Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-20]
Energy stabilization on 1.5 GeV S-band linac
aM. Kuriki, H. Hay ano, T. Naito, and V. V ogelHigh Energy Accelerator Research Organization
Oho 1-1, Tsukuba, Ibaraki 305 Japana)Branch of Inst. of Nuclear Physics
142284 Protvino, Mosc ow Region, Russia(June 8, 2000)
Abstract

KEK-ATF is doing R&D works establishing high-current and low-emittance electron beam forthe future JLC project. ATF is composed from 1.5 GeV S-band linac, a beam transport line,
a damping ring, and an extraction line.
The purpose of S-band linac is to provide the high current, stable electron beam to thedamping ring. The beam energy is, ho wever, uctuated about 1% of that, then the injection
to the damping ring is unstable. The beam intensity of the damping ring is changing pulse bypulse up to 10% of it. This uctuation disturbs systematic studies for beam dynamics, instrumentation, etc. In addition, this uctuation causes the radiation loss in the beam transportline. To keep the radiation level lower than the limit, we operate the linac in the single bunch,
low repetition mode. To start the multi-bunch operation we have to solve this problem.
One of the biggest source of this energy instability is uctuation of klystron voltage. To
compensate it, we have introduced a feed-forward controlled deQ module in the modulator.
The energy stability was improved by introducing this new deQ method from 0.6% to 0.2%of itself.
1.5 GeV S-band ライナックのエネルギー安定化

I. INTR ODUCTION

KEK-A TFは将来の linear collider 計画のための大電流・低 emittance 電子 beam の生成、および測定・運転技術の開発を目的としている。ATF は 1.5 GeV
S-band linac, beam transport line、damping ring、そして extraction line から成り立っている。
熱電子銃で得られた電子ビームは二台の SHB(Subharmonic buncher) と S-band 進行波型 buncher からなる bunching system により、そのバンチ長を当初の1 ns から S-band で加速可能な 10 ps 程度まで縮められる。
電子ビーム は続く 個の加速でまで加速される。一つのは二本の加速管からなり、それを一台の一台のでドライブしている。
は東芝製で、出力、幅と呼ばれ という矩形波を発生する。それをるパルス圧縮空洞によりピーク値でおよそという波に変換し 、という高い加速勾配を実現している。
10ビーム構造は、バンチ間隔、強度 :のバンチからなるマルチバンチを予定しているが、現在は放射線の問題からシングルバンチモードで運転されている。
年 月にはこのシングルバンチモード で 、
09
水平方向:、垂直方向
011 ともにビーム強度 :9:と、ほぼ目標を達成した。
これからの課題は、高繰り返し、マルチバンチモードでの低の実現である。そのために

8S-band unit 1.3unit
klystron,modulator

GeVsklystron

E3712

RF

30 MeV/melectron/bunch 20
2000

2.8ns

4emittance 1 3 2 10emittance1 7 2 10 ([1]emittance beam

80MW 4.5SLED
400MW

rad.m

1 0 2 102 0 2 10 )は放射線の問題を解決しなければならない。
放射線の発生源のひとつとして、があげられている。
からの、およびがを引き起こし 、放射線を発生させている。放射線を抑えるためにはのの安定化が非常に重要である。
また、の揺らぎは 、でのとともに、への効率を悪化させ、結果としてビーム強度をパルス毎に大きく変化させてしまう。安定したビームによる系統的な研究を行ううえでも、のエネルギー安定化が望まれる。
エネルギーの揺らぎのスタディより、エネル
ギー変動のもっとも大きな原因は出力の変動であった。この変動はの出力電圧の揺らぎから生じている。本研究では制御を用いた新しい回路をに実装し 、のエネルギー安定化をおこなった。

beam transport
linac
beam energy tailenergy jitter beam loss
linac
beam energy
beam energy
beam transportline
beam loss
damping ring
injection
line

linac

deQ

[2]
klystronmodulator
feed-forward
modulator
linac

II. FEED-FOR W ARD DEQ

modulator

Pulse Forming Netw ork (PFN)

klystron
43kV

PFN

はを共振充電し 、その電圧をパルストランスによりさらに高めに供給している。の充電電圧はおよそ、パルストランスの出力は、 : である。の充電電圧 PFN はモジュールによって制御されている。
モジュールは基準電圧と PFNを比較し 、 PFN が基準電圧に達すると電流をバイパスして過充電をふせぎ 、到達電圧をつねに一定にたもつ働きをしている。

−186−

PFN

E(E ) deQ
deQ

340 kV 7 5 s
EFIG. 1 は EPFN と充電カーブの勾配 (dV=dt) の相関を示したものである。この図より EPFN は dV=dtと強い相関を持っており、dV=dt の揺れが EPFN 、さらに klystron 出力などの変動を生じ 、ひいては linacのエネルギーを不安定にしていることがわかる。EPFNのジッターは peak-to-peak で 0.2% である。

FF offEpfn in

LPF

OutFF onRefD/A
Gain
20dB-40dB+-Gain 10dB-30dB

Diff.
circuitdVdt

A/D
Voltage control
delay(128 µs - 250ns)

SH

Delay

Delay

5ms

0-5ms

Trig. in

15ms

0.8

FIG. 2. feed-forward deQ のブロック図

0.795

III. OPERATION

1999 年 暮れ か ら 2000 年 初 頭に かけ て 、feedforward 回路を加えた deQ モジュールを linac の 9台の modulator に組み込み、動作テストを行った。当初は thyratron の放電ノイズによる誤動作が問題となったが、タイミングによる inhibit 回路を組み込む

0.79

0.785
0.80550.806

FIG. 1. EPFN と dV=dt の相関

deQ

この相関は次のように理解することができる。
が動作するまでにはある一定の時間が必要であり、その時間に相当する電圧だけ PFN が過分に充電される。充電勾配がパルス毎に変動すると、この過充電分が変化し 、 PFN が変動してしまう。
この問題を解決するためには、 = の変動を抑える必要がある。しかし使用している
ラインとラインは他の電源などの影響で振幅にして数 の変動幅をもっており、これを抑え込むことは非常に難しい。
そこで= 変動は存在するものとして、それを補償するの方法を考える。 PFN の充電には以上の時間を要する。充電なかばでその勾配が測定できたとして、が実際に動作するまでには程度の時間的余裕がある。その間に PFN の変動を補償するようなタイミングの微調整を行う。
は制御を組み込んだモジュールのブロック図である。上半分は従来の回路を、下半分が今回あらたに組み込んだ回路を表している。と: は各々基準電圧、充電開始のトリガー信号の入力である。
従来の回路では 、 PFN と基準電圧をに入力し、その出力を信号 充電停止 として外部に出力するが、回路では、信号の遅延時間を、パルス毎に= 信号をもとに制御する。 = 信号は PFN を微分回路に入力し 、増幅後適当な時点ででサンプルホールドをかけることによって得られる。
信号と基準電圧とを差分増幅し、変換したのち、その信号の大きさに比例した遅延を設定する。 = が大きい場合は早めに、また= が小さい場合は遅めに信号を出力し 、の到達電圧を一定にするようにがPFNかかるのである。

EE

dV dt
AC6.6kV

AC200V%

dV dt
deQ

ms

E

deQ

Ref

parator

deQ

dV dt

A/D

dV dt

Trig in

E

5ms

deQ
deQ
feed-forwarddeQ (feed-forward
dV dt
Ecom)
deQ

dV/dt

dV dt

feed-forwarddV dt2)dV dt

3)dV dt - E
dV/dt-E
feedforward

Eb)c)a) under gainb) over gain

FIG. 3a)c) optimized

10EdeQ
FIG. 2 feed-forward

ことで問題を解決した。
回路の最適化を次の手順で行った。
サンプルホールド のタイミングを 、 = 信号の出力が最大となる場所に設定する。
= に対する増幅率を調整し 、基準信号とほぼ等しくなるようにする。
=PFN の相関を見ながら 、 PFN が一定となるように差分増幅のゲインを調整する。
はPFN 相関を模式的に示したものである。 はのゲインが小さい状態、 はゲインが大きすぎる状態、 が最適化された状態である。

1)0.8065
Epfn

dV/dt

0.805

EGate

Comparator

deQ

feed-foward

FIG. 3. dV=dt と EPFN の相関。 a) は under gain, b)
は over gain, c) が最適化された状態を表している。
E PFN

TABLE I 9modulator
feedforward

は 台のについて、各設定を最適化したのちに、制御を有効・無効にした場合の PFN の到達電圧の安定度がどれくらい変化したかをしらべた結果である。表示は  の相対値で、単位は である。
誤差は測定値の以下であるので、この結果から、制御のへの導入によって、を除く 台ので PFN の到達電圧が有意に安定化されたことがわかる。

E%

10%
feed-forward
deQ
8modulator E#4modulator #0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8
disable .031 .089 .107 .106 .015 .064 .071 .097 .033
enable .011 .036 .070 .070 .014 .029 .045 .036 .009
TABLE I. 最適化後に feed-forward を有効、あるいは無効にした場合のモジュレーターの到達電圧の安定度。表示は  の相対値で単位は 。

%

果を調べるために、実際にビームを加速し 、その安定性を調べた。測定はでまで加速した電子ビームをに通し 、の大きな場所でその中心位置を型ので測定し 、相対的なビームの運動量の変化を測定した。

linac 1.3 GeV
beam transport line
dispersion
strip line
Beam
Position Monitor (BPM)

0.635

dV/dt

feed-forward deQ によるビームエネルギーへの効

0.63

0.625

0.62

11200
0.615
0.626

0.627

0.628

0.629

0.63
Epfn

FIG. 5. feed-forward 制御を有効にした場合の dV=dt とEPFN をプロットしたもの。

11000

feed-forward

10800

00.2

0.40.6

dP/P vs AC

FIG. 4. 縦軸は AC200V の振幅変動、横軸はビームの相対運動量、 1P=P を表す。濃い部分 (赤) と薄い部分 (青)のデータはそれぞれ feed-forward 制御を有効・無効にした場合のデータである。

Dispersion

KEK
SAD( Strategic Accelerator Design)
BPM
dispersion 0.687 m,
BPM
10BPM
1の導出にはで開発されたビームの軌道解析ソフトを用いた。の位置でのは典型的なのビーム中心の相対位置精度は mなので、運動量に対するの感度は P ／ P:である。
はラインの振幅と、ビームの相対運動量、 P=P をプロットしたものである。濃い部分と薄い部分のデータはそれぞれ制御を全てのについて有効にした場合と、無効にした場合である。
制御を無効にした場合はラインの振幅の変化によって、ビームエネルギーも変動してしまっているのがよくわかる。それに対して制御を有効にした場合は、運動量の変動が抑制されている。運動量の相対値の変動はが無効の場合で、を有効にした場合でいずれもであった。

0 001%
FIG. 4 AC200V
1modulator

ACfeed-forward

feed-forward

feed-forward

feed-forward

0.2% (

0.6% feed-forward
Peak-to-peak)

IV. NON-LINEAR EFFECT

FIG. 5は feed-forward を有効にした場合の dV=dtと EPFN をプロットしたものである。この dV=dt とEPFN が線形からずれるという現象は全ての modulator にみられるものである。この現象は modulator が共振充電をもちいているために EPFN が直線ではなく曲線的に昇圧していくことによっている。

dV dt

本来制御は充電曲線の終盤の=信号の傾き、 をもとに行われるべきだが、実際には回路の動作速度等の問題もあり充電曲線半ばの傾き、0を用いて行っている。この  と 0 は、その傾き=の絶対値 が大きくなればその差は小さく、傾きが小さくなれば差が大きくなる。
実際の回路においては 、ある= の傾き 1 について 、
1G
10 となるようにゲ イン調整をし ている。したがって傾きが 1 より大きい領域
では
 < G
 0 となり、がオーバーゲインとなる。また傾きが 1 より小さい領域では>G
0 となり、アンダーゲインとなる。つまり、ある最適化された点を境として、上側がの状態、下側がのような状態となる。
現在、この特性を改善するために、 = 信号の大きさにしたがってゲインを変化させる回路を製作中である。この改造によりさらに二倍程度の安定度が得られると期待される。

(dV dt)cot = cot

cot

cot

cot

dV dt

feed-forward

cot3 b)

a)

FIG.

dV dt

V. まとめKEK-ATF の 1.5GeV S-band linac 安定化のためfeed-forward 制御を用いた deQ モジュールを製
9 klystron-modulator に実装した。それにmodulator の電圧の安定度が最高で三倍程度向linac のエネルギーのパルス毎の変動幅
peak-to-peak で 0.6% から 0.2%へと向上した。
Damping ring 内での beam 電流を目標の 1%以内で安定させるためには 、linac の beam energy の変動幅を 0.1%以内に抑える必要がある。今後は feedforward 回路により発生する dV=dt-EPFN 曲線の歪みに、作し、 台のより、上した。またもを補正する回路を作成し 、さらに二倍の安定度の実現を目指す。

[1] http://lcdev.kek.jp/ATF/ を参照。
[2] 早野仁司他、'Klystron RF stabilization using feedforward circuit', 19th International linac conference
at Chicago, 1998