Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[14A-04]
BEAM SWITCHING AND BEAM FEEDBACK SYSTEMS AT THE KEKB INJECTOR
K. Furukawa , and N. Kamikubota
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
Oho 1 – 1, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801, Japan
Abstract
The KEK electron linac provides beams to four downstream rings with quite differnet beam characteristics. For
KEKB injections, fast, as well as reliable, switching between electron and positron beams is crucial for physics
experiment results, In order to switch linac beam modes reliablly a flexible software was build. About 20 beam feedback
loops per a beam mode were also installed to stabilize each beam mode. These software systems are used to switch
beams about 50 times a day, and are indispensable to achieve high quality beams.

KEK 電子リニアックのビーム切り替えとビームフィード バックシステム
1. はじめに高エネルギー物理学研究所の電子・陽電子線形加速

ざ まな運転用アプリケーションソフトウェアが構築さ器は 1997 年秋から KEKB リングのコミッショニング

言語 [7] または SADscript[8] というスクリプト言語でのための運転を行なっている。その運転においては 、記述され 、X-Window 上の Tk ウィジェットを用いて高電荷、高エネルギーのビームをリングに入射しなけ

画面上で操作が行なわれる。その数はビームスタディ

ればならないが 、大きく異なる主な 4 つのビームモーや測定用のソフトウェアを含めて 100 を超えている。

再現性と安定性がたいへん重要であることが 、しだい

3. KEKB 入射器のコミッショニング
KEKB 入射器のコミッショニングを開始したころに認識されるようになってきた。

は、3.5 GeV 陽電子発生に使われる 10 nC の一次電子ド (KEKB e+ , KEKB e , PF-Ring, PF-AR) それぞれのそのため、ビーム切り替えとビームフィードバックのためのソフトウェアが KEKB 入射器コミッショニれてきた [6] 。それらの運転用ソフトウェアは主に、Tclの安定な加速のために努力が払われ 、数々の技術改良により、これを達成することができた。

ングの中で開発されてきた。

しかし 、さらに実際の運転が近づいてくると、高品質のビームの再現性の問題が重要となってきた。同じ

2. KEKB 入射器と制御系
KEK 電子入射器では、KEKB 計画のために 8-GeV

ビームを別の時間に再現しようとすると 、 微妙な運(1.28-nC/bunch) 電子及び 3.5-GeV (0.64-nC/bunch) 陽
電子の直接入射、という厳し い条件を満たすためにれでも調整できるわけではなかった。

転パラメータの調整を必要とし 、時間がかかる上、だ改造が行なわれ [1] 、1997 年から始まったそのコミッ

解析を進めるうちに 、気温、水温など の環境の変ショニングにおいても数々の困難を克服しながらデザ化、モード 間で 10 倍以上異なるビーム特性の切り替インを上回るような成果を達成している [2] 。その結え、意識的に変化させた他の運転パラメータ、などに果、B-Factory 物理実験のルミノシティも日々向上し対して、各機器のパラメータの設定値からのずれが設ている。

計したときの許容値よりも大きい場合があることが指このような大強度、高性能な入射器の運転を支える摘された。

ために、制御系にも改善が施されている。入射器の制

そこで、各パラメータの、ビームに対する変動の許御系は、基本的には 1993 年の制御系の更新時の方針容度が詳しく調べられ 、パラメータ設定の際にその許に従って、階層化された多数の要素から構成されてい容値を満足させるための方法が検討された。

るが [3] 、KEKB で導入された新しい装置のための拡

例えば 、コミッショニングは当初、通常運転とは別張が行なわれ 、さらに安定した信頼性の高い運転を実に部分的に行なわれたため、一部の電磁石は初期化が現するために、制御機器や計算機、ネットワーク、ソ行なわれなかったり、消費時間を無視して消磁が行なフトウェアの質を高める努力が払われてきた [4, 5] 。

われたりした。しかし 、実際の切り替え運転では限ら

1997 年にコミッショニングが開始されてからは、この制御系の上にクライアントソフトウェアとしてさまれた時間内に許容値内の磁場の設定が必要となるので、

 kazuro.furukawa@kek.jp

効率的な初期化の方法が開発された。具体的には、励磁特性を測定したときと同じ 、ゼロと最大値の間の電−111−

流設定ループを一度だけ回るように設定を行なうこと意されたソフトウェアは、現在では以下のような切りとした。

替え項目を持っている。

これらの他に、数多くの操作の中での単純な操作誤りに気付かず、問題の解析を困難にしている場合もしばしば見受けられた。それらは、ソフトウェアで自動化することによってできるだけ避けることにした。
個々の機器の再現性の向上で対処できずに残ったビームの変動は、ビームを使ったエネルギーや軌道のフィード バックで対処することとした [9] 。

4. ソフト ウェア
このように、運転を自動化するためのコミッショニング・ソフトウェアの必要性が高まり、それまで主にスタディ用に個々の機能ごとに用意されていたソフトウェアをできるだけ統合し 、常時使用できるような形に整えてきた。

4.1. ビーム・モード ・スイッチ
上に述べたように、4 つのビームモード 間の切り替えにおいては、各加速器機器のパラメータの再現性と信頼性が重要である。パラメータ切り替えのために用 電磁石の簡易初期化
 電磁石のパラメータ（ 主に電流値）設定
 rf のパラメータ（ 主に位相値）設定
 トリガのパラメータ（ 主にタイミング ）設定
 電子銃のパラメータ設定
 陽電子ターゲットとシケインの操作
 ビームモニタの測定モード とダ イナミックレン
ジ切り替え ビームプロファイルモニタの操作
 初期ビーム繰り返しの設定
 ビームトランスポートラインの選択
 下流の加速器の制御系への通知
 制御室での音声の発生
 機器の状態、パラメータの差分表示と記録
 各ビームモード のフィード バックの再起動
各項目は 、オペレータの判断でいつでも画面上で選択、非選択を変更でき、さらにその状態を保存しておくことができる。また、新しい項目の追加は簡単なデータベースの変更によって行なうことができる。もしも制御系を通しては回復不可能な障害が起こった場
合には、その旨が画面上に表示、記録され 、障害が取除かれた時にオペレータが再試行することができる。
パラメータ設定と記した部分は、直前の同じビームモード で使用したパラメータを通常使用するが 、固定のパラメータをオペレータの判断で選択することも可能になっている。これらのパラメータはフィード バックや手動の調整で毎回異なっており、全て記録を残しており、また再使用が可能である。
電磁石の初期化については磁場の再現性、急激な変化に対する電磁石電源の許容度、AC 電源容量、通信時の誤り率と制御系の下位層、上位層での再試行、切り替えソフトウェア側での再試行、などについて繰り返し試験が行なわれ 、改良されてきているが 、もっとも時間を消費する部分でもあるので、現在も改善が進められている。

4.2. フィード バック
現在使用されているフィードバックは、ビームには直接依存しない加速器機器（もちろんビームはその機器に依存する）のフィード バック、ビームエネルギーのフィードバック、そしてビーム軌道のフィードバック
図 1: ビームモード スイッチパネルで、KEKB e+ がを指定した状態。左の Check-button で項目の選択、非選択を変更でき、また Pull-down menu でパラメータファイルを選ぶことができる。右端は実行状態を表す。に分類される。それらの基本的なソフトウェアは共通になっていて、以下のような部分から構成されている。

 ビームモード やビーム電流などの条件の確認 モニタ値の取得、時間移動平均、許容範囲の確認、その他の特別に指定された後処理
 変換係数とフィード バックゲインを適用したフィード バック量の計算、許容範囲の確認
 許容範囲の確認、特別に指定された前処理を施した値のアクチュエータへの設定
 全体の制御とグラフ表示、記録、他のプログラ
ムとのインターフェース

道フィード バックが 30 ヶ所、機器のフィード バックが 6 つ、常時使用されている。また、多数のフィードバックを管理するために、フィード バック状態表示やフィードバック記録のビューワなどのソフトウェアも用意されている。

5. 考察とまとめ
これらのソフトウェアはスクリプト言語で記述されているため、更新が容易で、しばしば運転中にも更新が行なわれる。また、他の運転用ソフトウェアと基本

例えば 、エネルギーフィードバックでは、分散の大きい場所でのビーム位置をモニタとして使い、（エネ操作部分をライブラリルーチンとして共通化し 、統一された操作環境が提供されている。

ルギー幅を増大させないように）2 台のクライストロ

ビ ームモード 切り替えソフトウェアは開発当初はンの rf 位相を逆方向に変更する操作をアクチュエー

毎日のように、また現在でも頻繁に改良が加えられ 、タとして利用する。また、軌道フィード バックでは 、信頼性が高まっている。この自動化によって、一日あ

1 ベータトロン波長内でのビーム位置の重み付き平均たり約 50 回の切り替えも問題無く対応できるようにをモニタ値として使用する。

なった。KEKB の蓄積ルミノシティに対して重要な切ビームのフィードバックはビーム位置モニタが 1Hzり替え時間も通常 2 分以下になっている。

で読み出し可能なので、ソフトウェアの繰り返しはほまた、上記のフィード バックを使用することによっぼ 1Hz で 、振動を避けるためにゲ インは低めで動作て、加速器の状態や場所などにもよるが 、ビームの変させている。

動を長期間（ 6 時間程度）のものは 5 分の 1 程度に、短

現在では、エネルギーフィード バックが 6 ヶ所、軌期間（ 1 分程度）のものは 約半分に減少させることができた。また、オペレータの操作を必要とせずにモード 切り替え後も高品質なビームの維持が可能になった。
また、加速器の異常を発見するための指標にもなっている。
これらのシステムによって 、下流の加速器、特にKEKB Belle の実験効率に大きく寄与している。
参考文献

図 2: フィード バックの例として、R セクタのエネルギー
フィード バックの設定パネルとグラフ。運転時であってもフィード バックの設定パラメータは簡単な前処理、後処理を含めて変更可能で 、また、ソフトウェアのほとんどの部分は他のフィード バックと共通となっている。

[1] A. Enomoto, “Upgrade to the 8-GeV Electron Linac forKEKB”, Proc. LINAC’96, Geneva, Switzerland, 1996,p.633.
[2] Y. Ogawa and Linac commissioning group, “Commissioning Status of the KEKB Linac”, Proc. PAC’99, New York,U.S.A., 1999.
[3] K. Furukawa et al., “Upgrade Plan for the Control System of the KEK e /e+ Linac”, Proc. of ICALEPCS91,Tsukuba, 1991, p.89.
[4] K. Furukawa et al., “Improvement of the KEK Linac
Control System towards KEKB”, Proc. of 21st Linear Accelerator Meeting in Japan, Tokyo, 1996, p210.
[5] T. Obata et al., “Reliable Controls with Diskless VME
Computers at KEK Linac”, these proceedings.
[6] K. Furukawa et al., “Accelerator Controls in KEKB Linac
Commissioning”, Proc. of ICALEPCS99, Trieste, Italy,
1999, p.98.
[7] URL:http://dev.ajubasolutions.com/[8] URL:http://www-acc-theory.kek.jp/sad/sad.html[9] K. Furukawa et al., “Energy Feedback Systems at the
KEKB Injector Linac”, Proc. of ICALEPCS99, Trieste,Italy, 1999, p.248.