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

直接デジタル検波方式による陽子シンクロトロンビーム位置検出器の開発
林直樹 A)、荒川大 B) 、廣木成治 A)、李三浦孝子 B) 、外山A)成洙 B) 、毅 B) 、豊川良治 A)

日本原子力研究所 東海研究所 大強度陽子加速器施設開発センター〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方白根 2-4

B)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

x=k

L−R
L+R

(1)

大強度陽子加速器のシンクロトロンでは、ビーム位置検出器の検波方式に、電極からの信号波形を直接デジタル化
ここで、L, R は、左右（若しくは、上下の）電極の信号（電し、ソフトウェア処理で位置を求める方式を採用する。こ圧）、k は、校正作業により決定する比例定数である。
（「対の方式の利点は、広帯域であり、COD 測定、ターン毎の位角線分割電極」型の場合、理想的には、真空容器の内半径置検出、どちらにも対応できることである。となる。）シングルパスモードでは、時間領域の波形での本報告では、試作したアナログ処理回路と高速 ADC を用いた KEK-PS 主リングでのテスト実験について述べた後、 ピーク値を求め、(1)式に当てはめて、算出する。
今後の開発課題について述べる。

2.1 高速 14 bit ADC

目標位置精度より、L, R は、1/1000（60dB）程度の精度が必要となる。また、入射から出射エネルギーまで、ピー
1 はじめにク電流 Ip の値で 4～５倍変化すること、片極性だけ使うた大強度陽子加速器施設 (J-PARC) の２つのシンクロトめの余裕２倍を考慮し、最低 80dB のダイナミックレンジロン(3-GeV Rapid Cycle Synchrotron; RCS と 50-GeV Mainを必要とする。
Ring; MR)では、各四極電磁石毎に配置されるビーム位置モ
サンプリング速度は、シングルパスモード時の波形より
ニター、Beam Position Monitor (BPM)で、それぞれ、0.1mm、決定した。加速終了近くでバンチ長が一番短くなるのは、0.2mm の（水平・垂直方向共）位置測定精度を目標としてRCS で約 100nsec、MR で約 67nsec （18 RF buckets 運転時
いる[1]。これは、円形真空容器の内半径の約 1/1000 程度は、この半分）であり、この 1/2 が必要最低限のサンプリに相当し、目標を達成するには、電極、信号処理回路、そング周波数（RCS で、20MS、MR で 30~60MS）となる。
れぞれで十分な設計をする必要がある。
これらの条件より、数 MHz 領域で SFDR (Spurious-Free
大強度の陽子ビームは、空間電荷効果により広がるため、Dynamic Range) 90dB 以上、40~80MSPS 以上のサンプリン
センサヘッドは、単純な平行４分割電極ではなく、線形出グ速度を持つ 14 bit ADC（214=84dB）を選択した。
力特性を持つ円筒の対角線分割電極を選択している[2]。円筒形にするのは、内径を極力確保するためで、長方形断面2.2 アナログ回路
では、アパチャー確保の点や不連続面の存在によるインピ
BPM は、定格運転時の大強度ビームだけでなく、コミーダンス増加などの点で不利となる。また、RCS, MR どちッショニング時の比較的低強度でも使用する必要がある。
らも機器配置上のスペースが極端に限られているため、補高速 ADC の入力範囲±1V 程度に、信号電圧をあわせるた正電磁石とスペースの共用をする。特に RCS 用は、25Hz運転のため、渦電流の影響を抑える薄肉設計としている。 め、アナログ回路は、広範囲をカバーする減衰器、及び増低域フィルター（RCS 用 5MHz、MR 用 10MHz）
ビーム位置モニターは、同期検波方式、ログアンプ方式、 幅器を持つ。
は、折返しも十分小さくなるよう ADC のナイキスト周波などが検討されたが、閉軌道の観測（COD 測定）、１回通数に対し余裕を持った設計としている。
過での位置測定（シングルパス測定）ともに同じ回路で使用できる、RCS では、時間的制約も加味し、デジタル検波方式を採用することとした。

2信号処理部の設計信号処理のアルゴリズムは、以下の通りである。高速ADC により波形を取り込み、COD 測定モードでは、FFT処理し、特定周波数のピークを対向電極で比較し、次式により位置を出す

図 1：アナログ回路ブロック図。

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また、アナログ回路部分、及び ADC 部分でのチャンネル間のゲイン差を補正するため、較正用の測定モード（レファレンスモード）を設けた。これは、２つの信号を混合し等分に分けて信号出力するモードである。この回路のブロック図を図１に示す。

3

は、約 4.8mm で、アッテネータ以降、チャンネル間に特性差が無ければ、ゼロになるはずである。通常測定モードでは、この分を補正し、プロットした（図５）
。

テスト実験

２．で述べた、信号処理方式の検証のために、2002 年末にかけて、KEK-PS 主リングでテスト実験を行った。テストに使った信号は、I-6F セクションの giant 型(k=75)のセンサヘッドで、同セクションの normal 型(k=60.9)の（従来のダイオード検波方式による）位置データを比較ために使用した。

3.1 回路構成及び、ADC ボード
2.2 の試作アナログ回路、若しくは、10MHz フィルターを、ADC の前段回路として用いた。ADC ボードは、2 チャンネル 14 bit 65MSPS の ADC (AD6644)を持つ PCI カードタイプの ICS-652[3]を WindowsXP の PC に入れて使用した。
テスト用のプログラムは、LabView で作成した。サンプリ
ング周波数は、64MSPS の内部クロックである。図 2 は、前段回路を接続する前の状態で確認したもので、ノイズレ
ベルは平均約-100dBm であった。アナログ回路を接続しても、ゲイン１，２倍では、殆ど変化が無かった。ゲイン 10倍では、約-96dBm、100 倍では約-76dBm、と全体のノイズフロアーが上昇してくるのを確認した。

図 3：FFT 処理後、周波数領域データ。RF 周波数のピーク値が、8MHz 付近に見られる。

図 4：レファレンスモードでの位置換算プロット（○）とRF 周波数のピーク信号強度（実線；右側のスケール）。

図 2：FFT 処理後、ノイズデータ。

3.2 COD 測定モード
このモードでは、１フレーム当たりサンプリング点数1024 点、又は 2048 点とし、入射からデバンチされるまでを 100 または、150 フレーム分のデータを取得した。データ処理は、オフラインで行った。処理手順は、まず１フレームずつ窓関数（ここでは Hanning 窓）をかけながら、FFTを行う（図３）。次に、RF 周波数のピーク値を求め、左右の電極での値を比較し、式(1)を使って位置を求めた。以下、各フレーム毎、同じ処理をし、時間変化を調べた。
レファレンスモードのデータでも同様の処理を行い、擬似的に位置データを算出した（図４）。測定のばらつきは、±0.1mm 程度の幅に収まっていることが分かる。ばらつきが少し大きいところは、信号強度が、約-37dBm 以下で、S/N 比が悪化した時間と一致している。擬似的位置データ

図 5：各方式によるビーム位置の時間変化。
（○：デジタル方式、実線：従来型）
時間情報としては、各フレーム毎に OS（WindowsXP）の時刻を書き込んだものを使っているが、リアルタイム性が保証されないため、誤差が残っていると考えられる。
図５では、加速開始後（0.5 秒以降）のデータでは、従来型をほぼ再現しているが、最初のバンチ入射から加速開始直前までは、大きな差があり、その要因追求が今後の課題である。

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3.4 シングルパス測定モード

4

このモードでは、ADC ボードの最大メモリ長、0.5M 点(524,288 点、8.192msec 分)のデータを各チャンネルで取得し、オフライン解析を行った。図６は、あるチャンネルから得られた、最初のバンチの入射前後の波形である。ピー
クの値から、ADC の各チャンネルのもつオフセットを差し引いた値を式(1)で、左右評価し位置を決めた。

直接デジタル検波方式により、COD 測定モードとして、FFT 処理して位置を導き出す方法が実用的である、と確認された。同じ ADC ボードによるデータで、１周ごとの位置データを決めることも出来た。ただし、COD 測定モードについて、一部の時間領域で、従来型との系統誤差が残っており、これを調べることが、今後の課題である。
今回テスト実験を行った KEK-PS 12GeV に比べると、
J-PARC の周回周波数、RF 周波数は、ともに小さくなる。
そのため COD 測定モードでの、周波数分解能を上げるには、１フレーム当たりのサンプリング点数を増やすか、あるいは、decimation、デジタルフィルタリングにより実効サンプリングレートを低下させて測定時間を稼ぐなど、対応する必要がある。
また、FFT 及び、その前後の処理を、あらかじめプログラミングされた半導体上で行う場合には、演算中に有限ビット長の問題が出てくるので、それらに関連する考察も必要である。

まとめ

参考文献
図 6：入射直後の波形データ。
１周ごとにあたる各ピークで、位置を決定し、0.8 ミリ秒までプロットしたものが図である。最初の振動は、入射直後のベータトロン振動が見えている。

図 7：シングルパスモード位置データ。

[1] Y. Yamazaki, eds, Accelerator Technical Design Repor for
High-Intensity Proton Accelerator Facility Project, J-PARC,
KEK-Report 2002-13; JAERI-Tech 2003-044.
[2] T. Toyama, et al., in this Proceedings.
[3] http://www.ics-ltd.com/product_catalog/ics_652.html.