THOB6

KEK-PF リング用ローレベル RF 系
更新の進捗

第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス
2023/8/31
KEK PF RFグループ

内藤大地, 山本尚人, 高橋毅, 本村新, 坂中章悟

目次・KEK PFとそのRFシステムの現状と課題
・新規デジタルLLRFシステムの概要
・新規デジタルLLRFシステムの性能評価
・まとめと今後

第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

01

KEK-PF & RFシステムの現状● PF : Photon Factoryの略。
・KEKつくばキャンパス内にあるリング型放射光施設。
<代表的なPFのパラメータ>
パラメーターエネルギー
周長
ハーモニック数
ビーム電流
ビームロス/turn
ビームライン数
自然エミッタンス値
2.5 GeV
187 m
312
450 mA
0.4 MeV38
34.6 nm rad<RFパラメータ>
パラメーター値
空洞数
4 (2ヶ所に2台ずつ)
クライストロン数 4 (空洞1台につき1台)
RF 周波数
500.1 MHz1.7 MV
合計加速電圧287 kW
クライストロン電力
LLRF
アナログ(ラック8台)<PFリング>

第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日<PFのRFシステム(2系統)>

02

PF RFシステムの問題点<アナログLLRFのダイアグラム><クライストロン用高圧電源のリップル[1]><RF安定化スキーム>
区分

安定化手法

問題点

安定性 (ビーム運転時)

振幅

Automatic Gain Control Amp

AMPゲイン応答の非線形性大, 応答速度が遅い±0.52 %

位相Phase lock loop

ホワイトノイズでシンクロトロン振動を誘起±0.12 °

老朽化が進んでおり、生産中止になっているモジュールがある(予備が尽きれば終わり)。

LLRFをデジタル化することで性能向上し持続可能性を向上させる。
[1] S. Sakanaka, K. Umemori, T. Takahashi, M. Izawa, “クラ イストロン用高圧電源の更新,” PF ring report 836, 2003.

第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

03

新規RFシステムの構成
PLC

μTCA.4 basenew LLRF

・1空洞ずつ独立に制御。
・高速インターロックは空洞2つ分を集約、低速インターロックは1箇所に集約。
第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

04

新規LLRFの構成<µTCA.4シェルフ>PS

37<µTCA.4シェルフ内の構成>
cm

AMC

MCH

4 5c m<各モジュールの役割と設計方針>
モジュール名
eRTM
µRTM
AMC

役割
開発方針
クロック生成, RF分配
SPring-8用を採用
デジアナ入出力, IQ変調 J-PARC LINAC用を設計変更
デジタル処理J-PARC MR用を設計変更

使用数
166

RF制御について・空洞の振幅/位相制御 | SPring-8を踏襲。
・空洞のチューナー制御 | Super-KEKBを踏襲。
他機関で開発されたものを利用 => コスト、開発期間、開発リスクを抑制。
振幅安定性±0.1 %, 位相安定性±0.1 °を目指す。
第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

05

PF LLRFの特徴<Non-IQ direct sampling>

PFでのIQ計算 |<リング1周分のIQ取得><位相変動の測定例@PF>

1 75I=
Vi cos 2πi ⋅(4∑8)
i=01 75Q=−
Vi sin 2πi ⋅(4∑8)
i=0● ADCでのRF信号取得にNon-IQ direct samplingを採用。
● ADCのsampling clockを307.75 MHz (RF周波数の8/13倍)に設定。
・revolution clockと同期したRF信号が検出可能に。
・LLRFでBPM信号から各バンチの位相変動が計算可能に。
・空洞電圧の補正パターンを作成してフィードフォワード補正(将来計画)。
● IQ信号を振幅/位相に変換してからRF制御のフィードバック制御。
● 全ボードで同期した任意の周波数/振幅のFM変調とAM変調をRF出力に重畳可能。
第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

06RF制御ボードの概要

・空洞への入力RF(〜kHzを安定化)と空洞のピックアップ(〜10 Hzを安定化)のダブルループ。
・基準信号を取り込んでAMC起動時のADC初期位相を補正。
第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

07

高速インターロックボードの概要

・1つのボードで2系統の反射信号をモニター。

・異常を検知したらAMCバックプレーン(MLVDS)を介してRF制御ボードにRFオフ信号を送信。
第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

08

PF LLRF インストール状況
45689101112123

実機製造

2022

20237

新規LLRF用配線

実機ベンチテスト 実機インストール、現場調整

利用運転<デジタルLLRFの様子>

・2022年度に実機製作
・2023年度現在インストール作業を実施中。
・ハードウエアは全て据付完了。
・現在ハイパワー１系統の調整/動作試験が終了、順次残りの3系統についても行なっていく。

第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

09

LLRF実機性能評価

LLRF 単体性能試験
・RF out 出力特性評価
・ADC特性評価
・インターロック動作試験
LLRF +クライストロン+ダミーロード
・RF out-クライストロン応答特性評価
・周波数応答評価
・クライストロンフィードバック試験
・アナログLLRF/デジタルLLRF安定性比較
LLRF+クライストロン+空洞
・遅延測定
・ダブルループフィードバック試験
・安定性試験

第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

10

LLRF実機性能評価

LLRF 単体性能試験
・RF out 出力特性評価
・ADC特性評価
・インターロック動作試験
LLRF +クライストロン+ダミーロード
・RF out-クライストロン応答特性評価
・周波数応答評価
・クライストロンフィードバック試験
・アナログLLRF/デジタルLLRF安定性比較
LLRF+クライストロン+空洞
・遅延測定
・ダブルループフィードバック試験
・安定性試験

第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

10

クライストロンフィードバック試験<測定セットアップ><パラメータサーチ(振幅)>不安定性：σ÷mean×100<制御ロジック><パラメータサーチ(位相)>● フィードバック制御の目標値

不安定性：σ・パワーメーターでの読み値が運転と同じ80 kW。
● パラメータ探索
・PI制御のPゲインとIゲインの設定値をスイープ。
・ADCでの振幅/位相の安定性を評価。
● P gain =2, I gain = 〜5000ぐらいで振幅/位相とも最小。
・振幅は安定性±0.01%, 位相安定性±0.05°を達成。
=>目標性能を達成。
第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

11アナログ/ デジタルLLRF安定性比較<クライストロン出力スペクトラム(狭スパン)> <クライストロン出力スペクトラム(広スパン)>● スペクトラムアナライザでクライストロン出力評価。
・デジタル or アナログ LLRF
・フィードバックオン or オフ● 商用周波数の高調波(600 Hz, 1.2 kHz)の抑制
・アナログ回路のほうが3dBぐらい良い。
● ワイドスパンで見た時のノイズ抑制

・アナログLLRFでPLLオンすると22 kHzに鋭いピークが立つ(シクロトロン周波数は23kHz)。
・アナログLLRFでPLLオンすると15 kHz以上でホワイトノイズが増加。

クライストロンに関してはデジタルの方がリップルを抑制できる思われる。
第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

12遅延測定 | LLRF+クライストロン+空洞<出力パルスパターン><測定セットアップ>

遅延・LLRFからインパルスを出力。
・各点での遅延をLLRF内部の波形保存機能で評価。
<遅延測定結果>
0.71 µs

1.33 µs

0.55 µs

0.34 µs

0.07 µs

0.34 µs

0.16 µs

・デジタルLLRF内ではIQ変換、次いで極座標変換により遅延が発生。
・系全体としては2.73 µsの遅延が発生している。
第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

13ダブルフィードバックループ試験<測定セットアップ>

25 kW

10 kHz(P=2, I =3000)で固定

20 Hz(P=0.5〜9, I =0〜8000)でパラメータサーチ

振幅位相Unstability (°)

Unstability (%)

・なるべくIゲインが小さい方が安定という結果に。
・(P, I) = (2, 100)を暫定的な運転パラメータに決定。
・この時、振幅安定性は±0.01 %, 位相安定性は±0.04 ° =>目標性能を達成。
第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

14安定性試験
<測定セットアップ>

・デジタルLLRFのRF制御を運転用パラメータに設定。
・全フィードバックオンの状態で安定性を評価。
・ADCそのものの安定性評価の参考にリファレンスも測定。
・10分毎にADCの観測値を記録。

<振幅安定性><位相安定性>

・振幅安定性±0.01%, 位相安定性±0.04°を達成。
・リファレンスの変動がADCの安定性起因だと思って空洞ピックアップの変動に二乗加算。
=>振幅安定性±0.03%, 位相安定性±0.09°
ADCの安定性評価は別途必要だが、十分な安定性が得られていると期待される。
第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

15

まとめ

まとめ
● 現在アナログで構成されたLLRFシステムをデジタルLLRFに置き換える。
・RF電圧の振幅/位相の安定性を向上させる。
● 新規デジタルLLRFシステムの特色
・RF信号取得にNon-IQダイレクトサンプリングを採用。
・バンチの位相変動の測定が可能。
・全ボードで同期したAM/FM変調機能を導入。
● デジタルLLRFのインストール状況
・ハードの設置、配線は終了。
・RF1系統の調整が終了。
・試験段階で空洞電圧の振幅安定性 ±0.01 %, 位相安定性は ±0.04°を達成。

第20回日本加速器学会年会@日大船橋キャンパス, 2023年8月31日

16