IMPROVEMENT OF J-PARC MR SLOW EXTRACTIONDYNAMIC BUMP CONTROL SYSTEM
Eiichi Yanaoka #,A), Takurou Kimura A), Youichi Igarashi A), Masahito Tomizawa A)A) High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract（英語）At J-PARC MR Slow Extraction, Dynamic Bump System is implemented to reduce the beam loss. During
extraction, bump orbit is defined by the bare horizontal tune which depends on the QFN and EQ current values. Thebump current values are processed by a dynamic bump DSP from the given QFN current pattern and the real time EQ
current value. But the control instruments of bump magnet powersupplys wasn't suitable, this system was unstable. We
developed a new DAC and amplifier for powersupply control. Dynamic bump system has become stability.

J-PARCMR 遅い取出しダイナミックバンプ制御システムの改善
1.2 使用機器

1. ダイナミックバンプシステム
1.1 安定性の向上
J-PARC 主リング遅い取出しは、入射、加速、取出しを 6 秒周期でおこなっている。30GeV まで加速した陽子ビームを、バンプ軌道を形成し 1/3 共鳴を利用し、2012 年 6 月の時点で約 2.2 秒かけて取出している。

図2
図 1 ダイナミックバンプ概略図

全体機器構成ダイナミックバンプシステムの中心となるのは、
バ ン プ 用 の DSP(Digital Singnal Processor) で あ る 。
ダイナミックバンプシステムは、取出しの間変動
EQ の電流値は、EQ 電磁石を制御しているスピル用するチューンにあわせて、バンプ軌道を制御する 。 の DSP からきており、QFN 電磁石によるチューン
4 極電磁石の 1 ファミリーである QFN 電磁石と取出 変動は、バンプ用 DSP 装置のメモリにかかれていし用 4 極電磁石の EQ 電磁石の励磁が、チューンをる。計算されたバンプ電磁石電流値は、バンプ電磁変動させる。QFN によるチューン変動は、毎出射石電源に送られる。2 つの DSP 装置は電源棟内の制(取出し)同じな時刻による関数であり、EQ 電磁石 御室に、バンプ電磁石電源は電源ヤードに設置されによるチューン変動は、スピル (取出しビーム)をリ ている。DSP 間は 5m、電源への経路は 40m ある為アルタイムで調整し変化している。時間の関数であ雑音対策で、TTL 信号を光信号に変えて伝送している QFN 電磁石によるチューン変動と、 EQ 電磁石の る。バンプ軌道を形成してるバンプ電磁石は 4 台あリアルタイムの励磁電流から、チューンを求める。
り、1 つの電源で 1 つの電磁石を励磁している。バこのチューンから計算したバンプ電磁石電流で、バ
ンプ 2~4 への経路は図 2 では省略されているが、バンプ電磁石電源を制御する。
ンプ 1 への経路と同一である。
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3. 問題点

4. 光信号による電源制御装置の製作

バンプ電磁石電源の入力は、アナログ最大電圧10V で、信号の反射等を考慮して入力インピーダン
ス 50Ω である。しかし、バンプの電流波形の変化は信号の反射等考慮しなくてもよい程くらい低周波数であった。システムの機器構築の際、工程の関係で
VME 規格の既成品 DAC をつかい、電源の入力信号にあわせるために、市販のアンプを電源の前段（図2 赤○、図 3 赤○）にいれた。

光転送ボード、DAC と今回開発した出力の時間変動、温度変動の小さいアンプを組合わせて、光信号をアナログ電圧に変える機器を設計した。これは、ローカル制御室からの信号を受け、電磁石電源の要求する信号を出力するものである。光転送ボードは 、送り側と同様のボートを、基板にさして使うよう考えた。この機器は、図 3 の全部分の機能を、含んでいる。

図5製作機器概略図

4.1 アンプ
従来つかっていた HSA4011 は定常ドリフトでも3mV ある。(図 6 赤)今回つくったアンプは、電源を入れてから平衡状態までの変化と定常ドリフト両方合わせて 0.1mV 以下である。(図 6 青)

図 3 電磁石電源への入力部
信号用のアンプでは、必要な電圧を得られず電力増幅のアンプを使った為、電圧の揺らぎが電源室設置で 100mV もあり、電源制御できなかった。（図 4青線）電流 0 近辺で揺らぎが大きいと電磁石電源につかっている IGBT のゲートがうまく動作しないことが原因だった。揺らぎを 5mV 以下に抑えないと動作しない、加速器の安定した運転の為には3mV/month 以下の揺らぎに抑えることが必須である。
一度アンプで 50V まで上げ減衰器で 5 分の 1 にすることで、ふらつきを抑え急場をしのいだ。（図3）しかし、減衰器をいれることで、温度依存性も目立ち、3mV 程度の揺らぎものこっている。（図 4赤線）

図 6 旧･新アンプの時間ドリフト
4.2 DAC とアンプの組合せ試験
DAC とアンプで組合わせて時間変化と温度特性をしらべた。

図7
図4

零出力時の出力経過- 529 -

組合わせ試験

5.2

安定性の向上0 入力時の電源入力電圧（図 12）が安定し、旧機器にくらべダイナミックバンプの安定性が格段に高まった。旧機器では、5mV（2012 年 1 月の終り～2月の終り）変動したが、新機器では 0.3mV（2012 年6 月初め 7 月初め）しかかわっていない。
図8温度特性(DAC＋アンプ)

DAC ですべてのビットをたてた時の出力電圧を 、摂氏 5℃から 50℃まで測定した（図 8）。約 50 度差
で 1mV(0.01%)変動で収まっており、0V 出力時の時間変化も 0.1mV 程度である。組合せ試験から、必要以上の性能が達成できるとみて、試験した部品で機器製作した。
4.3

図 12

性能試験

零出力時の出力推移

DSP から指令値とバンプ電磁石励磁電流の関係は 、
図 13 の用になる。古い機器をつかったものは、増幅器、減衰器や電磁石電源の入力インピーダンスの誤差で、4 台間で個性差が大きい。300A での個性差は 8A あるが、新機器では 0.3A に収まっている。個性差はプログラムで較正でき深刻ではないが、ない方が安定で電流値の微調がしやすい。
図9電源制御機器

図 10

性能試験

図 9 は完成した電源入力の為の信号変換機器である。機器の右脇にある光転送ボードを、基板にさして使用する。FPGA のプログラムをつくり、動作試験をおこなった。実際に使う構成で DSP からの送られてきた光信号を入力し、出力信号を確認しところ、必要性能が確認できた。
図 13

5.

電磁石励磁電流の較正曲線

電源制御機器の運用
4.

5.1 機器設置

まとめ

長期(一ヶ月)にわたる安定したアナログ電圧による電源制御により、ダイナミックバンプの安定性が高まった。ハードとしてのバンプ関連の機器 (電磁石、電磁石電源、電源制御 )は既に完成している。
今後は、新しいビーム条件にたいするプログラム製作と J-PARC 全体の制御の中に DSP を組込む必要がある。

参考文献
図 11

電磁石電源への信号入力部(左:旧、右:新)

旧機器は下から、ボードのさしてある VME ラッ
ク、電力増幅器、減衰器と並んでいるが、新機器は今回製作した電源制御機器だけである。 VME ラッ
クは、旧機器への切替えが容易なように残してある。

[1] M.Tomizawa, et al., Proceedings of IPAC2012, New
Orleans, Louisiana, USA, May, 20-25, 2012[2] E.Yanaoka, et al., Proceedings of the 8th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, Tsukuba, Ibaraki,Japan, Aug. 1-3, 2011

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