Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SAP086

SPring-8 蓄積リング COD データ取得の高速化
Fast COD data acquisition at the SPring-8 storage ring藤田貴弘#, A), 増田剛正 A), 籠正裕 A), 山下明広 A), 佐々木茂樹 B)
Takahiro Fujita #, A), Takemasa MasudaA), Masahiro KagoB), Akihiro YamashitaA), Shigeki SasakiA),A)
Japan Synchrotron Radiation Research Institute

Abstract

A stabilization of a beam orbit is one of important topics for synchrotron radiation accelerators. A periodic
correction of a closed orbit of electron beam takes central role in the beam orbit stabilization, after major causes ofbeam orbit fluctuations were cured. Electronics of beam position monitor at the SPring-8 storage ring, which are in
operation since 2006, have capability of re-configuration in signal detection scheme, since the electronics is composedof DSP and FPGA. We reconfigured the electronics and COD data at a repetition of every 1 ms is obtained as postprocess. This 1ms COD data is analyzed and the beam orbit fluctuation was evaluated. While the post-processing data,
we have been developing software for periodic correction of the beam orbit in order to shortening the period of thecorrection. The period was shortened from 7 sec to 1 sec since 2012 April. After that we prepared reflective memory
network which have good real time property. Owing to the reflective memory network, it have become possible that theCOD data is obtained at 10 Hz with real-time. Moreover, the obtained 10-Hz COD data is recorded to a database system,
which is newly developed as MADOCA II control system for future SPring-8 database. We report upgrading of thehardware and software for COD measurement and status of COD correction.

1.

はじめに放射光リングにおいて光軸の安定化は重要なテーマであり、さまざまな軌道変動の原因除去後は、周期的な軌道補正が光軸安定化の役割を担う。
SPring-8 蓄積リングでは 2006 年に COD 測定用の信号処理回路が更新され、その測定分解能や測定速度の向上が図られている。更新された信号処理回路
は re-configurable な DSP を用いているため、必要に応じて COD の測定スキームを変更できるよう構成されている。
2006 年の処理回路更新時には COD 測定スキームについての最適化は行っていなかったが、最近、10ms 程度の早い軌道変動によるトラブルが発生するようになり、これらを捕捉するために 1 ms 毎のCOD データが取得できるよう DSP および関連ソフトウェアの改造を行った。
DSP の改造と並行して、定常的な軌道変動および挿入光源のギャップ駆動、位相駆動に伴う軌道変動抑制のために周期的な COD 補正の高速化を行っている。高速化は COD 測定回路のファームウェア、およびワークステーション上のソフトウェアがおもな変更箇所である。それに関連するデータ転送のための広帯域ネットワークや高速データベースの整備も行った。

2.

COD 信号処理回路

２００６年に更新した COD 測定用の信号処理回路は実際のビーム信号を用いて評価が行われ、分解能で 3 倍、測定の繰返しで７倍の改善が得られている[1]。具体的には 3 秒毎に 0.1 um rms /(Hz)1/2 の測定繰り返しと測定分解能である。処理回路は RF 周波___________________________________________# tfujita@spring8.or.jp

数と同じ周波数（508.58MHz）を検波周波数とし、これを IF(250kHz)にダウンコンバートとして 2MSPS16bit の ADC で検波するものである。回路方式はBPM の電気的な安定度を得るために４電極の同時サンプリングではなく、BPM の各電極信号を切り替える multiplexing 方式である。ADC によってサンプリングされたデータは DSP で電圧に復調され、ビーム位置に変換される。DSP は re-configurable であるので、multiplexing の繰り返し、1 電極あたりのサンプル長、切り替えてから次の電極をサンプルし始めるまでの遅延時間等が可変になっている。1 つの ADCには 3 台の BPM(12 電極)が接続されているので、全BPM を切り替えて測定するには(電極あたりの積分時間)×12+セトリングタイムが必要である。積分時間を 1 ms としたとき、約 15 ms で全 BPM のスキャンが終了する。

3.

DSP 改造による高速 COD データ取得（ポストプロセス）

SPring-8 では、2011 年、2012 年に、数 ms から100 ms 程度の比較的短い時間でビーム軌道が変動し、ビームアボートに至るというトラブルがたびたび発生した。ビーム軌道が大きくずれると真空機器保護のためのインターロックにより加速空洞に供給される RF 信号がオフされて蓄積ビームは 0.1 ms 程度で失われてしまう。しかも、運転再開後のビーム軌道は正常であったため、原因の特定は困難であった。
こういった比較的速い軌道変動を捕捉するためにDSP の改造を行った[2]。各 BPM 信号を切り替える
タイミングは DSP が制御しており、2006 年当初は１つの電極の積分時間は 1 ms に設定していたため、- 729 -

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全 BPM 信号を処理するには約 15 ms を要していた。 ずれると RF 信号をオフするように構築されており、ずれが約 500 um になるまで同じパターンの軌道が成長していくさまが観測されている。
ビームアボート直前の軌道データに対して軌道補正のシミュレーションを行った結果が Figure 2 である。Figure 2 から、特定の場所でのキックがこの軌道偏差を生成していることが分かる。この場合は補正電磁石電源が故障の原因であったと予測されたため、該当する電源交換により、ビームアボートが解消された。また、軌道が変動し始める前の 1 ms 毎の COD データから各 BPM のデータのばらつきとベータトロン関数の相関からこのシステムの位置測定分解能を評価したところ、およそ水平、垂直方向それぞれ 1.1 um rms, 1.7 um rms であった。分解能がFigure 1 : Beam orbit trend just before the sudden orbit 1.5 倍ほど異なるのは真空チェンバーの形状と BPM
shift due to a failure of power supply of a steering 電極の配置できまる位置感度係数の違いと一致してmagnet.
いる。
外部停止コマンドを用いてリングバッファのアッ
これを電極あたり 64 us に短縮化して、リング全 プデートを停止させる機能は定期的にリングの軌道周の COD が 1 ms 毎でスキャンできるように改造し の健全性を確認するために利用することを検討してた。ただし、1 ms ごとの COD データを VME や いる。
ワークステーションまで常時転送することはデータ転送が間に合わなかったため、DSP ボード上のメモリにリングバッファを構築して、イベントが生じるまで常時上書きアップデートしておき、イベントが起こるとアップデートを止めるようにした。
アップデートを止めるイベントには、BPM４電極の和がある閾値を下回った場合、および、外部コマンドが停止信号を生成した場合の２通りを用意した。
前者のイベントによって、速い軌道変動によるビームアボート前のリング全周の軌道が 1 ms 毎に取得可能になった。また、後者のイベントによって、定常状態での軌道変動が 1 ms 毎に取得可能になった。
ただし、BPM システムはリングの軌道補正を行うことが主目的のシステムであるため、電極あたりの Figure 2 : From an error estimation of observed COD
積分時間を短くすることで分解能が低下することは during the beam abort it was indicated that there was
避けなければならないが、ADC で検出する信号には large kick around the steering magnet of st_h_11_6.
508.58MHz 以外の周回周波数の整数倍の周波数に起因する、250kHz 以外の成分が少なからず存在し、
4. ソフトウェア改造による周期的軌道補それらは電極あたりの積分時間を短くすることで、正高速化
スペクトルのすそ野が 250kHz にも影響することが前述の通り、1Hz の帯域での BPM の位置分解能予想された。これを解決するため、これまでは DSP上で IF データから振幅に復調後、平均化の処理を は 0.1 um rms 程度であり、一方、BPM 位置での行っていたが、ベクトルデータのまま平均化をとり、 ビームサイズは水平、垂直方向それぞれに 200um,最 後に振幅 に戻すよ う変更 した。 250kHz は各ス 6um 程度であるので、BPM 分解能は十分である。
それに対して利用運転中は挿入光源のギャップ/位相
キャンごとに同じ位相でサンプリングが開始され、駆動、または高速偏光切替用キッカーの運転により不要周波数成分はランダムな位相でサンプリングが10um 程度の軌道変動が生じる場合がある。これら開始することになるので、多数回の測定により、不 を補正すべく、また、通常の軌道変動を改善すべく要周波数はキャンセルされる。
軌道補正の高速化を行っている。分解能を多少犠牲
Figure 1 はビームアボートが起きる 40 ms 前から にして補正を高繰り返し化することで軌道安定度をのリング全周の水平方向ビーム軌道を 1 ms 毎に捕 改善することが目的である。
捉したものである。真空機器保護のインターロック
は挿入光源上下流のビーム軌道が水平方向に 500 um- 730 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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4.1.

これまでの周期的軌道補正

SPring-8 蓄積リングでの軌道補正に用いている制御計算機の配置を Figure 3 に示す。また、その概要は次の通りである。リング全周に配置された BPM（290 台）の信号を順々に切り替えて AD 変換し、DSP 上で位置データにまで変換される。位置データはリングの４か所に設置された BPM 用 VME 計算機(monbpm_[a-d])へ吸い上げられた後、中央制御室のワークステーションに転送される。COD データは2000 点程度の多数の同期した信号を低レイテンシで転送する必要があるため、データの転送は NFS を経由して転送を行っていた。多数のメッセージを用いて転送するよりもレイテンシの面で有利でであったためである。
ワークステーション上では COD データとリングのラティスから補正すべき補正電磁石励磁量を計算し、補正電磁石電源に電流をセットする。いわゆるグローバル補正である。
補正電磁石は水平/垂直方向共にセルあたり６台ずつ配置されているが、分解能の粗い電磁石電源と精密なものがある [3]。周期的補正においてはセルあたり 2 台（水平方向）、3 台（垂直方向）設置されている精密な補正電源を用いている。BPM 用の VME計算機と同様に補正電磁石電源用の VME 計算機も蓄積リングに沿って 4 台(magps_[a-d])設置されており、ワークステーションから補正電磁石用の VME計算機までは RPC でその指令値（補正電磁石電流値）設定される。

を計算する
現在のステアリング電磁石設定値をデータベースから読みだす
4. ３．の現在値に補正量を加えて補正電磁石電源に電柱値を設定する
これらの処理は異なる機器（BPM,補正電磁石）を制御し、また、データベースともデータをやり取りするものの、シングルプロセスで記述されていたた
め、それぞれの機器とのやり取りで、場合によっては秒程度あるオーバーヘッドの間なにもしないで待っていた。例えば、COD 測定の開始に 300ms、各COD 回路を同期させるためのトリガ生成に 1000ms、測定終了待ち＋データの転送に 1.5 秒、補正電磁石への設定に 1.5 秒等であった。
3.

4.2.

周期的補正の改造

これらのオーバーヘッドを改善、または並列化することでオーバーヘッドを実質的に解消すべく制御ソフトウェアの改造を行った。COD データ転送高速化のためにリフレクティブメモリ整備や新たなMADOCA II 用データベースへの書き込みも行った。
Figure 4 にその構成を示し、以下にその詳細を述べる。
COD 測定開始のコマンドを発行してから実際に実行されるまでの待ち時間を改善するために、COD 測
定のプロセス、補正プロセス、データベースアクセ
ルのプロセスをそれぞれ別のプロセスとし、共有メモリでデータ共有することとした。また、補正電磁石電源への電流値設定をイベント型のメッセージを用いることでメッセージ処理に要するオーバーヘッドの短縮化を行った。これにより、ソフトウェアのオーバーヘッドがかなり改善された。
COD データの転送を NFS から専用のリフレクティブメモリ[4]を用いた転送に変更した。COD 測定のタイミングを確実に制御するために DSP ボードに供給しているトリガと同じトリガをタイミング制御用のリフレクティブメモリに供給し、このタイミングで各計算機に割り込みを掛けるようにした。これ
により、ハードおよび制御計算機全てが共通のハードトリガを基準として動作するようになった。こうして、ワークステーションまで含めてリアルタイムな COD 測定が可能になり、現状では 10Hz で運用している。
10Hz で測定された COD データは将来の SPring-8,Figure 3 : Schematics of COD correction.
SPring-8II のために開発された MADOCA II データ
ベース[5]に 10Hz で書き込むようにした。MADOCA
このように周期的補正を高速化するにあたっては、 II データベースはインメモリー型で読み込み/書き込蓄積リングに分散されて設置されている VME 計算 みが高速に行える Redis と永久保存用の Cassandra
機とワークステーション間に大量のデータをしかも から構成される。書き込む COD データはコメント、同期をとってやり取りするところが大きな課題であ 時刻、水平、垂直位置および４電極電圧であり、る。
10Hz で連続的に書き込むと１時間あたり 240MB 程
従来の周期的 COD 補正の流れは次のようであっ 度と大容量であるので、１週間は全データを保存し、た。
その後は 1/100 のデータ量に間引かれて Cassandra
1. COD 測定後データをデータベースに書き込 で永久保存されるような設定で運用している。なお、
む
現在はデータベース移行の過渡期であるため、同時
2. データベースから COD データを読み出して にこれまでのデータベース Sybase にも 1/100 に間引
リファレンス軌道との差分に対して、補正量 いたデータを書きこんでいる。Sybase では書き込み- 731 -

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完了までの時間が不確定であり、時折処理に時間が補正のゲインを 1.0, 0.75, 0.5, 0.25 と変えた場合のかかることがあるため、別のスレッドで処理するこ シミュレーション結果を Figure 5 に示す。ゲインをとで、他の処理に影響を与えないようにしている。
上げると低周波の抑制はできるが、逆に高周波の振これらのソフトウェアの改造、およびリフレク 動を励起してしまうため、ゲイン 0.25 程度が適してティブメモリの整備、データベースの整備によって いることが分かる。
COD データは 10Hz でリアルタイムに測定しながら、 実際にビーム蓄積時に周期的軌道補正のゲインを1Hz での軌道補正が可能となった。
変えて Linear Spectrum Density(um/sqrt(Hz))を測定した。測定はビームラインフロントエンド部に設置されている XBPM[6]の出力信号を高速デジタイザで測4.3. 周期的補正高速化による改善の確認定した。結果を Figure 6 に示す。水平方向にはわずフィードバックが発振せずに、系が安定であるか かであるが、垂直方向にはゲインを上げると 0.1Hzはフィードバックループ内のレイテンシとゲインに から 1Hz 程度の振動が励起される。また、積分スペよる。レイテンシが大きければフィードバックルー クトルを計算すると、水平、垂直両方ともに改善がプのゲインを上げることができない。
みられるのはゲインが 0.25 の場合であることが分
COD 補正はソフトウェアによる部分がほとんどで かった。
あるので、系のレイテンシを求めることは困難で次に ID ギャップを駆動した時の軌道変動についあった。そこで、レイテンシを仮定して簡単なシ て改善の程度を観測した。ソフトウェア改修前がミュレーションを行った。シミュレーションにおい Figure 7(a)であり、改修後が Figure 7(b)である。これて考慮した内容ははリングの１か所の BPM を用いて測定した水平方・ COD 測定の積分時間向、垂直方向のビーム位置の時間変化である。
・ COD 測定終了から補正電磁石に励磁の指令が Figure 7 において水平方向のビーム位置はギャップ届くまでの時間の開閉によって異なっているが、これは ID ギャッ・ 補正電磁石の立ち上がり速度（電源の速度、 プが閉まることによって観測している BPM 位置で電磁石のインダクタンス、真空チェンバーの の平衡エネルギーが違っているのが分散関数を通し渦電流による）て見えていることによる。
である。なお、COD 測定の分解能が有限であるがためのノイズは考慮しなかった。

Figure 4 : Configuration of automatic COD correction program on a workstation, reflective memory network for cod
data and fast database system.
ボートのタイミングで COD データを 1kHz で取得可
5. まとめ能（ポストプロセス）になっている。これにより、
SPring-8 蓄積リングの COD 信号処理回路の DSP 数 ms 以上の時間で軌道変動が起きてビームがア論理を改造し、任意のタイミングまたはビームア ボートされた場合、その直前の軌道が捕捉できるよ- 732 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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うになった。また、定常状態の軌道変動も 1 um 程度の分解能で可能になった。
これに並行してソフトウェアの改造も行い、周期的軌道補正の高速化を進めている。2012 年 4 月より
1 Hz で COD 測定、1 Hz で補正を行うようにした。
2014 年 5 月からは補正は 1 Hz のままであるものの、COD 測定を 10 Hz に高速化した。これらを実現するためのリフレクティブメモリの整備、MADOCA II用データベースの整備も行った。近い将来には補正電磁石もリフレクティブメモリネットワークに組み Figure 7 : Beam orbit fluctuation when ID gaps were込み、10 Hz で軌道補正を行うことを予定している。 changed.

参考文献[1] T. Fujita et al., Proc. of PAC07, p.3997 , (2007),
Albuquerque, USA.
[2] T. Fujita et al., IPAC14, p.274, (2014), Dresden,
Germany.
[3] H. Takebe et al., Proc. of ICALEPS, PO2.048-4(2005).
[4] T. Masuda Nucl. Inst. and Meth. A, 543, (2005),415-430.
[5] A. Yamashita et al., Proc. of 10th PASJ, p. 235(2013), Nagoya, Japan.
[6] H. Aoyagi et al., Nucl. Inst. and Meth. A, 467-468(2001) 252-255.
Figure 5 : Simulation on frequency response of periodic
orbit correction.

Figure 6 : Linear Spectrum Density and its integral
spectrum observed by XBPM at ID29XU. (a) and (b) arefor horizontal and vertical direction, respectively.

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