SuperKEKB における光ファイバーを用いた高速ビームロスモニター〇小笠原 舜斗、池田 仁美、小林 鉄也、西脇 みちる
高エネルギー加速器研究機構

１．背景SuperKEKB[1]は、標準理論を超える物理探索を目的とした周長 3km の電子陽電子衝突型円形加速器である。衝突点には Belle Ⅱ検出器[2] が設置され、衝突実験のデータを収集している。SuperKEKB はより多くのデータを集めるため、前身である KEKB 加速器の数十倍という前人未踏の目標ルミノシティ(衝突頻度)を設定しており、設計ビーム電流も世界最大級(陽電子リングで 3.6 A)となっている。
加速器リングでは、様々な原因によって本来の軌道を外れたビームの一部がビームパイプ等に衝突し、二次粒子等をまき散らすことがある(ビームロス) 。特に Belle Ⅱ 検出器はデリケートな高感度検出器群が複雑に重なった構造をしており、ビームロスの直撃は深刻な故障に繋がる恐れがある。したがって、安定した物理実験の遂行には、検出器を保護するためのビームロス対策が重要である。特に最近ではSudden Beam Loss (SBL) [3]と呼ばれる原因不明の巨大な突発的ビームロス事象がしばしば発生しており、原因究明と検出器保護対策の両方が急がれている。
ビームロス対策の一つとして、ビームロスを検知し警報を出すためのロスモニター[4]がリング全周にわたって多数設置されている。一定以上のビームロスを検知した場合には、素早くビームを破棄(アボート)する仕組み[5,6]も重要である。光速のビームはリングを 10 μs で一周することを考えると、この場合の「素早く」とは μs オーダーでの時間短縮を意味する。ただし、現実的にはアボート要求信号の伝達などに最大で数十 μs 程度かかっている[3]。ビームロスによるトラブルのリスクを少しでも減らすため、SBLをはじめとしたビームロスの検知およびアボートを 1 μs でも高速化できる方策が模索されている。
SuperKEKB の高周波加速システム[7]では、ビーム加速のために最大 1 MW 級の連続波 RF を加速空洞(ARES 空洞) [8]に貯蔵する。空洞内で放電が起こると故障等の原因となるため、空洞には放電を検知してアボートを要求するアークセンサ[9]が設置されている。特に一部の RF ステーションでは、空洞内の放電光を光ファイバーで地上の光センサ(光電子増倍管: PMT)まで直接輸送する方式のアークセンサを装備している。
ビームロスなどの荷電粒子が光ファイバーを横切ると、チェレンコフ光を発生させることが知られている[10]。アークセンサの光ファイバーも例外ではなく、ビームロスが光ファイバーに飛び込んだ際のチェレンコフ光に PMT が反応してアボート要求を出すことがある。本来のアークセンサの目的を考えると、このような事象は誤検知にほかならないが、装置の設置場所や配線経路等の関係もあり、結果的に本職のロスモニターよりも数 μs 早くアボート要求を出している事象がしばしば見られた。これは検出器の保護という観点では有用なので、しばらくの間アークセンサは実質的なビームロスモニターとしても(むしろ積極的に)運用されていた。しかし、これでは空洞放電によるアボートと区別がつかず、運転判断(アボート原因の解析)に支障が生じる。
そこで今回、独立したロスモニターとして使用するための光ファイバーを新規にビームラインへ敷設した。さらに、FPGA を用いた高速な信号処理装置を合わせて開発し、空洞アークセンサに代わ
図 1 SuperKEKB 主リングる高速ロスモニターシステムとして構築したので紹介する。

２．光ファイバーの敷設
2.1 SuperKEKB の概要
図 1 に、SuperKEKB 主リングの概要を示す。図 1 中の黒点は、コリメータ[11]と呼ばれるビームの外縁部をそぎ落とす装置を示す。SuperKEKB は 7 GeV 電子リング(High Energy Ring: HER)と 4 GeV 陽電子リング(Low Energy Ring: LER)からなり、電子は時計回り、陽電子は反時計回りに周回する。電子や陽電子はバンチと呼ばれる集団を形成し、バンチが約 2500 個連なってビームとなり、リングを周回している。
Belle Ⅱ検出器は、4 つある直線部のうち筑波直線部(図 1 上側)の衝突点に設置されている。反対側の富士直線部(図 1 下側)は立体交差(各リング独立したビームパイプ)になっており、ビームは衝突しない。
リング内から出たアボート要求は中央制御棟(Central Control Building: CCB)で集約され、富士直線部に設置されたアボートキッカー[5]へ送られる。アボートキッカーは信号を受けて立ち上がり、ビームをビームダンプへ導いて廃棄する。このとき、アボートキッカーはアボートギャップの到達を待って立ち上げる必要があり、そのタイミング調整も CCB で行われる。ここでアボートギャップとは、リング全体のうちキッカー立ち上げ猶予(約 200 ns)のために敢えてバンチを入れない箇所である。最近の運転ではアボートギャップを 2 つ設けているので、アボートができるタイミングは 5μs 毎ということになる。
筑波以外の 3 つの直線部には 6 つの RF セクション(D4, D5, D7, D8, D10, D11)があり、両リング合わせて 30 式の加速空洞が設置されている。特に D5 セクション(大穂直線部)に設置されている 6 台の ARES空洞(D5A~F、LER)のアークセンサが光ファイバーを使用しており、ビームロスに反応する。
2.2 光ファイバーの敷設
SBL では、D5 セクションのうち上流(D5F)側のアークセンサほど強い信号が観測されやすいことが分かっていた。そこで、光ファイバーは D5 セクションのさらに上流にあたる南アーク部(大穂~富士間の曲線部)へ敷設することとした。南アーク部の地上にある D6 電源棟は CCB にも近く、配線経路でも高速化に有利である。図 2 に敷設作業の様子を、図 3 に敷設方法の略図を示す。光ファイバーは長さ 30 m、コア径 62.5 μm の市販の単芯ファイバーで、南アーク部の D6V2 コリメータ(図 1 緑丸)を中心に 5 本、それぞれ経路を変えて敷設した。敷設したファイバーは同コア径のマルチモード 6 芯光ファイバーで集約し、地上建屋(D6 電源棟)の受光装置へ接続した。受光装置はアークセンサ用の NIM モジュールを流用したもので、内蔵された PMT(浜松ホトニクス H6780)によって 4ch の光信号を強度に応じたアナログ電圧へ変換する。H6780 の信号立ち上がり時間は 0.78 ns (データシート)で、今回の目的に対して十分な応答性を持つ。変換された電気信号は、同じ建屋のオシロスコープや処理装置(後述)へ入力される。

図 2 光ファイバー敷設作業

図 3 光ファイバー敷設方法

図 4 に、オシロスコープで観測したビームロス波形の例を示す。典型的な SBL では、ビームロス信号は幅 10 μs 程度のピーク 2 山として観察されることが多い。各ファイバーで信号強度等は異なるものの、概形は他のロスモニターで観測される信号とも一致しており、正しくビームロスを観測できていると考えられる。

図 4 典型的なビームロス信号の例

３．高速ビームロス判定装置兼データレコーダーの開発
3.1 装置概要
光ファイバーの信号を高速に処理し、必要があれば即アボートを要求するための高速ビームロス判定装置兼データレコーダー(以下、処理装置)を新規に開発した。仕様の検討・策定はアークセンサの処理系を基に KEK で行い、実機の製作は(株)三光社へ依頼した。
図 5 に、完成した処理装置の外観を示す。処理装置は 19 インチ規格 1U のサイズで、アナログ入力、外部トリガ出力、外部トリガ入力用の BNC ポートをそれぞれ 2ch ずつ持つ。
図 5 処理装置外観 (図中赤丸)。
図 6 に、処理装置の動作のタイムチャートを示す。処理装置は、 緑丸は受光装置。
受光装置からの電気信号を 40 MS/s で AD 変換(16 bit)し、リングバッファへ記録すると同時にアボートの必要を判定する。入力信号が一定の条件(後述)を満たした場合は、危険なビームロスと判断して速やかに外部出力ポートからアボート要求信号を発する。
物理実験を中断して蓄積ビームを捨てることを要求するからには、その事象(アボート原因)は後から人間が解析できなければならない。そこで、アボート要求に至った波形データを記録・保存するため、アボート後は一定の遅延時間を置いてリングバッファのデータを外部サーバーへ転送するようにした。
転送されたデータは後述のデータ加工ツールで加工され、担当者や運転シフトの職員らが確認できるようになる。

図 6 処理装置タイムチャート

図 7 アボート判定方法

3.2 ビームアボート判定
ビームアボートの判定方法は、アークセンサの判定方法を踏襲して決定した。図 7 に、判定方法の概要を示す。アボートを要求する閾値は、ADC 閾値、カウント割合、タイムアウト時間の 3 つからなる。
ADC 入力が閾値を超えると、処理装置はクロックカウンタをスタートさせる。その後、タイムアウト時間に達するまでのクロックのうち、ADC 閾値を上回ったカウント数が指定した割合を上回った時点でアボートを要求する。カウント割合の条件を満たすことなくタイムアウト時間に達した場合は、何もせずクロックカウンタをリセットする。このような時間幅の条件は、宇宙線などのノイズ信号を切り分けるために設定している。また、図 4 のように複数のピークを持つ波形を正しく評価するため、一定時間幅に対するカウント割合を判定基準としている。ただし、アボートを高速化することが本来の目的であるため、判定時間は誤検知頻度が許容可能である範囲で可能な限り短くしたい。具体的な判定時間は実際の観測をもとに調整を重ね、現在はタイムアウト 10 μs、割合 30% (ピーク幅 3 μs)に設定している。
閾値などのパラメータ設定や調整は、既に運用実績のある判定方法を採用したことでスムーズに行うことができた。今回採用した方法のほかに、ADC 値(閾値超え)を一定時間積分することでアボートを判断する方法も考えられる。このほうがより正確にビームロスを評価できる可能性もあるが、閾値等の調整や検証に時間を要するおそれがあった。今回はシステム自体の迅速な実用化を優先して実績のある判定方法を採用したが、よりよい判定方法に関する検討も今後続ける予定である。

3.3 その他の機能
リングバッファやアボート判定等の信号処理系は、FPGA (Zynq 7000)上に実装することで高速化を図った。動作クロックは 40MHz の内部クロックとしている。また、CPU 上に Linux (Ubuntu 18.02) を走らせており、加速器制御で広く用いられている制御フレームワークである EPICS[12]を利用できる。アボー
ト判定の閾値を含む設定のほとんどを EPICS レコード化することで、ネットワークを通じて設定変更を容易に行えるようにした。また、ADC 読み値も間引いた上で EPICS レコードとして配信し、ネットワークを通じたリアルタイムの ADC 値の監視もある程度可能とした。
リングバッファのデータ転送は、処理装置自身のアボート判定のほか、外部トリガ(CCB から配信されているアボート信号)の入力によっても行うようにしている(図 6 参照)。また、EPICS 経由で指令を送ることで、任意のタイミングでもデータ転送を行える。データ転送自体は、外部サーバーが処理装置のLinux ファイルシステムを NFS マウントすることで行っている。
４．データ加工および情報集約 web ページの製作
実際の加速器運転中にアボートした場合、アボート原因を明確にしなければビーム運転を再開することは当然できない。機器の故障が原因ならば対処が必要であるし、ビームロスが原因の場合でも連続して起きる場合などには再開前に対応を検討しなければならない。本システムによるアボートの場合は運転再開前に、ビームロスを正しく検知した(または誤検知した)という事実、ビームロスの様態(概形、ピーク高さ、ピーク幅など)といった基本的な情報を、アボートから遅くとも数分程度で確認したい。また、運転シフトに従事する職員全員が本システムの詳細を知っているわけではないので、これらの情報は誰でも分かりやすい形で提供されなければならない。
一方で、処理装置から転送された波形データはすべて独自フォーマットのバイナリ形式であり、解析に手間のかかるものである。また、記録されている生データはアボート前後およそ 200 ms 分あり、異常が長く続くような現象にも対応できるようにしているが、せいぜい数十 μs であるビームロスのピーク幅に対しては長い。このようなデータは専門家が腰を据えて解析するには問題ないが、本件の用途に関して基本的な情報だけを素早く確認するには大変不便である。
そこで、転送されたデータを更に扱いやすく加工するソフトウェア(加工ツール)を合わせて製作した。加工ツールは元のファイルからアボート前後 5 ms のデータを切り出し、csv ファイルおよびグラフ画像ファイル、イベント前後各 50 μs のグラフ画像ファイル、アボートの概要および関連情報(アボート時のビーム電流等)を json 形式でまとめたファイルを作成する。図 8 に、作成されたグラフ画像(前後各 50 μs)の例を示す。加工ツールはデータ転送先のディレクトリを定期的に巡回するクローラーとして作成したので、一度ツールを立ち上げておけば、データ加工は新たなデータが転送されるたびに自動的に行われる。
図 8 グラフ画像(前後 50 μs)の例
さらに、アボート時のロスモニター波形を簡単に確認できるよう、専用の web ページを合わせて製作した。web ページでは、json ファイルを元にイベントの一覧を表示するほか、web ページを通じて各イベントに対して人間がコメントを書き込むこともできる。また、コメントと合わせて関連情報のリンクも書き込めるが、ここに画像ファイルへのリンクを書き込むと自動的にサムネイルを表示するようにした。これらのコメントやリンクは、json ファイルに追記する形で保存される。また、期間やイベント発生源、コメントの有無等の条件によって表示を絞る簡易的なフィルター機能もつけた。図 9 に、web ページの表示例を示す。

図 9 イベント集約 web ページの表示例
５．運用
試験運用を経て、本システムは 2022 年 6 月より本格運用を開始した。運用開始の約 2 週間後にSuperKEKB はその年の運転を停止しシャットダウン期間に入ったが、停止までの間に本システムでは宇宙線起因と思われる誤検知を除いて 9 回の発報があった。そのうち本システムのアボート信号が最も早く CCB へ到達した事象は 7 回だった。図 10 に一例を示す。SuperKEKB では、アボート信号のタイムスタンプを高精度に記録するシステム[13]が整備されており、図 10 は CCB へアボート要求信号が到達した時刻と順序を示している。
「Central Time」が CCB へのアボート要求信号到達時刻を、「Time」がアボー
ト源から最も近い集約モジュールへの信号到達時刻を示している(アボート要求が発された時刻ではないことに注意)。例えば、Belle Ⅱ測定器に取り付けられた CLAWS と呼ばれるセンサからのアボート要求信号は、筑波直線部の D2 電源棟にある集約モジュールを経由して CCB へ送られる。この場合、D2 の集約モジュールへの信号到達時刻が CLAWS の Time に、中継された信号の CCB 到達時刻が Central Timeになる。ただし、本システムのアボート信号は集約モジュールで中継せず CCB へ直接送っているので、Time と Central Time は同じになる。
図 11 に、図 10 の例におけるアボート信号の到着時間のイメージを示す。この例では Time が最も早いのは CLAWS であったが、CCB への信号伝達に 12.1 μs を要したため Central Time では 4 番目であった。一方、本システムの Central Time は最も早く、CLAWS の Central Time の 6.9 μs 前である。2 番目にCCB へ到達した信号(Loss Monitor D7-1)と比較しても、3.4 μs 早い。SuperKEKB では約 5 μs ごとにビームアボートが可能なので、3.4 μs の高速化は 68%程度の確率で 5 μs 早くアボートできると解釈できる。
6. まとめSuperKEKB で新規に導入した、光ファイバーを用いた高速ロスモニターシステムについて紹介した。
本システムの導入により、SBL によるビームアボートを数 μs 高速化することができた。また、本システムによって得られたデータは、SBL の原因解明に資する新たな”目”の一つとなれる可能性がある。一方で、SBL の原因は完全に理解されておらず、Belle Ⅱ検出器にとって依然として重大な脅威である。安
定した物理実験遂行のため、今後も本システムの調整・改良を続けていく予定である。
具体的な改良の例として、処理装置への VETO 機能の追加を準備している。これは、ビーム入射など軽微なビームロスが起きやすいタイミングで VETO 信号を受け、VETO 入力から一定時間はアボート要求を無効とするものである。VETO によって軽微なビームロスを無視できるようになれば、ビームアボート判定の閾値をさらに厳しくできると見込んでいる。VETO の導入に向けては既に処理装置の改修を終え、次回運転からの投入を予定している。他にも ADC の積分を用いたアボート判定の検証や専用 webページの web API 化など、今後も性能および利便性の向上を目指していく。

図 10 光ファイバーロスモニターが有効に働いた事象のタイムスタンプ例

図 11 アボート要求信号の到着時間のイメージ
参考文献[1] Y. Funakoshi et al., "The SuperKEKB Has Broken the World Record of the Luminosity", Proc. of IPAC2022, pp. 1-5.
[2] https://www.belle2.org/[3] H. Ikeda et al., " Fast Trigger System for Beam Abort System in SuperKEKB", Proc. of IPAC2022, pp. 754-756.
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]

H. Ikeda et al., " Beam Loss Monitor at SuperKEKB", Proc. of IBIC2014, pp. 459-462.
T. Mimashi et al., "The Abort System of SuperKEKB High Energy Ring", Proc. of PASJ2017, pp.279-282.
S. Sasaki et al., "Development of Abort Trigger System for SuperKEKB", Proc. of PASJ2014, pp.1267-1270.
K. Akai et al., "RF System for SuperKEKB", Proc. of PASJ2010, pp.177-181.
T. Kageyama, et al., "Development of High-Power ARES Cavities", Proc. of PAC97, 1997, pp. 2902-2904.
K. Nakanishi et al., "Evaluation of the optical fiber for arc sensor for the RF system in SuperKEKB", Proc. of PASJ2014,pp.819-822.
[10] Y. Yano et al., "Optical Fiber Beam Loss Monitor", Proc. of PASJ9, pp.902-906.
[11] T. Ishibashi et al., " Movable collimator system for SuperKEKB", Phys. Rev. Accel. Beams 23, 053501.
[12] https://epics.anl.gov/[13] S. Sasaki et al., "Development of time stamp recording system for SuperKEKB abort trigger system”, Proc. of PASJ2017,
pp.610-612.
謝辞(株)三光社の皆様には、本ロスモニターシステムの中核をなす処理装置の開発において、FPGA による高速処理の実装など多大なる貢献をいただきました。この場を借りて心より感謝申し上げます。