Proceedings o f the 22nd Linear Accelerator Meeting in Japan

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Beam Energy Feedback of ATF Linae
H. Hayano, T. Naito, S. Takeda, N. Terunuma, S. Kashiwagi* , T. Okugi* * ，M. Higuchi*** and T. Sakamoto***High Energy Accelerator Research Organization
Oho 1 -1 ,Tsukuba, Ibaraki 305 Japan*The graduate university for advanced studies**Tokyo Metropolitan University* * *Tohoku-Gakuin UniversityAbstract
The beam energy feedback system of ATF Linac is installed and used in usual beam operation. The system consists ofbutton-type electrode BPM at downstream of the bending magnet and trigger timing delay module of the last klystron. Since
the beam position is proportional to the beam energy, the drift of the beam position which corresponds to beam energy drift
is compensated by changing the delay timing of #8klystron rf pulse. The feedback is done by the application software on theoperation computer VAX system and V-system control software. The design and performance study of the feedback system
has been done and described here in detail.

A T F リニアックのビームエネルギーフイ一ドバック
1 . はじめにリニアーコライダー実現のための低エミッタンスビー
ム 開 発 を 行 っ て い る 試 験 加 速 器 （A T F ) の 1 . 5GeV リ
ニアックでは、現在昼夜および数十分にわたってビームエネルギーが数 0/0 ドリフトすることが観測されている。
このドリフトは長周期のものはクライストロン室の昼夜の温度変化が基準信号伝送系に電気長変化を起こして発生しているものであり、短周期のものはクライストロン本体の冷却水の温度ドリフトから発生しているものである。 いずれの場合も加速 r f の位相変化が引き起こされ、その結果ビームエネルギーが変化する現象である。 これらの問題点について解決するには時間と費用がかかるので、当面の A T F の運転を継続的に行なえるように緊急にソフトウエアによるビームエネルギー フ イ 一ドバックが適用された。本稿では A T F リニアックのビームエネ
ルギー フ イ 一ドバ' ックシステムの詳細について報告する。

ちこの位置でビーム位置を測定すればエネルギー変化が有ったときそれに比例してビーム位置も変化する事からエネルギ一変化を測定することができる。正確 には Q D
1 2 T の 下 流 ( Q D 1 2 T の中心より ） 1 7 3 m m の位
置 に B P M 中心があるように設置された。 この B P M は軌道測定システムから独立させてフイ一ドバック専用とし自由度をもたせ、設置する場所も狭かったので 3 0 mm の厚みですむボタン型とした。信号処理回路はダンピングリングと同じクリッビング回路とチャージ A D C との組み合わせで行ない、 ビーム位置の測定はシングルシヨッ
トで行なうことができる。 ボ夕ン極板はビーム通過中心より半径 1 2 m m の位置にあり、極 板 直 径 は 1 5 m m と大きくしてあり高分解能となるようにしてある。 なお極板配置はリニアックと同じ水平方向と垂直方向にそれぞれ対向させてある。

3 • ビームエネル キ ー 測定
2 . ビームエネルギー測定用ボタン B P M の設置
A T F リニアックのビームエネルギーを測定するために ビ ー ム ト ラ ン ス ポ ー ト （B T ) ライン中のベンデイン
グマグネットの下流のデイスパージョンのある場所に新たに B P M を 設 置 す る こ と と し た （図 1 参照）。すなわ

このシステムの場合ビームエネルギーの絶対値は必要なく、与えられたビームエネルギーを偏差が少ないように維持すればよい。 したがって、 リニアックのビーム軌道がまっすぐでビームエネルギー微少変動により軌道変化しないとしたとき、 B T ラインのベンドマグネット後

B T Line b ra n ch of A T F L inac
図1

A T F リニアック最下流から B T ラインへのブランチ部分 / フィードバック B P M の設置部分

のビーム位置を維持すれば、 ビームエネルギーを維持したことになる。 ちなみに B P M の位置でディスパージョンは0.3m であるので、 ビ ー ム 位 置 を 3 0 0 " m 以内で維 持 し た と き、0.1%以下 でビー ムエネ ルギ ー を維 持 できる事になる。 B T ラインおよびダンピングリングのエネルギーアクセプタンスが土 0.5% で あ り、 ビームのエネルギースプレッドが'?! 状では全幅で同崇呈度あるので、エネルギー中心を 0.1% 以下に抑さえることは効率のよい安定なリング入射のために必要な条件である。
今回設置した B P M が正常にビーム位置を測定していることを確かめるために、 ビームエネルギーを変化させすぐ上流の運転に使用しているストリップライン B P Mとの相関を測定した。そ の結果を 図 2 に示したが 、 2 00 " m 程度の偏差内で一致しているので、 B P M および回路、 ソフトともに正常にビーム位置を測定しているものと考えられる。
鬥^

タイ ミ ングを変えた場合の ビ ー ム エ ネ ル ギ ー 変化の様子である。 こ れ は ビ ー ム エ ネ ル ギ ー が 1 GeVの時の測定であるが、 これによると7 . 8 " s のとぎが最大加速であり、ぞれより大きなディレーの領域が使用可能な領域であり8. 5 バ s までの7 0 0 n s でビ ー ム エ ネ ル ギ ー 10 O M e V を制御可能である。 ディレーの最小ステ ツ プが 2 . 8 n s であるので、 最小制御量 は0 . 4 M e V である。 ただしこれは # 8 クライス トロン の r f 出力が約6 0 MW のときのものであり、その制御量は r f 出力の大きさに依存している。
Beam Poc-ition【仁伯】

Correlation of ML1T & FB-BPM
4000

w e ig h t= 0 .5 , g a in = 2 .0知^う-；-4000-2000 0 2000 4000 6000
ML1T X-position [|im]図2

F B B P M のストリップライン B P M との相関

4 . •クライストロン r f パルスタイミングによるビーム制御
ビームエネルギーの可変制御を行なうのに今回使用したのは、 リニアック最下流のレギュラーユニットである# 8 クライストロンの r f パルスタイミングデイレーである。現在リニアックはシングルパンチで運転しているのでビームローデイング補償を特に考える必要がなく、スレッド出力波形の急峻な変化のどこででも運転できる事を利用して 、 r f 振幅でエネルギー制御を行なう事とした。すなわち、 ビームタイミングに対して r f パルスタイミングを動かしてやる事によりビームエネルギーを変える 。 r f の位相で行なう事も考えられるが、エネルギースプレッドが変化してしまうのでスプレッドに敏感な A T F —D R の場合、敵していない。 r f パルスタイミングデイレーはモデュレーター電圧パルスと r f パルスとを同時に変える事ができるので、 これによる r f 位相変化は少ない。
エ ネ ル ギ ー

#8 K lv.tim ing delay

Scan [97/03/13]

図 4 ゲインを変えた時の定常偏差#8 Kly. timing delay [jiis]
図3r f パルスタイミング可変によるエネルギー変化

図 3 に示したのは、 # 8 クライストロンの r f パルス

5 . ソフトウエアによるビームエネルギーフイ一ドバッ
ク制御
ビ ー ム エ ネ ル ギ ー ドリフトは数十分以上と非常に ゆ っくりとしたものなので、 フィードバック制御はオペレーシヨン計算機上のバックグランドタスクで十分実用になり、 さらに運転上便利であるのでオペレーシヨンデータベースソフトである V — s y s t e m に組み込む事とした。 ロジックはf裏単なものとし以下のようにした。 フィ一
ドバック制御量を以下の式で計算する。

g# An —ge{a9 AX +(1一a )• A

できる。 インパルス応答測定は、 フィ一ドバック制御動
作時にフィ一ドバックに使用していないクライストロンの r f ノ、。
ルスタイミングを 1 0 On s 飛ばして設定しビームエネルギーをインパルス的に変f 匕させ、その後のフィ一ドバック動作によりこのエネルギー変化を補正する応答時間を計測する事で行なった。 その結果を図 6 に示したが、通常使用パラメーターであるゲイン g = 5 でインパルス偏差補正に約 4 0 秒要する事がわかる。 また、 周
波数特性を知るためにオープンル一プ特性の測定をソフトウエア上で行なった。 これは、 タイミングディレーモデユールに振幅 5 0 n s の s i n 波を入力し、 ビームを介してビーム位置を測定し前述の式により計算した制御量をタイミングディレー量に変換した量の振幅と位相を計測する事で、ループ一巡の伝達関数を測定することができる。実 際 には 入 力 s i n 波の周波数を変えていきその周波数特性をとることになる。図 7 に結果を示したがその位相変化より 1 . 2 秒の時間遅れがわかるがこれはビームの繰り返しが 0 . 7 8 H z であったことから来ている。帯 域 幅 は 0 . 4 H z 程度であった。

n — 1)

ここで △ X は現在のビーム位置誤差、 《は 0 か ら 1 までの値をとる重み、 g はゲインである。検出した現在のビー
ム位置誤差と過去の制御に使用したビーム位置誤差との間で重みつき和をとりそれをビーム位置誤差とし、それにゲインをかけて制御童とする。 この制御量からビームエネルギー変化に変換しさらにタイミングディレー量に変換して、 タイミングディレーモデュールにセットする。
この一連のループ制御をビームの繰り返しの間でおこなう。現 在の A T F の運転ではビーム繰り返しが 0 . 7 8
H z とゆつくりであるので、これ以上速くしてもパフォーマンスはあがらない。 このロジックはFortranでかかれており、V-systemデータベースを介して コ ン トロールパネ
ルと接続されているので、制御状態の監視、 フィードバッ
クのオン、 オフや制御パラメタ一の変更などがリアルタイムに可能である。 さらにこのソフトウェアには、 ビームが停止したり許容量以上に位置変化した場合および夕イミングディレー量が許容量以上だったときに制御を行なわないようなプロテクシヨンがはいっている。

— Ampiitucle 『(出】

- - a - - P h a s e [deg]Open Loop Characteristics(W eighl=0.5, Gain=4.0)

d i r

念；-"r.

nFreqency [Hz]図7

オープンループ特性

7 . 今後の課題

図5

このフイ一ドバック制御は通常の A T F オペレーションで使用されており、 ダンピングリングへのビーム入射がドリフトなく可能となっている。残っている問題点は、定常偏差が大きい事と、 リニアックの軌道に敏感であることである。定常偏差が大きい問題は、制御ロジックに大きく依存している問題であり、 もっとなめらかでゲインの大きいロジックを開発していかなければならない。
もう一 つ の 軌道依存性がでている問題は 、 B P M を一 つしか使用していないところから発生しており、ベンデイングマグネットへのビーム入射角変化もビームエネルギー変化と検出してしまうところから来る。 これを回避する
た めに は 3 個以上の B P M からエネルギーを算出するようにしなければならない。 また、ビーム繰り返しが上がった場合、 フイ一ドバックのバンド幅を広げる必要が生じる可能性があり、その際のループ一巡時間を高速化する必要が生じるであろう。そ の 際 は S L A C の場合と同様に高速の P C を独立して設置する必要もあると考えられる。

重みを変えた時の定常偏差

6 . ビ ー ム エ ネ ル ギ ー フ ィ 一ドバック制御の特性測定
この フ ィ 一ドバック制御の重み《とゲイン g とを最適に設定するために、定常偏差量とインパルス応答測定を行なった。 図 4 に示したのがゲイン g，をパ ラ メ ー タ ー にした時（重み5 —定） の定常偏差量測定であり、これによるとゲイン 2 か ら 8 程度までで定常偏差が土 30 0 ju m 以内で維持できておりドリフトも補正されている。 また、 図 5 には重み 《をパ ラ メ 一 夕 一 に し た 時 （ゲイン g = 2 —定） の定常偏差量測定であり、測定パ ラ メ 一夕一が少なくてはっきりとはいえないが重み《= 0 . 5付近で定常偏差 ± 3 0 0 " m 以内を実現するものと推測

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フイ一ドバックループ6 インパルス応答

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