BPM DAQ SYSTEM UPGRADE FOR SUPERKEKB INJECTOR LINAC
Masanori Satoh#,A), Fusashi MiyaharaA), Tsuyoshi SuwadaA), Kazuro FurukawaA), Takuya KudouB), Shiro KusanoB)
A)
Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK),
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
Mitsubishi Electric System & Service Co., Ltd,
2-8-8 Umezono, Tsukuba, Ibaraki, 305-0045

Abstract
The KEK electron/positron linac is a 600-m-long injector providing the beams of different energies with four
independent storage rings. A non-destructive beam position monitor (BPM) is an indispensable diagnostic tool for along-term stable beam operation. In the KEK linac, around one hundred BPMs with the four strip-line type electrodes
are utilized for the beam position and charge measurement. The measured beam positions can be used for the beam
orbit and energy feedback loops. The current BPM data acquisition (DAQ) system comprises 23 fast digital
oscilloscopes based on Windows-XP, and the precision of measurement precision is approximately 50 m. Toward theSuperKEKB project, the upgrade of injector linac is now going on for increasing the beam intensity and reducing thebeam emittance. For the SuperKEKB linac, the emittance of electron beam should be reduced one-fifth smaller thanthat of former KEKB injector. For this reason, a high precision of the beam position measurement less than 10 m isstrongly required. In this paper, we present the system description and performance evaluation of a new BPM DAQ
system in detail.

SuperKEKB 入射器へ向けた BPM データ収集系アップグレード
1.

はじめにKEK の電子・陽電子入射器（以下，入射器）は，異なる入射ビームエネルギーおよび電荷量を要す
る 4 つのリングへビームを供給してきた。KEKB
電子・陽電子蓄積リングへは，積分ルミノシティー向上および蓄積ビーム電流値安定化のため，連続的なビーム入射をおこなってきた。これと同時に，PF リングにおいても，トップアップ入射への要望が高まっていたため，3 リング（KEKB 電子・陽電子，および PF リング）への同時トップ入射を 2009 年 4 月に実現した[1-4]。本同時トップアップ入射の実現により，入射器から供給される 50 Hz（20 ms 間隔）の電子・陽電子ビームを，パルス毎に任意のリングへ入射可能となった。これにより，リングでの物理実験効率が飛躍的に向上した。
KEKB リングの運転は 2010 年 6 月に終了したが，現 在 ， さ ら な る ル ミ ノ シ ティー増強を目指した
SuperKEKB 計画が進行中である。このため，入射器の改造を進めており，大電荷量かつ低エミッタ
ンスビームの生成ならびに安定供給を目標としている。具体的には，陽電子ビーム用ダンピングリ
ング，陽電子ビーム収量増強のためのフラックス
コンセントレーター，低エミッタンス RF 電子銃などの設計，開発，および試験を精力的におこなっている [5-11] 。SuperKEKB 入射器においては，電子（ 陽 電 子 ） ビ ー ム に 要 求 される横方向（垂直方___________________________________________ _____________#

masanori.satoh@kek.jp向）の規格化エミッタンスは 20 （6） mmmrad 以下である。このような低エミッタンスビームの安定輸送のためには，高精度なビーム位置計測および制御が不可欠となる。

2.

BPM データ収集システム

2.1

現システム

入射器では，ビーム軌道，エネルギー，およびエネルギー広がり安定化のためのフィードバックシステムを構築し，安定に運用している [12-14] 。こ

図１：現 BPM データ収集システムの概略図

れらのフィードバックには，約 100 台の 4 電極ス
トリップライン電極型 BPM による計測データが用いられる[15]。BPM の信号処理には，23 台のデータ収集システムが用いられており，入射器クライストロンギャラリーに等間隔で分散設置されている。
データ収集システム 1 台当たり，典型的には 4 台の BPM 信号を処理している。図１に，現データ収集システムの概略図を示す。本システムは，4 チャンネル高速デジタルオシロスコープおよび信号コンバイナーボックスから構成されている。オシロ
スコープ上では Windows-XP が動作し，4 チャンネ
ル同時計測時の最高サンプリング速度は 10 GSa/s，また，周波数帯域は 1 GHz である。
1 台の BPM からは，4 つのアナログ信号が出力される。このアナログ信号波形は，約 3 ns 幅のバイ ポ ー ラ 信 号 で あ り ， コ ンバイナーボックスによって 2 つの信号に合成される（水平方向および垂直方向）。コンバイナーボックス内部では，7 nsに相当する遅延ケーブルを用いることにより，バイポーラ信号の重複を防いでいる。最終的には，複数台 BPM からの信号が重ね合わされ，複数のバイポーラ信号列からなる波形として観測される。
ケーブルコンバイナーボックスからの出力は二等分され，オシロスコープの異なるチャンネルへ入力される。これは，0.1 nC～10 nC という幅広い電荷量のビームを 20 ms 毎に計測するための工夫である。本システムでは，オシロスコープの 1 および 2 チャンネルを小電荷量ビーム（0.1 ～1 nC），また，3 および 4 チャンネルを大電荷量ビーム（10nC）の計測に使用する。このような方式を用いることにより，オシロスコープの垂直方向測定レンジを変更すること無く，約 100 倍異なる電荷量のビームをパルス毎に計測可能とした。サンプリン
グ周波数 10 GHz で捕捉された波形は，バイポーラ信号の正負最大値の差を各電極からの信号振幅とし，ビーム位置および電荷量算出のための演算処理をおこなう。データ収集用ソフトウェアは，各オシロスコープ上において EPICS IOC として動作している[16, 17]。
現システムのビーム位置測定精度を 3-BPM 法で評価したところ[15],水平・垂直方向とも約 50 m であった。これは，オシロスコープで用いられている A/DC の分解能が 8 ビットであることに起因している。SuperKEKB 入射器では，測定精度 10 m以下を目標としているため，新システムの開発が必要である。
2.2

新システムには，Instrumentation Technologies （itech）社製の Libera Brilliance Single Pass （LBSP）ユニットを候補として採用した [18] 。本ユニットは，近年，世界中の加速器施設で広く採用されているBPM データ収集のための専用システムである。このような基本性能および信頼性の高い製品を基盤とすることにより，開発期間の大幅な短縮および開発リスクの低減が見込まれる。LBSP ユニットは，4 つの SMA 型信号入力ポート，高分解能 A/DC（16 ビット，125 MSa/s）を有する。また，2 段の帯域制限フィルター（中心周波数 511 MHz，3 dB
帯域幅 24 MHz）として，表面弾性波（SAW）フィルターを採用している。その他，シングルボードコンピューター（SBC）, FPGA，可変信号減衰器などから構成されている。
本ユニットを基に，SuperKEKB 入射器で要求される 96 ns 間隔 2 バンチビーム同時計測を実現するため，SAW フィルターの帯域幅を変更した。さらに，可変信号減衰器を 20 ms 毎に設定変更するた
め，ソフトウェアーの改良をおこなった。2 段のSAW フィルターを通過したアナログ信号は，96 ns
幅の信号に引き延ばされ，A/DC により 8 ns 間隔のサンプリング処理がおこなわれる。12 点のサンプリングデータの自乗和平方根を用いて，ビーム位置および電荷量の算出をおこなう。これらのデータ処理はすべて FPGA 上でおこなわれ，計算結果は SBC 上で動作している Linux/EPICS IOC へ転送される。上位のアプリケーションソフトウェアは，ギガビットイーサネット経由でのデータ取得が可能である。

3.

性能評価

LBSP のビーム位置測定精度の評価には，3-BPM法を使用した。本ビーム試験では，PF 入射用 0.3nC 電子ビームを用い，隣接する 3 台の BPM で同期ビーム計測をおこなった（図２）。BPM 上流のステアリング電磁石において，11 種類の異なる磁場新システム

新 BPM データ収集システムでは，10 m 以下のビーム位置測定精度を目指している。また，現システムと同様に，20 ms 毎の 2 バンチビーム同時計測の実現が不可欠である。

図２：3-BPM 測定中の入射器電子ビーム軌道。水平（上段），垂直（中段）ビーム軌道，およびビーム電荷量（下段）を表している。薄水色で囲んだ 3 台の BPM を用いて測定をおこなった。

(a) 位相調整前(a) 測定値と推測値のプロット(b) 位相調整後
図３： 精密位相調整前後の BPM 信号波形(b) 測定値および推測値の残差から得られたヒスト設定値でビームに蹴り角を与えた。ビーム位置のグラム測定は，ステアリング設定値毎に約 1000 回おこなった。
図４： 3-BPM 法による水平方向ビーム位置測定精本測定に先立ち，BPM 信号位相の精密調整をお度の解析結果こなった。本システムでは，A/DC クロック周波数がビームの加速 RF 周波数と非同期であるため，高偏差が，3-BPM 法によるビーム位置測定精度とな精度な位置測定のためには，このような精密位相る。したがって，位置測定精度が高くなるにつれ，調整が不可欠となる。図３は，1 台目の BPM にお標準偏差は 0 に近づくこととなる。同様な測定おいて，調整前後における各ストリップラインからよび解析は，垂直方向についてもおこなった。本の信号位相差を測定した結果である。調整前には， 測定の結果から，LBSP を用いたビーム位置測定精最大 1.5 ns 程度であった信号位相差は，調整後，度は，水平方向 20.24 m，垂直方向 19.12 m で100 ps 程度に補正された。本調整では，チャンネあった。
ル毎に異なる数の SMA コネクターを挿入し，最もこの結果より，本システムを用いることにより，遅延した信号にタイミングを合わせた。
現システムと比してビーム位置測定精度は大きく
図４に，3-BPM 法による水平方向測定結果を示改善されることを確認した。しかしながら，最終す。線形多重回帰分析により，1 台目・2 台目の目標値である 10 m 以下の測定精度に達すること
BPM における測定結果，および 3 台目の BPM ではできなかったため，さらなる改良を進めている。の測定結果の相関係数を算出する。本解析には，
約 11000 点の測定結果を用いた。図４-(a)は，1 台
4. まとめと今後の課題
目・2 台目の BPM 測定結果から推定される 3 台目の BPM でのビーム位置および 3 台目の BPM でのKEK 入射器では，SuperKEKB 計画へ向けて，大測定値の散布図をプロットしたものである。図４電荷量かつ低エミッタンスビームの安定入射に関(b)は，これらの残差をヒストグラムにし，正規分する開発をおこなっている。とりわけ電子ビーム
布関数でフィットしたものである。この時の標準については，ダンピングリングを用いないビーム輸送をおこなうため，機器の精密アライメント，高精度なビーム位置計測，および制御が重要である。現在の BPM データ収集システムによるビーム位置測定精度は 50 m 程度であり，SuperKEKB での目標値 10 m には遠く及ばない。このため，新システムの候補である LBSP ユニットを改良し，性能評価をおこなった。
ビームのパルス毎の位置変動を排除した測定精度を評価するため，3-BPM 法によるビーム試験をおこなった。本ビーム試験では，PF リング入射用0.3 nC 電子ビームを用いた。この結果，LBSP ユニットのビーム位置測定精度は，水平および垂直方向ともに約 20 m であることを確認した。現在，最終目標値である 10 m 以下の測定精度を目指し，A/DC の高速化などの改良を進めており，この秋にビーム試験をおこなう予定である。これらの試験結果については，別途報告する予定である。

謝辞
3-BPM 測定への協力および有益な助言をしていただきました Rok Hrovatin 博士, Matjaz Znidarcic 氏,Peter Leban 氏（i-tech 社），および梅田昌治氏（エムティティ株式会社）に深く感謝いたします。

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[18] http://www.i-tech.si/