The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

PIN PD を使用したビームロスモニター
池田仁美、有永三洋、平松成範、フラナガンジョン、古屋貴章
高エネルギー加速器研究機構 〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

概要
ＫＥＫＢ加速器はこれまでにない大電流で運転されるため、安全な運転及び加速器、検出器のハードウェア保護の為のアボートシステムを整備している。特にビーム軌道が不安定になった時に数ターン内にアボートできるように PIN フォトダイオード(PD) を使用したビームロスモニター開発した。またこの信号をデータロガに入力し、アボート毎に信号を解析することにより、アボートの原因究明と条件の最適化を行ったので、その結果を報告する。

1

KEKB アボートシステム

KEKB 加速器は高ルミノシティーを得るためにデザイン値で電子 1.1A、陽電子 2.6A という大電流加速器である。
また Belle 検出器は崩壊点の精密測定のためにシリコン崩壊点検出器(SVD) をビームラインに近接して設置している。そこで、ビームの不安定性から来るビームロスや RFトラブルが起こったときに、この高電流から加速器、検出器を守るため素早くビームを捨てられるシステムが必要である。そこで運転開始時からビームアボートシステムが準備されていた[1]。
このシステムではトリガーがかかったのち約 500n 秒でアボートキッカー電磁石が立ち上がり、１ターンでビームをダンパーに捨てることができる。トリガーにはロスモニ
ター、RF ステイタス信号、Belle からの信号、地震センサー等が使われる。電子リング(HER)、陽電子リング(LER) はそれぞれ独立なアボートが可能である。
しかしアボート条件の最適化が行われていなかったた
め、ハードウェアの損傷やインターロックは働いたものの原因のわからないことがたびたびあった。

2

ビームロスモニター

2.1

設置目的

ートトリガーを出せるように、速い信号が求められた。ここで導入されたのが PIN PD である。

2.2

PIN PDPIN PD は Belle 検出器のアボート信号としても使われており、これにヒントを得て作ったものである。PIN PD の導入によりこれまで時間がかかりすぎていたロスモニターアボートのトリガー生成時間は 20μ秒にまで短縮できた。
現在 PIN PD モニターは特に可動マスクの保護を目的として使用している。HER、LER それぞれ 16 箇所あるマス
クに 2×4 個の PIN PD (2.65mm×2.65mm) をアルミの箱に入れて取り付けた。 図 1 にロスモニターを取り付けた最新型可動マスクの写真を示す。マスクにビームが直接当たったときに生じる電磁シャワーを検知しパルス信号を発するため、ビームの下流側に取り付けている。
PIN PD は無バイアスで使用し、信号はそのままトンネル内から数 10m 離れたグラウンドレベルにあるローカル制御室内の読み出しエレクトロニクスに送り込まれる。

図 1：縦方向マスクに取り付けた PIN PD ロスモニター

ビームロスモニターはリング全周で起こるビームロスを検知しアボートトリガーを出すことで、急なビーム不安定性からハードウェアを守ることを目的としている[2]。
そのため全周にわたってほぼ等間隔に約 100 本のイオンチェンバーを設置した。ビームロスがおこってからトリガー信号を出すまでの時間はチェンバー内での粒子のドリフト時間に依存し、約 1m 秒である。
しかし、Belle 検出器へのバックグラウンドを減らすためにリングに導入された可動マスクがビームによって削られるという事象が何度か観測された。これは急なビーム軌道の変動にアボートが間に合わず、ビームがダンパーに捨てられることなく可動マスクに打ち込まれたためである。そこでビームロスが起こってから数ターン以内にアボ

2.3信号検出回路

PIN PD の信号検出回路は、図 2 に示したとおりである。
パルス信号を ADC で読み出すために track & hold 回路を採用し 3.3m 秒の減衰時間を持たせた。
イオンチェンバーのシステムと互換性を持たせるために倍率調整を行い、倍率切り替え部以降はイオンチェンバーと同じものを使用している。
出力はインターロックレベルを超えたときにアボートのトリガーとして使われる TTL 信号と、ADC 読み出しとモニターのためのアナログ信号の２種類がある。TTL 信号
は各制御室内のアボートモジュールへ送られる。
インターロックレベルは次の節で説明するとおり加速器の運転効率とハードウェアの保護のバランスで決定しThe 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

たが、PIN PD は非常に感度が高く、入射中のビームに同期して図 3 のような信号を出す。この信号は約 0.1nC の電荷量に相当し、マスクを傷つける心配はない。そこでこのような信号が出た場合はアボート信号を出さないようにした。
実際には入射キッカーのトリガータイミングから 3m秒の不感時間をつくり、この間にインターロックレベルを超えたとしてもアボートトリガーを出さないようにしている。

アボートの原因究明のためにはビームとの相互作用が強く、かつ数ターン内に反応する信号が必要である。そこ
でデータロガへの入力信号としては PIN PD ロスモニター
信号のほかに、電流値を示す DCCT 信号と RF ステイタス信号を選んだ。
記録時間は 5μ秒単位でアボートの前後 300ｍ秒である。PIN PD のアボートトリガー信号とデータロガへの信号の流れは図 4 の通りである。
電流値の変化の仕方、ロスモニター信号のレベル及びその形、RF 位相や電圧の変動タイミングからアボートの原因を判断できる。またこれらの情報を使って、ハードウェアを守るためには十分厳しくするが、無駄なアボートで運転時間を短縮することの無い様にトリガーレベルの最適化も行った。

図 2：PIN PD ロスモニターの信号検出回路

図 4：リング内のロスモニター配置及び信号の流れ（データロガは D7 と D11 に設置）

図 3：50Hz 入射に同期した PIN 信号

3

データロガの導入

アボート条件を最適化するためにはアボートの瞬間に何が起こっているかを知る必要がある。アボート後の運転でどのパラメータを変える必要があるのか、どのハードウェアを調節する必要があるのかを判別するためにもアボートの原因を知ることは重要である。しかし実際のアボー
トでは様々なインターロックが短時間にいっせいに働くため、ビームの不安定性が RF ダウンを引き起こしたのか、RF ダウンの結果ビームが不安定になったのか、それともインターロック信号が誤動作してしまったのかという判断が難しかった。そこでデータロガを導入してアボートが起こった瞬間の様々な信号を捉えることによって原因診断を行うことにした。

図 5 に実際にマスクが損傷を受けたときのアボートの様子を示す。2001 年のデータだが、まず初めに RF voltage
down がおこりビーム位相が大きなシンクロトロン振動を始めている。その結果ビームを安定に保てなくなり数ターンでビームは失われた。失われたビームは PIN 信号が示すとおり可動マスクにぶつかって大きな損傷を及ぼした。ア
ボートトリガーはどれも間に合わなかったため、この後ロスモニターアボートとビーム位相アボートのトリガーレベルを厳しくし、RF down 検知もアボートトリガーに加えた。

The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

ABORT_LER

図 5：データロガでのアボート時の信号
図 6 にデータロガを導入し、統計を取り始めた 2001 年
11 月から 2003 年 6 月までの月毎の一日平均アボート回数を示す。これを見てわかるとおり、アボートの主原因はビームロス及び RF トラブルである。RF アボートはハードウ
ェアに問題が生じたときに続けざまに起こることがあるが、通常は一定の割合でブレイクダウンする。ビームロスの原因はビーム調整の不完全さから来る不安定性やチューン設定の不具合が主である。これらの原因の違いも PIN
PD 信号から見分けることが可能であり、FB 調整やパラメータ変更の手がかりにすることが可能である。
最後の月(2003 年 6 月)にアボート回数が多いのはマシンスタディーの日が多かったためである。それ以外の月はアボート原因の診断、解決、トリガーレベルの最適化の繰り返しで増減がありビーム電流の増加とは比例していない。

ABORT_HER
12number of abort/day108

RF sum/day
BeamLoss sum/day
manual/day
EQ/dayno reason/day
safety/day
Vac./dayMag./dayother/day8

6RF sum/dayBeamLoss sum/day
manual/day
EQ/dayno reason/day
safety/day
Vac./dayMag./dayother/day

420
Nov/1/2001

Mar/1/2002

Sep/13/2002

Mar/1/2003

month
図 6：月毎の一日平均アボート回数とその原因

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まとめ

KEKB の高電流に備えたビームアボートシステムは運転当初から整備されていたが、条件の最適化はされておらず、加速器、検出器ともに原因不明のアボートによる損傷が何度か見られた。反応速度の速い PIN PD ロスモニターを導入することで素早いアボートを可能にした。それと同時にアボート毎に PIN PD 信号と RF ステイタス信号を記録するデータロガを導入した。このデータ解析によりビー
ムアボートの原因やビームロスの原因を特定し、最も良い方法でアボートが出来るようになった。その結果、Belle 検出器での放射線照射量は減り、加速器可動マスクの致命的な損傷もなくなった。

参考文献[1] T. Naitoh, KEKB MEMO No.187 (2001).
[2] M. Arinaga, et al., “KEKB Beam Instrumentation System’’
KEKB Accelerator Papers, KEK Preprint 2001-157(2001).

6420
Nov/1/2001

number of abort/day

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Sep/13/2002

monthMar/1/2003