< kazuro.furukawa @ kek.jp >WEOOP01

同時トップアップ入射のためのKEK電子陽電子入射器の加速モード切替の高度化
古川和朗、明本光生、荒川大、荒木田是夫、飯田直子、池田光男、岩瀬広、
惠郷博文、 榎本收志、榎本嘉範、大越隆夫、大沢哲、大西幸喜、岡安雄一、小川雄二郎、柿原和久、梶裕志、片桐広明、紙谷琢哉、川村真人、菊池光男、
佐武いつか、佐藤政則、周翔宇、白川明広、杉村仁志、諏訪田剛、清宮裕史、染谷宏彦、竹中たてる、田中窓香、張叡、邱丰、峠暢一、中島啓光、夏井拓也、東保男、肥後寿泰、船越義裕、本間博幸、松下英樹、松本修二、松本利広、
三浦孝子、三川勝彦、三増俊弘、宮原房史、矢野喜治、横山和枝、吉田光宏、王迪（ KEK、 SOKENDAI）<http://www-linac.kek.jp/linac/>< kazuro.furukawa @ kek.jp >Simultaneous Top-up Injections

K.Furukawa, KEK, Sep.2020

1

はじめに

Simultaneous Top-up Injections

K.Furukawa, KEK, Sep.20202

電子陽電子入射器と複合加速器
Mt. Tsukuba

低エミッタンス
大電流 RF 電子銃

ダンピングリング

電子700 m 入射器
高効率
陽電子発生装置

2 倍のビーム電流PF
2.5 GeV

陽電子

陽電子
輸送路

電子

PF-AR
6.5 GeV

電子輸送路

電子陽電子線形加速器の入射ビームと蓄積電流SuperKEKB:
7 GeV 電子 2600 mA
4 GeV 陽電子 3600 mA
PF:
2.5 GeV 電子 450 mA
PF-AR:
6.5 GeV 電子 60 mA

SuperKEKB
dual rings

SuperKEKB
周長 3 km

LER
4 GeV

HER
7 GeV

Belle II
検出器
40 倍の衝突性能PF-AR
PF

Simultaneous Top-up Injections

700m Injector
Linac

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3

一つの入射器を複数の目的に

u1970 年代国内の動き

v世界最高エネルギーの衝突型加速器の素粒子物理実験³TRISTAN 計画

v放射光専用加速器を中心とする放射光総合研究所³フォトンファクトリ (PF)u当初から複数目的の入射器

v実際 PF、TRISTAN、KEKB、PF-AR、SuperKEKB³今年、入射器は 20 万時間の運転実績達成

1976 年時の計画の上流部
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4

KEKB 入射運転の進展
１日あたりの運転状況
赤: ビーム電流 (電子, 陽電子)
紫: 真空 (電子, 陽電子)
黄: 衝突ルミノシティ
緑: 積分ルミノシティ

Belle/KEK

May.2000
Apr.2003

２バンチ加速Feb.2005
連続入射Dec.2008
クラブ空洞導入と３リング同時入射Simultaneous Top-up Injections

ルミノシティの世界記録を保持
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SuperKEKB 向け改造

Simultaneous Top-up Injections

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6KEKB 入射設計

u歴史的経緯によるマイクロ波周波数v入射器 2856 MHz
vTRISTAN リング 508.5 MHz³陽子シンクロトロン (PS) から陽子入射の要請

u周波数を変更して整数関係を持たせる

v入射の口径が狭く 30 ps、精度の高い同期が必要³入射器 2856 MHz³KEKB (508.5 MHz →) 508.9 MHz

vハーモニック数は 5120

: 10.39 MHz x 275: 10.39 MHz x 49

w 49 と互いに素³最長、共通周波数の 5120 倍 (492 μs) 待つだけで入射が可能

v電流の少なくなったバケットを狙って入射w BCE: Bunch current equalizing
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7

SuperKEKB での入射タイミング要件

u 複数周波数 (114, 571, 2856, 509MHz) の分周逓倍安定生成³ 大電流陽電子生成のための 10nC シングルバンチビームのバンチング

u 30 ピコ秒のリング入射タイミング精度³ SuperKEKB リング周波数 509MHz との整数関係³ PF・ PF-AR は入射条件が厳しくないため、偶然の同期で実現

u 周長補正は SuperKEKB・PF・PF-AR で独立v 年較差、 SuperKEKB は 4x10-7 変化、 PF-AR、 PF は 4~20x10-6 程度³ 低気圧、潮汐、地震、温度．深度による、 SuperKEKB は地下 11 m ほど、 PF は地表v 閉軌道観測により蓄積リング毎に連続的にマイクロ波周波数を補正

u 1 パルス 2 バンチ、50 Hz 入射³ SuperKEKB - Linac 共通周波数 10.39MHz (=96ns) 間隔

u KEKB HER/LER と PF は同時 Top-up 運転を実現
vKEKB と PF-AR はビームトランスポートラインが共通³ KEKB 時は、 PF-AR 同時入射は不可能だった

vSuperKEKB はビーム寿命 6 分のため、PF-AR を含めた同時入射は必須
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8

KEKB/SuperKEKB の入射のビーム
Stage

KEKB (final)

Beam
EnergyStoredcurrent
Life time(min.)

e+e–e+e–e+e–e+e–e+e–

3.5 GeV

8.0 GeV

4.0 GeV

7.0 GeV

4.0 GeV

7.0 GeV

4.0 GeV

7.0 GeV

4.0 GeV

7.0 GeV

1.6 A

1.1 A

1.0 A

1.0 A

––

1.8 A

1.3 A

3.6 A

2.6 A

150

200

100

100––––

66

primary e- 10

Bunchcharge(nC)
Norm.
Emittance(gbe)(mrad)
EnergyspreadBunch /Pulse
Repetition
rate
Simultane
ous top-up
injection(PPM)

Phase-I

Phase-II

Phase-III (interim)

primary e- 8

1→1

primary e- 10

1→ 0.40.5

1200/401400

310

Phase-III (final)

1000

130

2

2

150/30100/404→4

100/1540/20

150(Hor./Ver.)(Hor./Ver.) (Hor./Ver.) (Hor./Ver.) (Hor./Ver.)

0.13%

0.13%

0.50%

0.50%

0.16%

0.10%

0.16%

0.10%

0.16%

0.07%

222222222250 Hz

25 Hz

25 Hz

3 rings(LER, HER, PF)

No top-up

Partially

Simultaneous Top-up Injections

50 Hz

50 Hz

4+1 rings (LER, HER, 4+1 rings (LER, HER,DR, PF, PF-AR)
DR, PF, PF-AR)

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SuperKEKB タイミング同期関係
Event
Systemfor SuperKEKB

Fiducial
KEKB HER/LER
Circumference
Correction

50HzuSynchronization Req.
Clock
SHB1 Phase
Control

114.24 MHz
x5

HER/LER
Injection
Phase Control

10 MHzVariable SG

571.2 MHz
10 MHzSGx5X 49508.9 MHz508.9 MHz
5120
99.39 kHzKEKB Revolution

HER/LER
BucketSelection

for PF (PF-AR)
Linac SHB
114.24MHzPF
Circumference
Correction

Flip-flop
Flipflop

PF Revolution
1.6 MHz

Flip-flop

Acc. Phase,
Timing Control

2856 MHzSGRubidium
SG

SHB2 Phase
Control

50Hz
AC Line Sync.

EventSystem

275

vKEKB : < 30ps
vPF/PF-AR : < ~700ps

uLinac rf isSynchronized
to SuperKEKB rf
uEvent Clock is114.24MHzuWe have to manage
vBucket selection
vInjection phase
controls
vCircumferencecompensation

BucketSelection

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10SuperKEKB への増強

uSuperKEKB のナノビームスキーム

v低エミッタンス大電流入射ビームの要請³電子はフォトカソード RF 電子銃 (7GeV, 4nC)
³陽電子は捕獲セクションの改造とダンピングリング増設
KEKB
SuperKEKB³40 倍のルミノシティ

vダンピングリングの設計³RF 周波数の選択³ハーモニック数の選択

vPF-AR 入射

e–e+e–e+8GeV

3.5GeV

7GeV

4GeV

1nC

1nC

4nC

4nC

100µm

2000µm20µm

10µm

2bunch2bunch2bunch2bunch³KEKB とビームトランスポートを共有

w ビーム切り換えと入射に 5-10 分ほど必要
w SuperKEKB のビーム寿命予測約 6 分 → 実験の中断が避けられない³SuperKEKB 向けに PF-AR の直接入射路を建設
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ダンピングリング (DR) の RF

uメインリング (MR) バケット選択³MR は 508.9MHz 5120 バケットを持つ³Linac – MR 共通周波数 10.39MHz は 49 バケットに相当³ 最大 5120 x 96ns = 約 500μs 待つと全てのバケットを選択できる

uDR RF として 10.39MHz の整数倍を選ばないと上の条件よりもさらに自由度は下がる
v508.9MHz, 571MHz などは可能
v単純な整数関係の 476MHz, 714MHz などは有用ではない

uCW クライストロン等の資源を考えると 508.9MHz を選ぶことが適当と思われる

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SuperKEKB のダンピングリング (DR)u 20 ミリ秒以内のダンピングは困難なため 40 ミリ秒を仮定
v 逆方向変更電磁石も導入 (Reverse-bend FODO)

u 2 バンチパルスを 2 パルスを収容する
e− GunKEKB

ARC

e+ 25Hz e‒ 25Hz の場合

Primary e– (4GeV, 10nC)

e+ BT (3.5GeV, 0.6nC)

e+ Target

前半

D.R.

後半

e+ 1e+ 1e‒ 2e+ 1e‒ 2

20 ミリ秒後

e+ 3e+ 3,1e+ 1

40 ミリ秒後e‒ 4e+ 3e‒ 4…

e+ 5e+ 5,3e+ 3e‒ 6e+ 5e‒ 6e+ DR (1.1 GeV, 4nC)
e− GunARC
Primary e– (3.5GeV, 10nC)

SuperKEKB
e+ BT (4GeV, 4nC)

e+ Target

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ダンピングリングのハーモニック数
u1 パルス 2 バンチのバンチ間隔 96ns
u入出射キッカー立上り下り ~100ns
uハーモニック数
v少なくとも >200 (≒ 392ns)
vメインリング (MR) のハーモニック数 5120 (または 5120x49) と適度な整数関係が好ましい
v大きくなり過ぎると建設費に影響

u入射 (パルスモジュレータ) の最大待ち時間 2ms
vKEKB 時は最大待ち時間 492μs であったが、安定性許容度とのバランスで 2ms まで電源を改造して拡大
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14

ダンピングリングのハーモニック数

u ハーモニック数を網羅的に検討し、例えばハーモニック数 230 で 2 ミ
リ秒以内のバケット選択に関しては

v 1 バンチ入射では 5120 個全てのバケットを選択入射可能
v 2 バンチ入射では 5120 個の内 2887 個のバケットを選択入射可能
v 現実的な周長で自由度の大きなハーモニック数として、 230 を選ぶことが適当と思われる

u 2 バンチ入射時に直接選択できないバケットについても
v 1) DR 出射後、 Linac 後半の位相をパルス毎に変更する
v 2) MR のバケット候補を複数用意する
v 3) DR 蓄積中に DR 位相を変更する

u とすれば選択可能

v 1) について、電子との切り換えの際いずれにせよ位相変更は必要³ ただし再現性だけでなく LLRF の直線性も必要となるv 3) について、次のパルスとの依存関係が増えるので不利
v 複数の方法を準備しておいたほうがよい (Review committee)
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16商用周波数との関係

u商用 50 Hz との緩い同期は装置の安定度に重要
u入射器のクライストロン・ヒータが交流駆動
vヒータが作る磁場が電子ビームさらには出力に影響uできるだけ 50 Hz の同じ位相でビームを加速
uしかし、商用 50 Hz は負荷によって大きく変動し、0.1% 程度の割合まで変わる

v現在は許容できない場合にビームを止めているが、さらなる対策が必要

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パルス同期動作装置の増設

uエネルギーの同期高速変更
v一部の大電力マイクロ波源に³専用の高速低電力制御と半導体増幅器³パルス毎にエネルギー変調

uビーム光学関数の同期高速変更
v約 100 台のパルス電磁石の導入³コイル電力も 70% 回収

u同期測定系

vビーム位置モニタ、ワイヤスキャナ
vマイクロ波、電磁石

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18

実装と運用
広域高速同期制御と仮想加速器運用

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19

イベントタイミングシステム
Trigger a set of accelerator devices with proper relative delays.
Master Trigger (50 Hz)

ClockStart

Master Clock (~100 MHz)RF
BucketOut

Severalcircles

Klystron

CavityParticlesourceBeam
Position
MonitorBeam
Current
MonitorInjection
KickerMagnetExtraction
KickerMagnetBucketSelection

KickerMagnetDi Wang

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イベント・タイミングシステム

v 事象に同期して制御操作を行い信号を発生させるような仕組み

u APS/ANLv 同軸 Cable に 10MHz Clock と 8-bit Event 情報変調
v EPICS soft event と結合

u SLS/PSIv FPGA と SFP の民生技術を APS system の置き換えに応用 (MRF system)v さらに、英国 Diamond 放射光等のために進化

u KEKBv 8-bit Event system、電磁石、モニタ同期に使用

u J-PARCv FPGA と通常光変換で 32-bit Event Timing 分配 systemu KEKB Linac 旧 systemv 4 つの Beam 区別のために、専用 Cable 敷設v 同時入射計画時に 8bit では足りないので、 FPGA + SFP の System 構築を検討
v その後、パルス毎にマイクロプログラムを書き換えることで、 MRF イベントシステ
ムで十分な自由度があることがわかり採用

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Event Generator

uRF Clock (114.24MHz) と Fiducial (50HzTrigger) を受ける
u50Hz Trigger は Event Generator 自身によって選ばれた (Super)KEKB e-/e+, PF, PF-AR のうちのどれかの加速器に同期している
uその Trigger に同期して、その加速器に対応した Beam Mode を作る Event Sequence を114.24MHz に同期して送り出す

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EVG-EVR 間の光伝送路

u114MHz Clock 毎に 16bit の情報を送り出す
u16bit は 8B/10B で Encode され 20bit の Bit 列になる（約 2.3GHz）
u16bit のうち 8bit は Event code (つまり 8.8ns毎に一つの Event が送られる)
u残りの 8bit は共有メモリ情報転送など複数の使い方がある

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Event ReceiveruEvent を受信すると事前の設定によって複数の動作を起こすことができる
uEvent code によっては、CPU に割り込みを掛け、Pulse の Beam mode の指示と解釈し、DAC 値や Delay 値を設定したさまざまな動作を行う。
そのような動的な変数が全体で 200 以上あり、それぞれ 11 mode ある。
uあらかじめ指示した Pulse または Level 信号を発生する、同期精度は 10ps 程度
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イベントタイミング制御システムの構成
u MRFʼs series-230 Event Generator / Receivers
u VME64x and VxWorks v5.5/v6.8
Dual Layer Controlsu EPICS R3.14 + mrfioc2 driver
u 17 event receivers in 2009 / KEKB
u現在は VME, PXI, 組み込み, 合わせて約100台

EPICS
Channel Access

IOCIOCIOCIOC

EVG

EVR

EVR

EVR

MRF
Event Link

Event Generator

CentralOPI

u114.24MHz event rate,
50Hz fiducials
uTiming precision is < 10ps.
SH_A1
KL_B5/B6

SB_B

Injection

SB_Ae­ Gun
ARC

e– BT (PF: 2.5GeV, 0.1nC)

Cont-ABC
KL_51/52
SB_C

SB_1

SB_2

SB_3

SB_4

SB_5

e+ BT (KEKB: 3.5GeV, 2nC)

e+ Target
Cont-1

Cont-2

Cont-3Cont-4Cont-5

Event Receivers
Simultaneous Top-up Injections

e– BT (KEKB: 8GeV, 2nC,PFAR: 3.0GeV, 0.1nC)

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パルス変調運転 (PPM)
u 1 つの入射器を4 つの仮想加速器のように振る舞わせることができる
u 20 ミリ秒毎に切り換える
v (CERN/PS は 1980 年代から1.2 秒毎にビームを切り換え )u 2019 年 5 月から運用

v 仮想加速器という言葉は計算機上のシミュレーションによる加速器に使われることもある
Simultaneous Top-up Injections

K.Furukawa, KEK, Sep.202026

4 + 1 蓄積リングへの同時トップアップ入射
u 昨年 5 月より予定通り運用³ SuperKEKB HER 7 GeV e–³ SuperKEKB DR and LER 4 GeV e+³ Photon Factory 2.5 GeV e–³ PF-AR 5.0 / 6.5 GeV e–HER

337.5 ± 1.6 mA (0.48%)

LER

348.2 ± 1.2 mA (0.34%)

PF

449.9 ± 0.1 mA (0.02%)

PF-AR

55.1 ± 0.2 mA (0.38%)

v4 種類のビームを 20 ミリ秒のパルス毎に切り換え³ 200 以上のパルス装置の動作を変更

vBelle II における入射バックグラ
ウンドの試験も成功
v各蓄積リングの電流の平滑化を達成

Simultaneous Top-up Injections

K.Furukawa, KEK, Sep.202027

SuperKEKB 同時トップアップ入射の効果

v積分ルミノシティの向上 (好調時の一例)

17.54 /pb in 5.15 hr(5 fills)
on May.6

41.64 /pb in 5.15 hr(top-up)
on May.16

237%の性能向上
v今年 6 月の世界最高ルミノシティの達成にも貢献
Simultaneous Top-up Injections

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まとめ
u素粒子物理実験と放射光科学実験の双方を、自由度を失わずに一つの入射器で運用する設計を行った
u広域高速同期イベント制御によって多数のパルス動作する装置を統合した上で、仮想加速器概念により効率的な複数の実験の実現に成功した

Simultaneous Top-up Injections

K.Furukawa, KEK, Sep.2020

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Mt. Tsukuba

Thank you
SuperKEKB
dual rings
PF-AR
PF

700m Injector
Linac

Conference papers: <http://www-linac.kek.jp/linac/>
同時入射関係の情報: <http://www-linac.kek.jp/cont/epics/event/>
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Simultaneous Top-up Injections

K.Furukawa, KEK, Sep.202031