Proceedings of Particle Accelerator Society Meeting 2009, JAEA, Tokai, Naka-gun, Ibaraki, Japan

Development of the fast BPM data acquisition system using Windows
oscilloscope-based EPICS IOC
Masanroi Satoh1, A), Hu YongB), Takuya KudouC), Shiro KusanoC), Tsuyoshi SuwadaA) and Kazuro FurukawaA)
A)
Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK),
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
Brookhaven National Laboratory
Upton, New York 11973, USAC)
Mitsubishi Electric System & Service Co., Ltd
2-8-8 Umezono, Tsukuba, Ibaraki, 305-0045
Abstract
The KEK Linac is a 600-m-long injector, which provides the beams for the four independent rings (KEKB e-/e+, PFand PF-AR). The non-destructive beam position monitor (BPM) is indispensable diagnostic tool for the long-term
stable beam operation. In the KEK Linac, approximately one hundred BPMs with the four strip-line type electrodes
are utilized for the beam orbit measurement. The orbit data is used for the orbit and energy feedback loops.
Towards the simultaneous top-up injection of KEKB and PF, the Linac has been upgraded for aiming the fast beammode switching operation. We developed a new fast BPM DAQ system using a Windows-based digital oscilloscopesince the 50 Hz beam position measurement is strongly required for the fast beam-mode switching operation. In thispaper, we will present the system description of the new BPM DAQ system and the result of its performance test indetail.

WindowsオシロスコープベースEPICS IOCを用いた高速BPMデータ収集シ
ステムの開発ビーム位置計測が不可欠となる。従来のBPMデータ収集(以下、DAQ)システムでは、最大DAQ速度が1KEKの電子陽電子入射器（以下、入射器）は、4Hz程度と低速であり、また、10年以上前に導入されつのリング(KEKB電子/陽電子、PF及びPF-AR)へ、た機器であるため、維持管理が非常に困難であった。
異なる品質のビームを供給している。PF及びPF-ARこれらの理由より、50 Hzビーム位置計測を目指しリングには、通常1日2回の定時刻入射を行っている。 た新BPM DAQシステムの開発が行われた。本稿で一方、KEKBリングへは連続入射を行っており、入は、新システムの構成及び性能評価について詳細に射器のビームモード(機器パラメータ)を数分毎に切報告する。
り替えて入射し、電子/陽電子リングの蓄積電流値をほぼ一定に保っている。KEKBリングでは、更な２．BPM DAQシステム
るルミノシティー調整効率向上のため、ビームモード切り替え時間の短縮化が望まれている。一方、PF
2.1 システム構成
リングでは、近年主流となっているトップアップ運転への要望が高まっている。このため、KEKB連続入射器では、全長約600mに渡り約100台の4電極入射及びPFトップアップ同時実現のための入射器ストリップライン型BPMが設置されている。BPM
アップグレードが進められてきた [1, 2]。本アップグ
電極から得られるアナログ信号は約3 ns幅のバイ
レードの目的は、20 ms間隔(50 Hz)毎に入射器のタポーラ型であり、SMAコネクタ型真空フィードス
イミング信号、低電力RF位相などを制御し、パルルーを介して約30 mの同軸ケーブルに接続され、地ス毎に異なるリングへのビーム入射を実現する事で上部のモニターステーションへ送られる。モニターある。今年度より、3リング同時トップアップ入射が実現され、将来のKEKBアップグレードへ向けて、 ステーションでは、複数台のBPMからのケーブルがPF-ARを含めた4リング同時入射も検討されている。 ケーブルコンバイナボックスへ接続され、適切な入射器では、安定なビーム運転を実現するために、 ケーブルディレイを通して信号が合成される。これ
約100台の非破壊型ビーム位置モニタ(以下、BPM)[3]
により、少ないチャンネル数で、複数のBPM信号をが設置されており、BPM情報を基にしたビーム軌道アナログデジタル変換することが可能となる。図１
及びエネルギー安定化フィードバックを行っているに、BPM DAQシステムの構成図を示す。
[4]。同時入射運転に於いては、パルス毎のビーム
旧BPM DAQシステムは、VME計算機(OS9; Forceモードが異なるため、すべてのパルスについての68060/50 Hz)及び2チャンネルのデジタルオシロス

１．はじめに1

E-mail: masanori.satoh@kek.jp714Proceedings of Particle Accelerator Society Meeting 2009, JAEA, Tokai, Naka-gun, Ibaraki, Japan

コープ(Tektronix TDS 680B/C; 8 bits; 5 GSa/s)から構(10 nC)モード用の信号をCH3(垂直)/CH4(水平)へ成されていた。オシロスコープを用いて捕捉された入力し、これ以外(1 nC/0.1 nC)のモード用として波形データは、GPIB接続されたVME計算機によりCH1(垂直)/CH2(水平)へ入力する。この方式を用読み込まれ、各バイポーラ信号の振幅値を算出したいることにより、すべてのチャンネルの垂直レン後、予め計測されているBPMマッピング情報及びジを変えることなく使用し、ビームモード毎に波ケーブル損失係数を適用し、ビームの水平・垂直位形捕捉のチャンネルを選択した高速データ処理を置及び電荷量を算出する。これらの情報は、上位の行っている。
サーバ計算機群(HP Tru64 UNIX/Linux)へ送られた後、2.2 DAQソフトウェア
ビーム軌道・エネルギーフィードバックを始めとした様々なソフトウェアに於いて利用される。旧シス
新システム用DAQソフトウェアは、旧システム
テムでは、19台のDAQシステムを用いて、約100台(VME/OS9)用に開発されたものをWindows用に移植のBPM信号を処理していた。
し、EPICS[5] IOCとして動作させている。本ソフト
新システムは、旧システムのVME計算機及びオウ ェ ア は 、 Microsoft Visual Studio 2005/C++ 、シロスコープを、4チャンネルの高速デジタルオシ
TekVisa及びEPICS base R3.14.8.2を用いて開発されロスコープ(Tektronix DPO7104; 10 GSa/s, 8 bits, た。新システムのオシロスコープは、ファームウェ
Windows XP (P4/3.4 GHz), Gigabit Ethernet)へ置き アがWindows OS上で動作しており、ユーザー開発換えた物である。旧システムでは、2チャンネル のアプリケーションを同機上で実行する事が可能である。このため、旧システムで必要とされたVMEのオシロスコープが使用されていたため、コンバの様な追加の制御用計算機が不要であり、保守性のイナボックスから出力される信号は、CH1へ垂直 向上が期待される。
方向、CH2へ水平方向の電極信号が入力されてい同時入射運転のために、新タイミングシステムとた。入射器BPMでは、KEKB陽電子生成用一次電 して、イベント生成/受信システムが導入された[6, 7]。
子ビームである10 nCから、PF及びPF-AR用0.1 nC これは、VME64xバスを基本とし、一台のイベント電子ビームまで、幅広い電荷量のビーム計測が必 生成システムが複数台の受信システムと光ファイ要とされる。このため、従来のシステムでは、 バーを介してスター型接続され、タイミング、RFクロックなどの情報を高速通信で共有する物である。
ビームモード毎にオシロスコープの垂直レンジをイベントシステム用ソフトウェアも、EPICSを基本切り替えた計測を行っていた。しかしながら、こ として開発されており、ビームパルス毎のモード情の様な方式を用いた場合、50 Hzでのビーム計測 報は、EPICSレコード経由による設定及び読み出しは不可能となるため、新システムにおいては、コ が可能である。
新システムでは、50 Hz毎に更新されるビームンバイナボックスからの出力を二分し、大電荷モードレコードを常時監視し、レコードの更新に続く外部トリガ信号と同期した信号捕捉を行う。このLinac network
Monitor station
際、モードに対応したチャンネル及び演算処理係数が使用され、位置データ等の計算結果は、各オシロ
Fast digital oscilloscope (10 GS/s)
EPICS IOC
スコープ上で動作しているEPICSレコードへ書き込
CH3 CH4
CH1
CH2
Windows XPyx y (10 nC) x (10 nC)
まれる。これらのレコード情報は、軌道表示パネル等の上位アプリケーションから直接読み出されていDivider
る。
Cable combiner box
8 ch combiner*

３．新システムの性能評価

8 ch combiner*Klystron gallery
Linac tunnel* Delay cable (7 ns)

BPM

3.1 波形補足速度
新システムを用いて、波形データ捕捉速度の評価を行った。評価用ソフトウェアは、オシロスコープのWindows上に於いてEPICS IOCとして動作させた。
本試験では、オシロスコープの同時使用チャンネル数及び波形捕捉データ点数を独立に変化させた場合の処理速度を測定した。また、オシロスコープのディスプレイ更新機能をオフとし、外部トリガ信号として15 MHzの矩形信号を用いた。
図２に、本測定の結果を示す。データ点数を1 kポイントから500 kポイントまで変化させ、それぞ

図１：BPM DAQシステムの構成図
715

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れの場合について、使用チャンネル数を1チャンネルから4チャンネルまで増加させた。測定結果は、連続100回行った測定値の平均をグラフ化したものである。入射器のBPM DAQでは、同時に2チャンネ
ル計測を行い、データ点数はモニターステーションに因って異なるが、最大20 kポイントである。図２の結果より、これに対応するDAQ速度は150 Hz以上であり、波形補足後の演算処理時間を考慮しても、50 Hzでのビーム位置計測を行うためには十分な性能である事が確認できる。
また、50 Hzトリガに於ける波形捕捉欠落を調査したところ、三日に一度程度の頻度であり、長期安定動作が期待できる。但し、この様な安定性は、ネットワーク負荷及びオシロスコープのCPU負荷などに依存するため、実運転上では注意が必要となるであろう。

EPICS IOC

350

Ch1Ch2Ch3Ch4

DAQ Speed[Hz]

300
250
200
150
100
5000

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Data length[k-points]

図２：EPICS IOCによる波形補足速度
3.2 50 Hzビーム試験

ほぼ20 ms間隔となっており、50 Hzビームの安定した位置測定が行われていることを確認した。また、ビーム軌道・電荷量表示用ソフトウェアを開発した（図４）。これを用いて、モード毎のパネル表示及び監視を行い、実用運転に役立てている。

図４：新BPMシステム用軌道表示パネル

４．まとめと今後の課題
入射器では、高速ビームモード切り替えによるKEKB・PFの3リング同時トップアップ入射に成功した。これに伴い、Windowsベースの4チャンネルデジタルオシロスコープを使用した高速BPM DAQ
システムを開発した。19台の旧システムは、23台の新システムへすべて置き換えられ、安定な50 Hzビーム位置計測が実現している。運転用ソフトウェ
アは、EPICSを基本として構築され、各オシロスコープは、独立したEPICS IOCとして動作している。
これにより、拡張性及び保守性の高いシステム構成を実現している。また、本システムを基本として改良 さ れ た 同 様 な シ ス テ ム が 、 KEKB-BT 用 の BPM
DAQシステムとして開発・運用されている[8]。
今後は、陽電子生成標的下流のビームラインに於いて、KEKB電子/陽電子の1 nCビーム及びPF/PF-AR用0.1 nCビームを別々のオシロスコープチャンネルにて処理することにより、0.1 nCビームの測定分解能向上を目指す予定である。

運転用ソフトウェアを用いて、KEKB電子/陽電子及びPF用ビームを交互に20 ms間隔で出力してビーム試験を行った。図３は、入射器アーク部の参考文献
BPM(R0_42)に於ける2時間分の電荷量データをプ[1] 佐藤政則, 日本加速器学会誌 第3巻2号 2006, p.171.
ロットした物である。電荷量のばらつきは、測定BPM位置上流でのビームロスに起因すると思われる。 [2] 佐藤政則, 日本加速器学会誌 第5巻2号 2008, p.144.
測定データ毎のタイムスタンプ間隔を調べたところ、 [3] T. Suwada, et al., “Stripline-type beam-position-monitor

[4]

[5]
[6]
[7]
[8]

図３：EPICS IOCによるDAQ速度716

system for single-bunch electron/positron beams”, Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research A 440(2000) pp.307-319.
K. Furukawa, et al., “BEAM FEEDBACK SYSTEMSAND BPM READ-OUT SYSTEM FOR THE TWOBUNCH ACCELERATION AT THE KEKB LINAC”,
Proc. of ICALEPCS2001, San Jose, 27-30 Nov. 2001.
http://www.aps.anl.gov/epics/
Takuya Kudou, et. Al., “Development of the user interface
for the event system in KEK Linac”, in these proceedings.
Siro Kusano, et al., “INTRODUCTION OF EVENT
TIMING SYSTEM IN KEK LINAC”, in these proceedings.
Tomohiro Aoyama, et al., “Upgrade of Readout System forBeam Position Monitors in the KEKB Beam Transport
Line”, in these proceedings.