BEAM-CHARGE LIMIT SYSTEM FOR RADIATION SAFETY
AT THE KEKB INJECTOR LINAC (III)Tsuyoshi Suwada1, Eiichi Kadokura, Masanori Satoh, and Kazuro Furukawa
Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
A new beam-charge interlock system has been developed for radiation safety and machine protection at the KEKB
injector linac. Although the previous software-based interlock system was working, it was replace by the new hardwarebased one. The new interlock system restricts the integrated amount of beam charges delivered to four different storagerings (KEKB e+, KEKB e-, PF, PF-AR) at six locations along the linac. The new hardware-based interlock systemboosted its reliability in comparison with the previous software-based interlock system. The full-scale operation of the
new interlock system has been started without any problems since 27 March 2008. In this report we describe the beam
tests, several technical developments, and the operational performance of the new beam-charge interlock system.

KEKB入 射 器 に お け る 放 射 線 安 全 の た め の ビ ー ム 電 荷 制 限 シ ス テ ム(III)１．概要

目指すものであるが、個々のリング、ビーム輸送路で許容されるビーム強度をパルスごとに管理して初めて実現可能となる。入射ビーム強度のパルスごとの管理を行うには信頼性の高いハードウエアを基本とするシステムの導入が必須である。表１に、入射ビーム強度に対する新旧の電荷制限値の比較を示す。

KEKB入射器では、入射器と下流の電子・陽電子蓄積リングに対し、ビーム強度管理の信頼性を高めるために、ビーム電荷制限システムの開発を2006年度から進めてきた。これは、入射器の電流増強と複数の下流リングに対する同時入射を実現するために、その早期運用が望まれていたからである。約２年に表１．入射ビームに対する新旧電荷制限値の比較
わたるシステム開発と丹念なビーム試験により、放射線管理室の最終的な承認を得た後、2008年3月27
旧電荷制限値
新電荷制限値日から本格的に運用を開始した。本報告は、ビーム[nC/s][nC/h][nC/s][nC/h]
電荷制限システムのビーム試験、運用に向けた最終6R0-011250
2500
4.50×10的な対策、運用状況についてまとめたものである。
22-44625
1250
2.25×106
Linac* 62.5
2.25×105
２．はじめに5KEKB
5.76×10
5.76×105
これまでの本研究会で、本システムの進展状況にPF7.80×104
ついて随時報告してきた[1-4]。その目的とシステム
4PF-AR
0.72×102.32×104
構成の詳細については、こちらを参照してほしい。
Linac* とは、入射器東側エネルギー分析ラインの本システムの導入により、入射器と下流リングにこと。
対するビーム強度管理の信頼性を格段に向上させ、以下に示す要請が実施可能になった。
今回の電荷制限の変更により、入射器では、１時間単位のビーム強度管理が可能になり、瞬時制限値(1) 将来のSuperKEKBに向けた入射ビームの電流増が２倍緩和され、大電流加速試験が可能になった。
強を実現するために、大電流加速試験を可能に
PF-AR入射では、１時間を超える連続入射が可能にすること。
なった。一方、PF入射では、ビームダンプが新たに(2) PF-AR入射において、１時間を超える連続入射を設置され、ビーム強度管理を開始した。このように、可能にすること。
ビーム強度管理の信頼性向上により、個々の運転(3) PF入射では、専用のビームダンプを利用して、PF入射路を含めたビーム調整を可能にすること。 モードに対応してフレキシブルな管理が可能となり、電子加速器の高度化に向けた新たな試験環境が整っ(4) PFとKEKB電子・陽電子の同時入射を可能にするたといえる。
こと。
これらの要請は、電子加速器のさらなる高度化を1

E-mail: tsuyoshi.suwada@kek.jp

３．運用に向けた準備
2006年度から本システムの開発に着手し、2007年10月、ハード・ソフトウエア両面にわたる最終的な整備を終えた。引き続き11月上旬から約２ヶ月間、システム安定性を最終的に確認するために試運転を行った。この間にも、幾つかの不具合が見出されたが、その都度、適切な対策を施すことで、システム全体の安定性を向上させていった。本格的な運用に向けて、以下のような改修と新たな対策がとられた。
ハードウエア面での対策を以下にまとめる。

に対する１秒積分電荷量の変化を示す。この測定では、ビーム変動を含んでいるが、計測システム自身は、２バンチ同時加速においても、<1%の良好な線形性を示している。

(1) 電荷制限モジュールの積分回路オフセット調整用の抵抗値を変更しバイアス電流を下げた。
(2) 筐体の前後面にシールドドアと金属パネルを取付け、ノイズ対策を強化した。
(3) 瞬時停電時にも対応できるように無停電電源を取り付けた。
これらの改修と対策により、モジュールの動作がより安定するようになり、電磁ノイズの影響を大幅に低減した。
一方、ソフトウエア面からの改良と対策を以下にまとめる。

図１. ビーム繰返しに対する１秒積分電荷量の変化(KEKB陽電子)。

図２に、KEKB入射ビームで計測した１日(11月8(1) PLC制御用操作画面(タッチパネル)の操作性向上。
日)の１秒積分電荷の時間推移を示す。
(2) データ表示画面(X端末, タッチパネル)の改良。
(3) データ保存(EPICS recordへの書込み)。
(4) システム全体の時刻合せ機能の開発。
(5) アラームシステムへの接続。
(6) モジュール内CPU異常時のアボート出力の追加。
(7) AR-主制御室間のPLCによるシリアル通信の安定性強化。
(1)-(3)では、ソフトウエアの改良により、パネル操作性とデータ収集の高速化が計られた。(4)により、複数箇所に分散されたPLCとモジュールのクロックをホスト計算機の時刻に精度よく一致させることが可能になった。(5)により、運転員は、アラームシステムを通して本システムの異常を迅速に認識できるようになった。(6)では、モジュールのCPU異常時にもアボート信号を出力するようにした。(7)によりAR-主制御室間の長距離シリアル通信を可能にし、
図２. KEKB入射ビームの１秒積分電荷(1日間)の時通信の安定性を強化した。詳細については、他で報間推移。図中、1b(2b)は、1(2)バンチ入射であること告する[5]。
を示す。
このように、ソフトウエア面の強化は、データ収集の高速化のみならず、オペレータが、より容易にかつ迅速にシステムの状況を把握できるようにした。
KEKB入射ビームは、電子・陽電子それぞれの電流モニターにより計測されるが、信号を合成するこ４．ビーム試験とで、１台のモジュールで両ビームの電荷和が計測される。図２から、入射時のビーム繰返しと入射バビーム試験の最初に、各入射ビームに対応する電ンチ数に応じて１秒積分電荷が精度よく計測されて流モニターの校正を行った。入射器のビーム位置モいることを示し、電磁ノイズによる誤計測も特に見
ニター[6]は、ビーム位置のみならず、ファラデー当たらないことがわかる。
カップを利用して電荷量の絶対値校正を行っている[7]。電流モニターは、位置モニターのデータを用い
図３(a), (b)に、１週間(12月11日から)と1日(12月て較正された。図１にKEKB陽電子のビーム繰返し16日)の１時間積分電荷の時間推移をそれぞれ示す。

(a)な運用を開始した。運用開始から約３ヶ月が過ぎたが、問題なく安定に動作を続けている。
表２に、通常運転時に各箇所で計測された積分電荷のレベルをまとめておく。ただし、単位は、電荷制限値に対する割合で示している。
表２．通常運転時における典型的な積分電荷量(制限値に対する割合)

R0-0122-44KEKB
PF
PF-AR

1s-積分値[%]
8-35
1.5-5-1h-積分値[%]
3.5-132-12
3.5-100.2-0.6
2-5(b)
このように、通常運転時における各入射モードに対応した積分電荷は、制限値に比べ問題ないレベルで推移している。
本システムの付帯機能として、各入射モードに対応した計測データから、２４時間と１週間の電荷積算値の積算を繰返すことで記録している。これは、いわゆる入射器の売上げを表すデータとなり、従来にはなかったデータである。このデータは、入射器の放射線安全のみならず、入射器運転の安定性を示す貴重なデータとなる。

６．まとめ
図３. (a) KEKB入射の１週間(12月11日から)と(b)１日(12月16日)の１時間積分電荷の時間推移。
１時間積分電荷とは、モジュールのクロックが刻む１時間に通過したビーム電荷の積算を意味する。
図３(b)は、１日の１時間積分電荷計測の時間推移を示す。モジュールは、１時間毎にリセットして次の計測を正常に続けていることがわかる。また、積分電荷の傾きの変化は、ビーム繰返しの変化に対応している。図３(a)は、１週間の推移を示す。このように、安定時のKEKB入射では、電子・陽電子を数分ごとに切替えながら、10Hzの繰返しで連続入射を行っている。このときの１時間積分電荷は、電荷制限値(KEKBの場合: 5.76×105 nC/h)に対し約3%のレベルである。一方、リングのアボート時では、ビーム繰返しを高めていることがわかる。それでも、積分電荷は、制限値の約10%のレベルで、~6 x104 nC/hである。このように、通常の運転時では、放射線安全の観点からは、問題ないレベルで安定にビーム供給が行われている。

５．運用状況周到な準備を通して、2008年3月27日から本格的入射器と下流の電子・陽電子リングの放射線安全の信頼性を格段に高めるビーム電荷制限システムの開発が終了し、2008年3月27日から運用を開始した。
約３ヶ月間の運用ではあるが、問題なく安定に動作している。入射器の高度化に向けたマシンスタディが進められる環境がようやく整った。

参考文献[1] T.Suwada, et al., Procs. the 31th Linear Accelerator
Meeting in Japan, 2006, p. 789.
[2] T.Suwada, et al., Procs. the 32th Linear Accelerator
Meeting in Japan, 2007, p. 850.
[3] E.Kadokura, et al., Procs. the 32th Linear Accelerator
Meeting in Japan, 2007, p. 357.
[4] T.Suwada, et al., Rev. Sci. Instrum. 79, 023302 (2008).
[5] E.Kadokura et al., in this meeting.
[6] T.Suwada, et al., Nucl. Instrum. & Methods. A 440 No.2
February (2000) pp.307-319.
[7] T.Suwada, et al., Jpn.J.Appl.Phys. Vol.39 Part 1, No.2A(2000) pp.628-634.