Event Timing SystemによるSuperKEKB入射制御
梶裕志A、岩崎昌子A、岡崎知博B、菊谷英司A、草野史郎C、工藤拓弥C、小林鉄也A、末武聖明A、飛山真理A、中村達郎A、古川和朗A、宮原房史AA高エネルギー加速器研究機構
B東日本技術研究所
C三菱電機システムサービス

2SuperKEKBKEKBの後継プロジェクト- 2015年運転開始- ルミノシティ: KEKB到達値×40倍 (8×1035 cm–2s–1)
電子ビーム

陽電子ビームKEKBSuperKEKBKEKBSuperKEKB

エネルギー 8 GeV

7 GeV

3.5 GeV

4 GeV

蓄積電流

3.6 A

1.19 A

2.6 A

1.64 Ax2

Belle-II検出器
メインリングダンピングリング

入射器
Linac

x2

Linac入射制御への要求
今まで以上に効率的な入射（素早い電荷の積み上げが重要）- メインリング（MR）の蓄積電流を2倍- トップアップ運転により最大電流を維持
MRビーム寿命: 5分

しかし今までよりも複雑な入射制御- 陽電子入射にダンピングリング（DR）を使用- トップアップ入射 3リング ⇒ 4リング

「Main Trigger Station」が入射制御

SuperKEKBの為に改良

3入射リング選択制御
電子・陽電子MRs, PF, PF-ARの4リングから入射先を決定
Main Trigger Stationは入射リング毎に異なる動作を指示

4リング同時にトップアップ運転 ⇒ 50Hzごとに入射リングを変更

入射器パラメータのうち150以上を50Hzで変更

4SuperKEKBの入射リング選択制御
陽電子入射のDR使用がMain Trigger Stationの入射リング選択制御を複雑化・長時間化

KEKB50Hz
トリガー
陽電子

電子25Hz, 陽電子25Hz
電子

入射過程は20ms毎に完了
20ms

SuperKEKB

電子25Hz, 陽電子25Hz

50Hzトリガー

陽電子電子

入射過程は20msで完了せず
陽電子は少なくとも40ms間ダンピング
複数の入射過程が並行する場合がある。

「陽電子 ⇒DR」と「陽電子DR⇒MR」が並行

電子40Hz, 陽電子10Hz

50Hzトリガー

陽電子

陽電子のDR蓄積時間は入射頻度により変化「電子入射」と「陽電子ダンピング」が並行

電子

5

メインリング入射バケット選択制御
電子・陽電子MRsでは5120あるRFバケットのうち任意のバケットを入射パルスごとに選択
入射機会は、Linac・MRのRFの位相が揃うとき ⇒ 96ns毎493ms周期＝ 96ns×5120（MRバケット数）
で、すべてのバケットに1度ずつ入射機会が訪れる

KEKB MR# of buckets: 5120

Linac/BT
50Hzの入射パルスは、より短い時間の中で⇒ 「周期493ms（実際はrevolution/49）」の基準信号に同期⇒ 基準信号と実際の入射の間に任意の遅延時間（ただし96nsステップ）

6

SuperKEKB入射バケット選択制御
SuperKEKB陽電子入射では、- 前述の遅延時間で出射するDRバケット選択も必要- ただし「DRとMRの組み合わせ」は全部で23通り- 493ms毎に組み合わせは変化# of buckets: 230
入出射機会: 96ns毎

KEKB MR# of buckets:5120

DR

Linac/BT
遅延時間のみでMR/DRバケット両方を選択するならば、基準信号の周期: 11.34ms ← 「50Hzと常に同期」はやや難しい＝ 96ns × 5120（MRバケット数） ×23（DR-MR組み合わせ）SuperKEKBは
これで運転開始（Linac RFの位相変調で、「96ns毎」の制約を無くすこともできる ⇒ アップグレード予定）

7

Event Timing SystemによるLinac制御
Main Trigger StationにあるEvent GeneratorとLinac各所のEvent Receiverを接続（光ケーブルによるスター型ネットワーク）
Event Generator

Central>100ns>100ns96ns
SH_A1
KL_B5/B6

SB_B

Injection

96ns

SB_Ae− Gun
ARCe– BT (PF: 2.5GeV, 0.2nC)

Cont-ABC
KL_51/52SB_C

SB_1

SB_2

SB_3

SB_4

SB_5

e– BT (PF-AR: 6.5GeV, 5nC)
e+ BT (SuperKEKB: 4GeV, 4nC)

e+ Targete– BT (SuperKEKB: 7GeV, 5nC)
Cont-1

Cont-2

Cont-3Cont-4Cont-5

Event Receivers

GeneratorがReceiverに対し20ms毎に以下2種類の制御を実行
動作タイミングのトリガーを送信
CPU割り込み ⇒ 次入射の動作パラメータをセット

8

Event Timing Systemモジュール
Opt. FOUT

EVR

EVG: Event Codeと呼ばれる1byte dataを送信し、EVRを制御
入力RFに同期し、常時、Event Code #0 を送信
入力 トリガーにより #1-#255を送信
EVR: Event Code #1-#255を受信すると動作
動作
E
E
トリガー
Event CodeVV
RFクロックGR

VME-MRF-230
VME-MRF-230RFEVG

Event Generator (EVG)
Event Receiver (EVR)

CPU

LinacではMRF社製VMEモジュールを使用(114.24MHz)

EVG

EVR

内部クロック 入力RFクロックと同期

Event Codeが位相ロック

トリガー

入力TTL

Event Code

動作

Event Code送信
最大2048個まで発信可能

NIM/TTL信号の発信,
CPU割り込み

遅延時間

入力トリガーからの遅延時間を設定可能

受信Event Codeからの遅延時間を設定可能

EVR & LLRF

9Main Trigger Stationデザイン
3台のEVGを同じVMEバス上に設置、直列に接続、1つのCPUで管理（すべてのEVGは114.24MHz RFクロック同期）
上位EVGは1回のトリガーで2秒程度の入射分のEvent Codeを送信（20ms間隔で100個程度送信）

trig

11.34ms基準信号同期の入力トリガー⇒ 送信した全てのEvent Codeと11.34ms周期信号の関係がわかる（Event Timing Systemの精度で理解）⇒ その関係性を下位EVGが使用
下位のEVGは20ms毎に動作し、上位からのトリガー信号に入射バケット選択用の遅延時間を足す。
CPUは上位からの信号と11.34ms周期倍数とEvent Codeタイミングの関係を知っているので、その差分を考慮して遅延時間を足し、Event Codeを生成
2つのEVGは並列でそれぞれLinac前後半を制御

送信トリガーへの要求されるタイミング精度はO (100)ps
このEVG2段のセットアップでは?
上位EVGに対し2秒の遅延時間を与えた時の精度は?

動作試験によりこれを調査

10

試験セットアップ
新Main Trigger StationのEvent Timing Systemセットアップを再現し、動作試験を実施（一番下位のEVRは本来は隔離された場所に設置される）
オシロスコープで- Event Timing Systemの出力をトリガーとして- RFクロックの位相0度の時間を測定

等価時間サンプリング機能で<1psの測定精度

RCPU:
MVME5500
EPICS version:
3.14.9
MRF device driver: mrfioc
http://www-linac2.kek.jp/cont/atf/mrfioc_atf.tar.gz
EVG firmware:
E403
EVR firmware:
D507
RF clock:
114MHz (8.8ns step)
Trigger:
50Hz, TTL

1000事象測定し、平均値⇒ タイミング
標準偏差 ⇒ その不定性とした。

11

測定結果
上位EVGのトリガーからの遅延時間を0-2秒まで設定
その時のタイミング不定性を測定（測定中、下位EVGの遅延時間は8.8nsに固定した）

上位EVGの遅延時間（clock, 8.8ns単位）
タイミングの不定性（jitter）は上位EVGの遅延時間に依存せず10ps程度

12

長期安定性試験2013年6 月13日から5日間、連続的に動作試験を実施
1分毎に測定し平均値と標準偏差を記録
同時にモジュール付近の温度も温度センサーで記録

空調機による温度管理の影響

温度変化とともにタイミングがドリフト

Jitterには温度との有意な相関はない

温度変化によりタイミングに18ps/℃ドリフトがあることを確認

13

光ケーブル転送「Main Trigger Station – KEKB制御棟」間でもEvent Codeを転送転送距離が1kmあり、転送時間の不定性（特に温度によるタイミングドリフト）が無視できない。
⇒ 本番で使用する光ケーブルで転送時間のドリフトを測定
8芯シングルモードケーブルで、光信号を1-4往復させ、転送時間を測定
外気温も同時にモニター
ただし今回はE/O, O/Eモジュールにより測定
Event Timing Systemによる測定は今後予定

Main Trigger Station – KEKB制御棟間の転送時間は4.5ms

外気温の変化により3ps/℃のタイミングドリフトを確認

14

まとめ
SuperKEKBは、ルミノシティを「KEKB到達値の40倍」に増強するプロジェクト- 入射器は蓄積電流を2倍にし、トップアップ運転で維持
効率良い入射 ⇒ 入射制御はますます重要- 陽電子入射でDRを使用するため入射制御は複雑化・長時間化

DRを用いた入射制御を実現するため、新しいMain Trigger Stationをデザイン- Event Timing SystemのEVGを2段構成に変更- 上位EVGで2秒程度の入射スケジュール管理- 下位EVGで「MR入射バケットを選択用の遅延時間」を生成

新Main Trigger Stationで使用するEvent Timing System構成には、以下の不定性が考えられるが、O(100)psという要求時間精度を実現できる- 新しいEvent Timing System構成の生成するタイミングの精度は~10ps- このモジュールには18ps/℃の温度変化によるタイミングドリフトを確認
空調管理により付近温度を±1℃に管理することが可能- 光ケーブル転送の温度変化による転送時間ドリフト3ps/℃
外気温が昼夜で20℃変化するとしても60psの変化