジタル制御ボードを用いて、ベクターサム FB 制御を行い、1 台での場合との比較評価を行う予定である。
現在、STF 棟においてデジタル制御ボードによるテストベンチ（Figure 6）を構築、光通信接続のレイテンシやMTCA.0 ボードを応用した超伝導空洞シミュレータを用いた評価試験を進めている。Figure 7 に光通信によるレイテンシの評価結果を Figure 7 に示す。光通信により生じたレイテンシは約 0.5 μs との結果であった。これはボード設計の際に見積もられたレイテンシと同程度のものであった。
Figure 3: Digital controller board.

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Figure 5: Diagram of digital LLRF control system at STF2 accelerator constructed by two digital controller boards
connected by optical-link.

4

Figure 6: Test bench for digital controller board.

まとめ

KEK の STF 棟では ILC の加速器技術の実証のためSTF2 加速器の建設を行っている。この STF2 加速器の高周波系は、ILC の TDR に準拠するように LPDS やデジタル LLRF 系の開発を進めている。今回、14 チャンネ
ルの 16 ビット ADC と 2 チャンネルの 16 ビット DAC、デジタルデータの高速光通信を可能にする SFP コネクタを搭載したデジタル制御ボードを開発、テストベンチにおいて各 ADC の SNR やチャンネル間クロストーク、光通信によるレイテンシ等の評価試験を行っている。
このデジタル制御ボードを用いて、2016 年秋の STF2加速器の運転で ILC でのデジタル LLRF 制御系の構成の評価試験を行う予定である。

参考文献

Figure 7: Step response signals between mastercontroller and front-end controller. One time stepcorresponds to 6 ns. ‘DLY1’ is partial vector-sum bymaster controller and ‘DLY2’ is front-end controller’s
partial vector-sum via optical-link. The time difference
caused by optical-link is estimated at about 0.5 μs.

[1] http://www.linearcollider.org/ILC/Publications/TechnicalDesign-Report[2] H. Hayano, “Progress of STF Accelerator development forILC”, MOOL06, in these proceedings.
[3] M. Egi et al., “RF Power Distribution System for STF2 atKEK”, TUP037, in these proceedings,
N. Hanaka et al., “Status of RF Power Distribution System
Construction for ILC in STF”, MOP038, in theseproceedings.
[4] T. Miura et al., “Performance of the μTCA Digital Feedback
Board for DRFS Test at KEK-STF”, MOPC155, IPAC2011,
San Sebastián (2011).
[5] T. Matsumoto et al., “RF System for Quantum Beam
Experiment and STF-2 in KEK-STF”, SUP051, Proceedingsof the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Societyof Japan, 2014.
[6] M. Ryoshi et al., “MTCA.4 FPGA (Zynq) board”, SUP103,
Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, 2014.
[7] H. Deguchi et al., “LINUX AND EPICS EMBEDDING ONMTCA.4 FPGA(ZYNQ) BOARD”, SUP106, Proceedings ofthe 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, 2014.

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