ビームモニター入門
SuperKEKB主リングモニターの紹介
三塚 岳(KEK 加速器研究施設)

Flavor Physics workshop 2021 (FPWS2021)
27-30 September 2021

はじめに
⚫ KEK 加速器研究施設の三塚 岳(みつか がく)と申します。
⚫ SuperKEKB加速器で主にビーム位置モニター(GTBT)とビームサイズモニター(XRM, SRM)を担当しています。
⚫ 加速器施設に着任するまで物理の研究を行っていました。
- 大学院：スーパーカミオカンデで大気ニュートリノ
- PD：LHCやBNL-RHICで前方QCDやスピン⚫ 物理屋の気持ちが分かるのでは？とかれこれ15年近い付き合いになる松岡さんから講義の依頼がありました。
⚫ BCGを取るであろう方を想定し、SuperKEKB主リングのビームモニターの種類・特徴・性能を広く浅く紹介します。

The SuperKEKB e+e- collider•Major upgrade to the KEKB e e collider+ -••••providing tons of B, τ, etc. to Belle IIMain rings- 7 GeV e- storage ring (HER)- 4 GeV e+ storage ring (LER)
Injector complex- Electron/positron linac- 1.1 GeV positron damping ring (DR)“Nano-beam” collision scheme
Design parameters- Target Luminosity: 8 x 1035 cm-2s-1 (= KEKB x 40)- Beam Currents: 3.6 A (LER) and 2.6 A (HER)- Horizontal crossing Angle: 41.5+41.5 mrad
- βy* ~ 0.3 mm- σx* ~ 10 μm, σy* ~ 50 nm, σz ~ 6 mm

主なビームモニター
システム (主な略称・別称)

設置数
HERLER

DR

ビーム位置モニター (BPM)

466

44483

変位計

110

1080

横方向フィードバック (単にFBと言われる場合も)

221

進行方向フィードバック (進行方向FB)

010

可視光ビームサイズモニター (SRM)

111

X線ビームサイズモニター (XRM)

110

ベータトロンチューンモニター

221

IP軌道フィードバック (Fast orbit FB)

ビームロスモニター (ロスモニター)

207

34

DCCT

111

CT

1

10

バンチカレントモニター

111

バンチ振動モニター (BOR)110

素粒子実験と加速器の主な違い
加速器で使うモニターは⚫ 数量：たいてい数個-数十個、せいぜい千個⚫ 大きさ：あまり気にしない⚫ 回路の発熱・消費電力：(実験に比べて)あまり気にしない⚫ HVやゲインの管理：厳密な物からそうでない物まで⚫ 開発とメンテナンス：KEK職員⚫ 安定性：壊れないことが重要

ビーム電流を測る
バンチ数：数百-数千
トレインギャップ：2つバンチ間隔：2RFバケット、3RFバケット...

⚫ ビーム電流和の測定⚫
⚫
⚫

DCCT：全バンチに対する電流総和を測定、PV更新は1 Hz
正確さが何よりも重要。
書き方：IHER、ILER⚫ バンチ毎電流の測定⚫
⚫

バンチ電流モニター(BCR)：バンチ毎に電流測定、PV更新は1 Hz
書き方:Ibunch、Ib

Current Transformer (CT)

ビーム電流Ibにより1次磁束Φが磁気コアに誘導される。この1次磁束Φをキャンセルするように、2次電流i0による磁束Φ’が2次巻線Nに誘導される。
⚫ 2次電流i0はシャント抵抗Rに流れ、シャント抵抗両端の電圧が発生する。この電圧は測定導体に流れている電流ibに比例した出力になる。
⚫

注：この図面はDCCTのもの。
基本的な構造は同じ。

DC Current Transformer (DCCT)⚫ ビームのDC成分を検出⚫

CERNのUnserによりParametric CTとして実用化。

SuperKEKBのDCCT⚫ 2つのコアの特性がぴったり合っていないと、0電流でもリップルが出る。
⚫
⚫

大量にコアを製造して、特性のあったものを見つける→大変
コアの特性が少々ずれていても大丈夫な回路に変更する
平松先生ご考案の並列フィードバック型DCCT⚫
高速レスポンスと高精度を両立
DC – 20 kHz, 精度 < 1%⚫
SuperKEKB、J-PARC MRで使用中
外部磁場の影響を結構うける⚫
外部磁場によりオフセットが変動する⚫
極力電磁石の近くに設置しない⚫
DCCTの周りに強力な磁気シールドを設置

Bunch current monitor (BCM)

FB検波回路より⇒

MAX108 8bit ADC
Spartan6 FGPA
VME 2W size

⚫
⚫
⚫
⚫

絶対値はDCCTを使って校正する必要がある。
最適な入射バケツ選択が可能 → 均等なフィルパターン
アボート直前の40 msの情報を記録できる。
バンチ振動レコーダー(BOR)も同型モジュールを使用。

BCMの測定結果

パイロットバンチ

ビーム位置を測る⚫ ビームの平均(重心)位置の測定⚫
⚫
⚫

狭帯域検波器：全バンチの長時間平均位置、更新は0.25 Hz
位置決定精度は3 µm。
単にビーム位置モニター(BPM)と言ったらこちらを指す。

⚫ ビームの瞬間位置の測定⚫
⚫
⚫
⚫

ターンバイターンモニター(TBT)：あるバンチのある瞬間の位置位置決定精度は50-100 µm。
常時測定は行っていない。
入射直後の振動の様な動的な振る舞いを見たり、水平垂直結合のスタディ等で使用。
ベータトロン振動
ターンバイターンモニターで見る
Closed Orbit Distortion (COD)
狭帯域検波器で見る

ビーム位置モニター (BPM)⚫

⚫

← SuperKEKBのLER
はアンテチェンバー型⚫

検出電極とビームとの距離がrなら、電極に誘起される電荷は1/rに比例する(Poisson方程式)。
2つの電極をビームを挟んで対向させると、2つの電極から出てくる電圧の差はビームのチェンバー中心からの変位におおよそ比例する。
電極の種類
ストリップライン型 (主にLinac, BT)
Pros: 検出周波数帯域が広い、ボタン電極に比べて大信号
Cons: リングで使うと非常に高出力、ビームダクトとの間に電磁場がトラップされる→ インピーダンスが高く、リングで使うとビーム不安定や発熱を招く⚫ ボタン型 (主にリング)⚫

普通のBPM
SuperKEKB LER

電極直径 = 6 mm

電磁波のロスが小さく遠くまで届く→ ノイズレベル高、精密測定に不向き

Φ64 mmチェンバーのカットオフ周波数 = 2.7 GHzQCS近くのBPM←QCS

電極直径 = 1.8 mm

IP chamber→

BPM電極+フィードスルー
ベローズ

QC1L側BPM取り付け風景
VTX作業中にコネクターが折れるトラブルがあり(作業後に気づく)、その後SMAコネクターのカシメ長を4 mmから12 mmへ伸ばした。

ビーム位置モニター用検波回路
BPM system at Phase 1
Type
1GHz狭帯域検波器(KEKBより継続)
509MHz狭帯域検波器FunctionResolution

Repetition

Number ofunits

3 µm0.25 Hz

1092-3 µm

0.25 Hz

133

閉軌道補正
光学測定・補正ゲート付きターンバイターンモニター

入射調整
光学測定 (XY結合等)

50–100 µm

100 kHz/data

117

Medium-band(Libera Brilliance+)

Measurement of orbitvariation< 2 to 3 µm

10 kHz4

Fast orbit deviation(Libera Brilliance+)

Orbit deviation abort~10 µm<10 turn

100 kHz4狭帯域検波器
RF周波数の整数倍のみ狭帯域(Δf = 50 Hz)で検波スーパーヘテロダインで周波数変換 fIF = fsig - fLO

1台の検波器でHERx4台あるいはLERx4台を担う。

横方向位置の目標軌道からの残差

接触不良/不良予備群BPM

ターンバイターンモニター回路 (TBT)
GatedTbT⚫

両リングで合計約140台のターンバイターンモニターが設置されている。
⚫

⚫

⚫
⚫

GatedTbT⚫

ゲート付きなのでGatedTBT(GTBT)と言ったり、単純にTBTと言ったり。
DRのBPMはゲート無しTBT。

主リング入射部と衝突点近くには特に重点的に配置。
ゲートをパイロットバンチに合わせ衝突運転中でも光学測定を行える、というのが最初の目的だったがまだ実現していない。
普段は全データを後段の狭帯域検波器へ送っている。

TBT回路の概要
509M Hz/1G Hz狭帯域検波器

BPM
電極

TBT
Data

FPGA(Spartan6)

Single bunch signal orinjection beam
Fast gateswitch

BPF &AmpLog
Amp

14bit
ADC

広ダイナミックレンジ

Gate width~6 ns

508.886M Hz & FID

TBT検波器

FPGA, DDR3
SAW filters andLog Amplifiers,ADCs

Fast Gate Switch

入射バンチ位置のターン毎の変化

休憩：加速器に興味がある学生・PDの方へ⚫ 興味があれば是非見学を申し込んでみて下さい。

⚫ 加速器で研究・開発をやってみたい方はもちろん大歓迎です。
⚫ 物理実験で培った知識・技術・経験が役立ちます。
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検出器開発
DAQ開発
ソフトウェア開発
データ解析・理論計算などなど⚫ 必要な事は入ってからでも学べます。

ビーム不安定⚫ 加速器真空要素(チェンバー、空洞、つなぎ等)にビームからの高周波信号が発生する。
⚫ 次々来るバンチからの信号が、この高周波信号を大きくするように働く(共振)と、信号はどんどん大きくなり、またビームを揺らし始める。
⚫ ビームが振動し始めると、さらにエネルギーがたまっていき、ますます激しくビームを振動させる。

ビーム不安定から逃れるには⚫ がんばって不安定の原因を加速器コンポーネントから取り除く努力をする
HOMの無い高周波加速空洞、スムーズな真空⚫ チェンバーなど⚫

⚫ ビームが振動したとき、自然に振動の周波数などが変わっていく仕組みを導入する⚫

多極磁石(6極や8極)、非線形システム⚫ フィードバックシステムで、振動を押さえ込む⚫

個別バンチフィードバックシステム

横方向フィードバックシステム
4. 5.
2.
1.

8.

6.

9.

7.
3.

(今は500 W amp)

(今は500 W amp)

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

Combフィルターで2 GHz(RFx4)付近を抽出
信号の引き算Σ信号を使ってDC成分(frev付近)を計算
DC成分をバンチ電流に依らずキャンセル
2 GHzと掛け算
LPFでRF以下だけ通す
iGp12デジタルフィルター250 Wアンプ
フィードバックキッカー

フィードバック用検波回路
1Uサイズの検波回路
水平と垂直：2台
進行方向：1台

5.

4.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Combフィルターで2 GHz(RFx4)を抽出
信号の引き算Σ信号を使ってDC成分を計算
DC成分をキャンセル(バンチ電流に依らず)
2 GHzと掛け算
LPFでRF以下だけ通す
iGp12デジタルフィルターへ

6.

7.

3.

2.
1.

iGp12デジタルフィードバックフィルターiGpデジタルフィルター(8bit)の後継機⚫
12bit ADC/DAC⚫
10–20 tap FIRフィルター⚫
12 MBメモリー⚫ DRも含めて12台のiGp12を使用⚫ PLL回路を使った1バンチ励振⚫ Transient-domain解析
⚫

⚫
⚫

成長
時間

FBをある瞬間にoffにして、ビーム不安定の成長を測定・記録する。
FBを再びonにしてビーム不安定が抑制される様子も測定できる。

減衰

IP軌道フィードバック (Fast orbit FB)
IPでの垂直方向ビーム軌道のフィードバック⚫ IPに近い4極磁石が数十Hzで200 nm程度振動すると測定・計算から推測⚫

→ IPでのビーム間距離は20 nm程度。これは垂直ビームサイズ～50 nmに比べて非常に大きい。

⚫

垂直ビームサイズ(rms)に対して20%(50%)のずれで2%(10%)のルミノシティロス。

鳥瞰図横からみた図

IPでのビーム間距離

BPMでの軌道変化

σy* (= 50 nm)

50 μm

1/10 x σy*

5 μm

BPM精度は1 μm欲しい

信号処理の流れ
QC1 BPM509 MHz
16.9MHz⚫

μTCAボード⚫

位置決定精度 <1 µm
位置情報レート 32 kHz

FBコントローラと電源コントローラ

MicroTCA form factor based on LLRF
processors (STF and KEKB)
Vertex5 FPGA (with PPC)
ADCs on mezzanine card
Built-in EPICS on PPC

MTCA.4 form factor
Zynq FPGA with built-in EPICS
controllerIP軌道フィードバックの様子
iBump feedback “slow FB”

Fast orbit feedbackビームサイズを測る⚫ (放射)光モニター = ビームサイズモニター⚫ X線領域⚫
⚫
⚫

水平・垂直ビームサイズ：X線モニター(XRM)
トンネル内で測定。横方向だけに特化。
KCGで出てくる水平・垂直ビームサイズは全てXRMの測定値。

⚫ 可視光領域⚫
⚫
⚫

水平・垂直ビームサイズ：干渉計(SRM)、ゲートカメラ
進行方向ビームサイズ(バンチ長)：ストリークカメラ
地上で測定している。光路が各リング一本なので排他的になる。

X線モニターのビームサイズ測定手法~10 m

簡単に言うとX線ピンホールカメラの応用
波長依存(回折)をほぼ無視できるので幾何光学的~30 m

σy = 42 um
ビーム細い

水平方向に開いたスリット

水平方向垂直方向

像がシャープσy = 144 um

シンチレーターに投影されたX線像の太り具合からビームサイズの大小がわかる。

X線モニターのビームサイズ測定手法~10 m

簡単に言うとX線ピンホールカメラの応用~30 m

波長依存(回折)をほぼ無視できるので幾何光学的

σy = 89 um
ビーム太い

水平方向に開いたスリット

水平方向垂直方向像が太い

σy = 139 um

シンチレーターに投影されたX線像の太り具合からビームサイズの大小がわかる。

SuperKEKB X線ライン

衝突点

電子ビーム
陽電子ビーム電子リング
X線ライン[Attwood, AST210/EECS213, UC Berkeley]

SuperKEKB電子ビーム(7 GeV)では= 4.2×10-3 deg.
40 m離れた地点で5.9 mmの広がり

偏向電磁石

マスク

陽電子リング
X線ライン
入射点

X線ライン

検出器

ビームパイプ

L ~ 10.3 m

L’ ~ 31.7 m

検出器箱
陽電子
電子

X線

ビームサイズ測定結果表示パネル
X線発光点でのビームサイズ(測定値)
衝突点でのビームサイズ(換算値)Y
X

β(X線発光点)とβ*は精度よく求まっている物として、上式を使えば衝突点のビームサイズσ*が求まる。
⚫ 朝のKCGミーティングで出てくるのはσ*の方。
⚫

実際のデータ (LER 4 GeV)
赤 : データ
黒 : ベストフィット

谷の深さと細かい凸凹に着目
σy = 24 um
σx = 104 um

σy = 35 um
σx = 106 um

σy = 45 um
σx = 115 um

σy = 50 um
σx = 101 um

σy = 55 um
σx = 109 um⚫
⚫

最低測定σy ~ 10 μm
δσy < 1 μm (σy > 20 μm)

ビームロスを測る
イオンチェンバー (~ms)

PINフォトダイオード (~ns)

PIN PDのアボートトリガー生成時間 ~ 2 μs

読み出し、制御•Digitex 18k14 ADC•8, 16bit simultaneouse sampling ADC(AD7606)•1kSPS + up to 64kSPS oversampling•Spartan6 XC6SLX45 FPGA

Yokogawa FA-MA system
32bit TTL Input X 2
32bit TTL output

その他の検波器⚫ 軌道逸脱モニター・インターロック⚫

Libera Brilliance+⚫
⚫

turn-by-turn mode, latency <10 turns
Evaluation in progress: Latency < 4 turns⚫ Medium-band detector⚫
⚫

Libera Brilliance+, FA mode (10kHz)
Tsukuba local chromaticity correction area

まとめ⚫ SuperKEKBのモニターを広く浅く紹介しました。
⚫ 同様のモニターは世界中の加速器で使われていますが、個々の加速器の事情の合わせてチューニングされています。
→ 素粒子実験のハード・ソフトと同じで、開発の腕の見せ所⚫ 浅学故に全くの間違い・勘違いがあると思います。

→ 「勘違いしていても加速器では食べて行ける様だ」と好意的に受け取って頂けると幸いです。

参考文献⚫ OHOセミナーの資料
OHO’19はSuperKEKB特集、OHO’20はモニター特集⚫ 平松成範、加速器のビームモニター
KEKB時代のモニターは全部書いてある、電子回路の説明に厚い⚫ H. Wiedemann, Particle Accelerator Physics (Springer)
何でも書いてあるがそれ故に道に迷いがち、辞書的に使用Backup

これからの展開 #2：X線干渉計
f(x|σ)
30 μm

z = 9.47 m|F[f]|l = 31.85 m

これまでのX線モニターの原理は幾何光学(縞模様に波長依存なし)。
波長情報を光源サイズ測定に使えないか？ ⇒ 空間コヒーレンスを用いた干渉計
縞模様の深さは(光源の大きさ/波長)の関数になるので、波長単位でサイズが測れる。
⇒ 波長の短いX線~0.1 nmを使えば、かなり小さい光源サイズも測れる。

光源からスリットまでの距離(z)とスリット幅(d)をスケールすれば、FCC-eeで想定されるビームサイズの測定実証試験になる。

SuperKEKB

FCC-eeビームサイズ σy< 10 μm< 10 μm [1]

スリット幅 d30 μm

300 μm

光源－スリット z~10 m~100 m[1] Thibaut Lefevre, FCCW 2019, Brussels

X線干渉計用マスクとチェンバーの開発
シングル+ダブルスリット
回折縞チェック用500 μm

30 μm

干渉縞用

スリット幅は全て15 μm
第二マスクチェンバー

第一マスクチェンバー

2019-2020年度に開発。熱伝導・振動対策面で種々の改良を加えた。
2021年7月にHER X線ラインに設置。リーク・昇降装置動作試験完了。
2021c(2021/10-12)からは従来の第一チェンバーを衝突運転時に使用し、X線干渉計のstudy時のみに第二チェンバーを使用。

干渉縞のシミュレーション
検出器箱に到達する
スペクトラムσy = 10 μm

εph = 9 keVεph = 15 keV

Cuフィルターで減衰
YAG:Ceシンチレーターで吸収σy = 15 μm
49
σy = 10 μmは10 keV以上を落とせば測定可能。

σy = 15 μmはかなり厳しそう(σyが大きすぎ)。
2021/10-ランで試験予定。
X線エネルギーも初測定。
(https://advacam.com/camera/advapix-tpx3)

εph = 9 keVεph = 15 keV