国内レヴュー, September 8, 2017

Timing System
大西幸喜

梶、佐々木、杉村、工藤*1、飯塚*2、古川、佐藤、宮原、中村、草野*1、早乙女*3*1三菱SC、*2東日本技術研究所、*3関東情報サービス、KEK

7つの課題

1. DRのビーム蓄積時間（1パルス/2パルス蓄積）

2. DRキッカーにおける”15 ms"前のpre-trigger

TRL 4Technology
Readiness
Level
9実用化

TRL 4
8 実機試験（長期）3. LER 25Hz入射とPF1 Hz入射の共存入射パターン

4.
5.

KBPの３種類のモード（KBP、 KBPu、KBPd）
ビームゲートとDRおよびLERのセプタムとキッカーのenable/disable

6.

LERアボート時の出射セプタムと出射キッカーの即時停止

7.

LERアボート後のDRビームの取り出し

TRL 6
TRL 4
TRL 4
TRL 6
TRL 3

7 実機試験（予備）6

プロトタイプ

5ベンチ テスト4詳細設計

3暫定的設計

2概念設計

1

基本方針
2

Damping Ring: 最大4バンチの蓄積
1 pulse蓄積

2 pulse蓄積

1-bunch入射
出射後入射までの時間：約2.5 µs

96 ns

96 ns

96 ns

2-bunch入射3

Frequency
10.385 MHz

1114.24 MHz

11508.89 MHz49

harmonic
number571.2 MHz5 x 11 = 552856 MHz

5 x 5 x 11 = 275

DR230

MR

5120

最大公約数

10

46 = 23 x 2としたのは、
T50 Hz > 20 msとするため（ハードの都合）

CM R = 3016.332 [m](実測)

f0 = 99.390 [kHz](MR)

f50Hz = f0 /49/46 = 44.095 [Hz]f0 h = 10.385 [M Hz] ⇥ 49T0 = 10.0614 [µs]T50Hz = 22.68 [ms]EVG(ACIN:最上流)

x11 = 114.24 MHz : EVG(RFIN)

4ハードウエア構成
セプタムとキッカー以外は、信号垂れ流し
LERアボート後などのDR蓄積ビーム
取り出しは別途考える必要あり

Bucket Selection delayを管理

入射スケジュールを管理

ANDを取る

IOCTMLC8
Beam Gate信号の分配: 50 Hzで割り込み

TTL

Event / Dbus

DR inj. septum
DR inj. kicker
SKI (TbT BPM)
LTR BPM

TTL
TTL

LEVEL

Event /Dbus

TTL

Event / Dbus

新設

EVR-230 or EVR-300
電子銃
LEVEL

ハードワイヤーで止める

Bucket Selectionでsequenceを止める (program).

ビーム出し始めと終わりを制御

CCR
梶氏、杉村氏、佐々木氏

DR ext. septum
DR ext. kicker
RTL BPM光LER アボート 信号（レベル）Dump mode(BTp, SY2)を考慮

5

Timing System for Damping Ring
Timing systemからは、preとmainの両トリガー(TTL)を供給
delayも装備. (最小ステップ0.4 ns, 3ch/EVR)

30 ps(jitter)

pre trigger
30 ps(jitter)main trigger

充電時間114.24 MHz clock counts (8.75 ns unit)

充電開始“15 ms” ± 40 ps(jitter) ± 3 ns(drift)

入射・出射タイミング

circumference adjustment of MR± 100 Hz for 509 MHz (±0.2 ppm)
Thyratorn のjitterは、1~5 ns± 30 ps(jitter) << 1 ns

充電時間の要求精度は、10~20 µs＊ ± 40 ps(jitter) ± 3 ns(drift) << 10 µs＊ 2017年1月13日DR kicker timing打ち合わせメモ参照
6Event System
KBP #0 陽電子
ACIN

KBE #1 電子
ACIN

20 ms

KBP #2 陽電子
ACIN

20 ms

梶氏、杉村氏

20 ms

31
40

1 32
230
41

data buffer

12 42

EventCodedata buffer

EVG

12 42

31
40

Dpre設定EVR
pre-trigger
enableDpre
Dmain1main-trigger
イベント
コード10の位電子

3陽電子

4

0

pre-trigger
1

2

準備main
準備イベ
準備イベ
トリガー
ントント
発生

“15 ms”
Dmain2main-trigger

イベント(1,2)がタイミングを決定する.
Dmain1 + Dpre + 15 = 20 + Dmain2 +Dpre = Dmain2

Dmain1 + 5 +（Δは固定）
7

入射パターンとイベント“25Hz”, Tstore=40 msec

LER入射23 Hz, PF入射1 Hz, HER入射25 Hz

工藤氏

PFについては偶然の“25Hz”, Tstore=80 msec

同期タイミング(1) KBP: DR入出射とLER入射のパルス磁石を稼働、ビームは電子銃から出す.
(2) KBPd: DR出射とLER入射のパルス磁石のみ稼働、ビームを電子銃から出さない.
(3) KBPu: DR入射のパルス磁石のみ稼働、ビームは電子銃から出す.
8

“25 Hz” LER入射とPFの共存入射パターン
前提：PFEとAREは連続しない、KBPも連続しない。
KBPの場所にPFEを入れれば、必ずKBPの前はKBEである。

今、奇数番をKBPが占有するとすると、KBEは偶数番である.
2n+1 (n= 3~22)番目にPFEを入れるとすると、(1) Tstore = 40 msecの場合、2n-1番目にKBPd、2n+3番目にKBPuを配置すればよい.
(2) Tstore = 80 msecの場合、2n-3番目にKBPd、2n+5番目にKBPuを配置すればよい.

Tstore = Min(npulse Trep , Tmax )Trep = 1/frep
全ての変数は、あらかじめ与えられる.

DRに蓄積するパルス数(npulse)を、EPICSレコードのPV値として保持する.

9

LERアボート後のDRビーム取り出し
RTL下流のビームシャッター(BSS1)を入れた後に出射する.
概念設計

Extraction kicker
pre-trigger

T15

Extraction kicker
main-trigger

周回時間の整数倍で15 msに近いところ

Extraction Septumtrigger

ビームのあるバケツを見つけておく.

2-pulse蓄積に対応可能

1
h = 230 fRF = 509 M Hz T0 =' 452 nsec
f0
T15 = m ⇥ T0 m ' 33196

fRF = hf0

暫定的設計FPGA + TD4V

revolution

Extraction kicker
pre-trigger
Extraction kicker
main-trigger

F/OFPGA
T15

TD4V
n-bucket delay

F/O
Extraction Septumtrigger

10

まとめ

MR入射を含むDR入射・出射タイミング・システム全体の設計
図は完成. DRの要求仕様を満たしている.
設計図をもとに、仕組みを具体化する作業を開始する.
９月から、開発作業および順次試験を開始する.
準備イベントの発生タイミングを調整する必要があるが、充電時間に依存する. “15 ms”は暫定値なので、9月中旬には確定希望.

入射器のRF電子銃、パルス・マグネットの試験とスケジュール調整を行いつつ進める.

11

Appendix

12

DR単独運転における蓄積時間
Tstore = Min(npulse Trep , Tmax )npusleはオペレータがPVで指定（EPICSレコード）.

Step 1
frep [Hz]Trep [msec]

npulseTmax [msec]

Tstore [msec]

502022000

4025402200080

12.580

22000

160

10100

22000200

5200

22000

400

11000

22000

2000

Step 2

Tmaxの動作試験

frep [Hz]Trep [msec]

npulseTmax [msec]

Tstore [msec]

----

-

2540

1200

40

12.580120080

10100

1200

100

5200

1200200

11000

1200

200
13LER入射時におけるDR蓄積時間
Tstore = Min(npulse Trep , Tmax )Step 1

Step 2で必要となるRF変調の試験も可能

frep [Hz]Trep [msec]

npulseTmax [msec]

Tstore [msec]

----

-

2540

12004012.5801200801010012001005200

1200200

11000

1200200

Step 2

Bucket Selectionの要求に従ってlinac3-5 sectorのRF位相を操作する.

frep [Hz]Trep [msec]

npulseTmax [msec]

Tstore [msec]

5020

2200402540

22008012.5802200160

10100

2200200

5200

1200200

11000

1200200

f0 = 452 nsec -> 2パルス蓄積だとLERの100 bucketsは自由にならない.
14

DR入射および出射で必要となるタイミング信号
名目用途

信号の種類

DR入射セプタム

main trigger

TTL: -106 μs, 幅50μs

pre trigger (1)TTL: -15* ms

pre trigger (2)TTL: -15* ms

main trigger (1)TTLmain trigger (2)TTL

DRモニター（SKI）

TbT BPM、SRM

NIM / TTL、幅10 ns(10 ps)

delay: 8.75 ns step

LTR BPMLTR BPM, Wire Scanner

NIM

delay: 8.75 ns step

DR出射セプタム

main trigger

TTL: -106 μs, 幅50μs

pre trigger (1)TTL: -15* ms

pre trigger (2)TTL: -15* ms

main trigger (1)TTLmain trigger (2)TTL

RTL BPM, Wire Scanner

NIM

DR入射キッカー(電源2台)

DR出射キッカー(電源2台)

RTL BPM

それぞれの出力にはdelay設定ができるようにする.

コメント
信号は同期してenable/disabledelay: 8.75 ns step

信号は同期してenable/disabledelay: 8.75 ns step

delay: 8.75 ns step

＊暫定値 8月末に決定、()は要求ジッター幅

15LER入射で必要となるタイミング信号

名目用途

信号の種類

入射セプタムmain trigger
TM̲EV:LER:SEPTUM̲MAIN:ENB

NIM

main trigger A
TM̲EV:LER:KICKER̲A:ENB

NIM

main trigger B
TM̲EV:LER:KICKER̲A:ENB

NIM

垂直キッカーmain trigger
TM̲EV:LER:VERT̲KICKER:ENB

NIM

入射同期

Fastタイミング

各種モニターなど
TM̲EV:LER:FAST̲TIMING:ENB

NIM

入射同期

BTp BPMBT BPM
TM̲EV:LER:BT̲BPM:ENB

NIM

入射同期

Softwareタイミング

Gated TbT
TM̲EV:SW̲TIMING:ENB

NIM

LER/HER共通

入射キッカー(電源2台)

それぞれの出力にはdelay設定ができるようにする.

Delay: 0.1 ns step

コメント

信号は同期してenable/disable

16

HER入射で必要となるタイミング信号

名目

用途

信号の種類

入射セプタムmain trigger
TM̲EV:HER:SEPTUM̲MAIN:ENB

NIM

main trigger A
TM̲EV:HER:KICKER̲A:ENB

NIM

main trigger B
TM̲EV:HER:KICKER̲A:ENB

NIM

垂直キッカーmain trigger
TM̲EV:HER:VERT̲KICKER:ENB

NIM

入射同期

Fastタイミング

各種モニターなど
TM̲EV:HER:FAST̲TIMING:ENB

NIM

入射同期

BTe BPMBT BPM
TM̲EV:HER:BT̲BPM:ENB

NIM

入射同期

Softwareタイミング

Gated TbT
TM̲EV:SW̲TIMING:ENB

NIM

LER/HER共通

入射キッカー(電源2台)

それぞれの出力にはdelay設定ができるようにする. Delay: 0.1 ns step

コメント

信号は同期してenable/disable

17Beam GateFPGA (佐々木氏)

IOCTMLC8

遅くopen/早くclose

LER/電子銃新規（DR単独運転用）

EVGに close→open、open→closeを検知させる.

IOCTMLC8

HER/電子銃linacモードであっても、EVRにopen/closeの情報を与える必要がある.
linacモード場合、非同期でも構わない. DRセプタム/キッカーenableg後に 電子銃よりビームON
電子銃ビームWait -> DRセプタム/キッカーdisable18

DR READY, SY2 Dump Mode, Direct Injection
DR READYCODBG:PDR_READY

Beam Gate Enable
CODBG:SY2_DUMPCODBG:BG_OUT

O/E レベル信号
CODBG:DIRECT_INJ

ORを取って
光出力

KBPについてのみ有効となるように

LINACモード・KEKBモード共通＋CODBG:DIRECT_INJw (operator request)
CODBG:SY2_DUMPw (operator request)

入力：RS422、接点、TTL

0: off / 1: on

SY2 dumpにビームを導いてlinac運転(sector 2まで）

CODBG:BG_OUT→0のみを、COLBG:FPGA:OPRwに反映させる必要がある. 19

DR入射タイミング信号

Event System
Event割り込み

DR入射セプタム
電源へ
多和田さんへHI:disable/LO: enable
Event割り込みDR入射キッカー
電源へ

main-triggerも同様

外部ロジック20

DR出射タイミング信号

Event System
Event割り込み

DR出射セプタム
電源へ
LERアボートで即時停止(BTpダンプモードを除く)

多和田さんへHI:disable/LO: enable=1: True

Event System
Event割り込み

DR出射

main-triggerも同様

キッカー
電源へ
21

DR Kicker
多和田氏、Jan/13, 201722

HERビームゲート信号受信時とIOCTMLC8の動作 (1)
ビームゲート閉から開へ

Distributed Bus Bit機能(DBB)を使った割り込み処理を行う.

ビームゲート
open

1パルス後

pre-trigger enable
電子銃 enable

2パルス後
HERのプレ・トリガー信号

セプタム・キッカーのトリガー信号

ビーム23

HERビームゲート信号受信時とIOCTMLC8の動作 (2)ビームゲート開から閉へ

Distributed Bus Bit機能を使った割り込み処理を行う.

ビームゲート
close

1パルス後
1パルス後

pre-trigger enable
電子銃 enable

HERのプレ・トリガー信号

セプタム・キッカーのトリガー信号（後打ち）

ビーム24

LERビームゲート信号受信時とIOCTMLC8の動作 (1)
ビームゲート閉から開へ

1パルス後
N+1パルス後（N=Tstore/20 ms）
2パルス後

ビームゲートopen

DR injection pre-trigger enable
DR extraction pre-trigger enable
LER pre-trigger enable
電子銃 enable

DR入射セプタム・キッカーのトリガー信号

DR出射セプタム・キッカーのトリガー信号

LERセプタム・キッカーのトリガー信号
Tstore = 40 ms

ビーム25

LERビームゲート信号受信時とIOCTMLC8の動作 (2)ビームゲート開から閉へ

ビームゲート
close

1パルス後

DR injection pre-trigger enable

Nパルス後

DR extraction pre-trigger enable（N=Tstore/20 ms）

LER pre-trigger enable

1パルス後

電子銃 enable

DR入射セプタム・キッカーのトリガー信号

DR出射セプタム・キッカーのトリガー信号

LERセプタム・キッカーのトリガー信号
Tstore = 40 ms

ビーム

26

ジッターの測定
delay信号でトリガーをかけ、114MHzRFのジッターを測定.
結果：30 ps（遅延時間にかかわらず）. ただし114MHzRFのジッターも含む.

q2
osci +

2
RF +2
EV R = 30 ps

杉村さん

27

周長補正とRF周波数
SuperKEKB Phase-1

200 Hz28

SY2 Dump
第２スイッチヤード
SY2 dumpモード：BLIN.1の磁場を０にする.

BSN1(安全用ビームシャッター)SY2 dump
BSS1(RTLビームシャッター)29