 
  

 による  入射制御       

梶裕志   岩崎昌子  岡崎知博  菊谷英司  草野史郎  工藤拓弥 
小林鉄也  末武聖明  飛山真理  中村達郎  古川和朗  宮原房史              

  





 
    
                   !  "      #$   % &   '  ! ()  !   *  () 









&+   ,   &   ' +     &    ! -./0) 1

&!  & 

!   ! &  &  )           ! '   ' +) 

&2&     &'    & )    &!

  ' !

 ' *  

&   ,    3 & ") 4    &!        !    )

!*      /.&)  !   ! ' &       '!     )  &'  5) 4



 '

 !  





 ' &+)  プロジェクトれを焦点としたスター型の光ケーブル・ネットワークを構築している。     はこのネットワーク&+は、-./. 年に運転を終了した + を用いて「次の入射パルスに関するパラメータを指示」の後継プロジェクトであり、 -./0 年初頭の運転開始にし、「動作タイミングとなるトリガーを供給」している。
向け建設が進められている。そのビームエネルギーは
&+ 陽電子パルスはダンピングリング #3"$
電子 678，陽電子 978、衝突エネルギーは + とを経由し " へ入射されるため、入射過程は -. で完
同じく /.)0:78 である。一方で、デザイン・ルミノシ 了せず、入射リング選択制御と入射スケジュール管理は






ティは + 到達値 に対し 9. 倍の複雑になる  。陽電子パルスは 3" に少なくとも 9.に設定されている。
蓄積され、しかもこのダンピング時間は陽電子入射頻度
このルミノシティ増強計画において入射器 1  に により変化する。この条件でも -. 毎の入射は維持さ
は、メインリング # "$ のビーム蓄積電流を - 倍にし、 れるため、「陽電子ダンピング中に電子パルス入射」なトップアップ運転によりそれを維持することが求められ
ど複数の入射過程が並行して行われる場合がある。
ている。
また 1 前後半部分は、陽電子入射の際は別々の入「3" から "射器として動作し、「3" への入射 #前半$」
 の入射制御
への入射 #後半$」を実行することになる。これらは電子
1
はその入射パルス毎に、「入射リング選択制御」 入射の際は同期し、今まで通り、/ つの入射器として動「入射バケット選択制御 」の - 種類を行う。この節で 作する。
はそれぞれの制御の役割と &+ プロジェクトに㻰㻣おける改良点について説明する。



Main TriggerStaon入射リング選択制御 #" ! $ / は 1
とビームが入射されるリングの場所
を  の航空写真上に表したものである。 1 は電子・陽電子 " の他に ;  ， ;2"  の全 9 リングにビームを供給している。複数の蓄積リング同時にトップアップ運転するためには、1 のパラメータを入射パ
ルス毎に #典型的には 0.，-. 毎で$ 変更しなければならないが、変更を要するパラメータの数は /0. 以
上に及ぶ。
1
の入射スケジュールを管理し、トップアップ運
転のため入射リングをそのパルス毎に選択制御するの   は、    #もしくはとも呼ぶ$ である。1 各所に配置された機器は、こ     

PF
PF-AR
㻷㻱㻷㻮㻌㼏㼛㼚㼠㼞㼛㼘㼎㼡㼕㼘㼐㼕㼚㼓

㼕㼚㼓
㻌㻾
㼍㼕㼚
㼕㼚㼓
㻌㻹
㻌㻾
㻷㻮
㼍㼕㼚
㻷㻱
㻌㻹
㻷㻮
㻷㻱

-)/

㼀㼟㼡㼗㼡㼎㼍㻌㻴㼍㼘㼘
䠄㻵㻼䠅
㻵㻼䠅

 /< !  ! ' +   
1

)

;

 )  ;2"

=

 

    '-)-

入射バケット選択制御 #+ ! $(a) Design of Main Trigger Staon
Main Trigger Staon

電子・陽電子 " はそれぞれ 0/-. 個の " バケットを持っており、そのうち / つを選び入射するのが入射
バケット選択制御である。1 ・ " 両方の " 周波数を考慮すると、 " への入射機会は >? に / 度である。
この 0/-. 倍の 9>@ の間に " の全バケットに / 度ず
つ入射のタイミングが訪れる。

Local (Linac 1st)E
V
G

GlobalE
V
G

入射パルスは「 " *! から作った周期
9>@ の基準信号」とも同期される。そして基準信号と入射パルスタイミングの間に任意の遅延時間を加える
ことで、入射バケットを選択している。

E
V
R

Local (Linac 2nd)
E
V
G

0.

&+ 陽電子パルス入射では 3" バケットの選択も必要になる。上述の遅延時間で出射できる 3" バケットへ、予め陽電子を入射しておかなければならない" バケット」の組み合わせためである。この「3"は 9>@ 毎に変化し全部で -@ 種類が順番に作られる。
そのため同じ入射条件が訪れる周期は //)@9 と長くなってしまう。
    は以下の複雑な問題を解決する" 組みものに改良される。入射 " だけでなく 3"
合わせも選択できる様に、遅延時間の基準信号周期を//)@9 に延ばすと、0. 入射ごとにこれと同期することが難しい。また 3" バケット選択は " 入射の 9.以前に行っておかなければならず、このダンピング時
間は陽電子の入射頻度に依存するため、1 の入射ス
ケジュールを理解していないと遅延時間の計算ができない。

この制御には前述のスター型ネットワークとは独立なループ型の光ケーブル・ネットワークが用いられる。こ   ，+ 制御棟，のネットワークは
36 電源棟側室の @ 点 #場所は  / 参照$ をノードとしており、それぞれの持つ共有メモリが光ネットワーク
で接続されている。 " 側から 1 への「入射バケッ
トに関するリクエスト」は、+ 制御棟ノードから共有メモリへ書き込まれ、     に伝達される。また入射バケット選択制御には、 " バンチ中で電荷の低いバンチを自動的に選ぶ機能が備わっている。カレントモニターで測定した " 各バンチの電荷量を、36 電源棟側室ノードから共有メモリに書き込むことで、これを可能にしている。
共有メモリによるデータ転送はすでに確立してい る が 、&+ で は 共 有 メ モ リ・モ ジュー ルと し て 8 8 200?0  を 用 い る 。「   
+ 制御棟」のノード間でデータ転送試験を行ったところ、その速度は 90)0 += であり、このモ
ジュールは 0. 入射運転での実用に十分耐えられる。

EVRs for Linac 1st half
(before DR)

EVRs for Linac 2nd half(aer DR)

DR/MRs(include local EVGs)(b) Test setup
VME sub-rack50Hz pulse

TTL
E
V
G

E
V
R

E
V
G

TTL

E
V
R

TTL

Trig

Oscilloscope

114.24MHz
RF clock -< # $ 3 '   & ' *  )7

 #$ !!   ' * ()@)/*  

は * 7  #87$ との - 種類のモジュールを光ケー
ブルで接続して構築され、8" の動作とそのタイミン
グは 87 により制御される。
*  

* " * #8"$

87 は「" クロック #+ では //9)-9$」「トリガーとなる 1 信号」を入力として受け取り動作する。トリガーを受けると * ( と呼ばれる / バイトのデータを入力クロックに同期させて 8" へ送信する。

は受信した * ( をトリガーとして動作し、の種類により事前に設定された動作のうち/ つを実行する。87 が送信する * ( は :+/.+
エンコーディングされているため、8" の内部クロックの位相はこの * ( によりロックされ、8" の動作は上流の 87 のクロックと同期している。
8"

* (我々は    用の 87，8" として、 " 社製の 8  規格モジュール 8 2872-@.， 8
28"2-@."
を採用している。この 87 モジ
ュールはトリガーから :): 刻みで最長 @6 秒 #共に
      "//9)-9
 時$ の遅延時間で * ( を発信でき
各所の機器に動作とそのタイミングを指示し、 る。また -9: 種類の * ( を最大 -.9: 個スケジュー
1
入射制御を担うのが、     である。我々 ルし、/ 回のトリガーで発信可能である。8" は *
は *   によりこれを構築している。こ ( ごとに「 ，1 信号の発信」「バス接続されの節ではまず *   について説明し、そ ている (;A モジュールへの割り込み」などの動作を設   の後、&+ 用に改良される
定でき、* ( 受信からこれら動作までの遅延時
デザインについて述べる。
間も独自に設定することができる。

   デザイン

    は &+ 運転のために改良される。3" 使用に伴い制御が複雑になる陽電子入射の   ためである。 - # $ に新しいのデザインを示す。/ つの 8  バス上に (;A，87#@
台$，8" のモジュールが設置され、*  
は / 台の 87 の下位に残り - 台が接続される - 段構造になっている。図にはないが共有メモリ・モジュール
88
200?0 もこの 8
 バスに設置される。全ての
87 は //9)-9
 の " クロックと同期して動作する
ため、     は :): 刻みのタイミングでトリガーを生成することができる。
上位 87 が - 秒程度の入射スケジュール管理し、/ 回の入力トリガーで入射タイミングの * ( を /..
個程度を 0. 相当 #-. 毎$ で生成する。この方法で、入力トリガーを //)@9 周期の基準信号と同期させる
ことで、生成される * ( すべてをこの基準信号と同期することができる。また - 秒程度の入射リングが事前にスケジュールされているため、3" へ陽電子入射時、それの「 " への出射が何パルス後かB」知ることができる。以上により &+ 陽電子パルスの入射バケット選択用の遅延時間を計算することができる。
ただし実際にこの遅延時間を生成するのは下位 - 台の 87 である。これらは上位 87 とは独立に -. 毎に動作する。上位 87 からタイミング信号を受信し、そこにバケット選択用の遅延時間を足して、1 各所に送信する。- 台の下位 87 は並列であり、1 前後
半それぞれの動作を制御し、陽電子入射時には別々に、
電子入射時は同時に動作する。

        性能試験の性能試験を基に、  
が生成するトリガーの時間精度や長期安定性について議論する。前述の通り &+ では「入射ス
ケジュールの管理」「バケット選択制御用の遅延時間の生成」も *   内で行われる。これにより、
*   のセットアップは変更され、87の「今まで使用していなかった機能」が用いられるため、それを踏まえた以下の試験を行った。
*   

 @<  , &! &  '      !! &)       *  ' !

!    5

タイミング精度試験

)の / 段目の 87 は入力トリガーから *
の送信までに .2- 秒程度の遅延時間を与える必要がある。これは - 秒程度の入射スケジュールを管理し、/ 回の入力トリガーでそのタイミング信号を送信するためである。+ ではここまで長い遅延時間で動作させた実績がないため、そのときの時間精度を試験した。
/ 段目の 87 に最大 - 秒程度までの遅延時間を与えた時の出力タイミングの不定性を見たものが  9 である。横軸の遅延時間は " クロック単位になっており、/ クロック:): である。このとき - 段目 87 の遅延
時間は常に / クロックに設定した。タイミング不定性は遅延時間によらず一定で /.& であった。これにより新    が生成するタイミング信号のしい精度も /.& と考えられる。
 - # $

(



20
18
16
14
12
10

0.88s
8.8µs

8.8ns

8.8ms

8

9)/

 

Jitter (ps)

@)-

6
4

が配るタイミング信号に要求さ& である。より高い時間精度をれる時間精度は Delay time (clock)
求められる機器 #電子銃など$ も、受信トリガーにこれだけの精度があれば、" クロックと再同期し  /.& の 9<   * !   ' &  87)
精度で動作させることが可能である。
 !   ' 87 ' &   ,&!      デザインにある通り、- つ
前節の
" !
  //9)-9)  !
& :):
の 87 を直列に接続した  - #$ のセットアップで ' ! )
時間精度を測定した。 *   の出力をトリガーとして //9)-9  の " クロックの位相が . 度となる時間を測定した。オシロスコープの等価時間サン
タイミング長期変動試験
9)プリング機能を用いることで、/& 未満の測定精度を実    の長期安定性を調べるため、8現している。最下流の 8" は制御対象機器のそばに設置されるべきものだが、この試験では同一の 8  サブ サブラック付近の温度をモニターしながら、前述のタイラックに設置し制御している。 @ は測定結果の / ミング測定を繰り返し行った。 0 は -./@ 年 ? 月
例である。/... 個程度の測定結果を集め、その平均値， /@ 日から 0 日間行った測定の結果である。温度測定の標準偏差をタイミングとその不定性 # $ とした。
結果には空調器の温度管理による小さな温度変化が見   



2
0

1

10

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

9

Temperature(degree)て取れる。タイミング #測定の平均値$ の測定結果も温度変化に合わせ明らかに変化している。これらを - 次元分布で見たのが  ? である。両者にはきれいな相関があり、傾きから、タイミングは温度変化により /:&=℃のドリフトを起こすことがわかった。温度とタイミン
グの不定性の間には、有意な相関は見られなかった。
長期運転の動作安定性を考えるとこの効果は無視で    付近の温度を / ℃
きない。しかし以内で空調管理することは可能であり、温度変化による不定性は /..& 未満に抑えることができる。

Timing (ns)

5.08
5.06
5.04
5.02
5
4.98
4.96
4.94
4.92

Jitter (ps)

28
26
24
22
20
18
16

14
13
12
11
10
9
8
7
6
6/13

6/14

6/15

6/16

6/17

6/18

Date
 0<  &    ' 5* )   ' 8" &  8 2!

&!)  &
 &     * 
*  ' &   ! ' 

 

  光ケーブル転送試験
この節では光ケーブルに起因する転送時間の不定性を議論する。     からの * ( は
+ 制御棟へも転送される。この時の転送距離は / 
以上に及び、光ケーブル転送に起因する不定性も無視できなくなる。このため、+ 制御棟で生成した光信    との間で往復させ、その転送号を
時間を測定した。
   + 制御棟間を /29 往復にさせた時の転送時間を  ! / にまとめた。測定は *  の試験と同様にオシロスコープで行い、測定分布から転送時間とその不定性を決定した。転送時
間もさることながら、不定性も往復回数の増加と共に大きくなっており、この測定は光ケーブルでの信号転送による時間精度の悪化を見ることができている。結果より
   + 制御棟の片道分の信号転送には @.& 程度の時間不定性があると考えられる。
* ( 転送用光ケーブルが敷設された共同溝内
は、外気温の影響を受ける。そのため転送時間の外気温依存性も測定した。 6 は外気温をモニターしな
がら、/ 往復の転送時間を測定し作った - 次元分布であ   + 制御る。縦軸の転送時間は棟間の片道分に補正してある。転送時間と外気温の間には相関があり、転送時間に @&=℃程度のドリフトが確認できた。この効果もまた転送時間の不定性を作る。
    から + 制御棟への *( 転送の際、これらの「光ケーブルに起因する効果」
が転送時間の支配的な不定性になる。それでも不定性は/..& 未満と考えられ、前述した時間精度要求は満たされている。

! )Timing (ns)

 ! /< "! '     2   +! !) +  

 

   !      2   ''  ' &

!   *)     ,&    ' 2&)

5.05
300
5.04
5.03






250

5.02
200

5.01
5

       









150

4.99

  まとめと今後

100

4.98
4.97

50
4.96
4.95
20.5

 ?<

21

21.5

22

22.5

23

23.5 24 24.5 25
Temperature (degree) ' 8" * & )   !   0)0 -3 &! !&  * !  

5  /3 &! ! '   

&)

&+ プロジェクトにおいて入射器 1
に必要とされる入射制御を議論した。陽電子パルス入射は、3" を使用するため、「入射リング選択制御」「入射バケット選択制御」共に + 時より複雑になる。
この陽電子入射を実現するために   2 に改良を加える。新しいデザインでは * 
 の 87 が直列に接続され - 段階になる。今まで (;A や別の機器で行われていた「長期間の入射スケ
ジュール管理」「入射バケット選択用の遅延時間生成」
も今後はこの *   中で行われる。

参考文献
Timing (µs)

· 10

-6

.454424.45442

140
0
120
0

4.45444.454400100.454384.4543880
60.454364.4543640.454344.4543420
4.45432.45432
10

12

14

16

18

20
22
24
26
28
30
Outside Temperature (degree)0 6<    *  & ) 
!&  * !   5  /3 &! ! ' 
 



 &)& 精度のタイミング    には 
信号を供給することが要求されている。* 
 モジュールは + 時代と同じものを使用するが、今までと違うセットアップであり、以前は使用しなかった機能が用いられるため、それらの性能試験を行った。
入力トリガーからの遅延時間として、- 秒程度までの長い遅延を生成して時間精度を調べた。この試験は、
    のデザインと同じく、87 を直列に接続し - 段階にしたセットアップで行い、その精度が/.& であることを確認した。
長期間の動作安定性を試験したところ、上述の遅延
時間は温度変化により /:&=℃程度ドリフトすることがわかった。しかし、*   をしっかりとした空調管理の基に運用する限り、この効果は問題にならない。
光ケーブル部分に起因する転送時間の不定性も考察   +した。最も転送距離が長い
制御棟間で転送試験を行い、不定性が /..& 未満である
ことが見積もられた。
今後は、-./0 年初頭の運転開始に向けて、  2   の実機製作を行っていく。-./9 年中旬に完成させ、同年後半にコミッショニングを行うことを目標にしている。
    デザインは近い将来
また今回ののアップグレード計画にも対応できる。&+ 運
転開始後、陽電子入射をより円滑に行うため、陽電子
ダンピング中に「3" の " 周波数の変更」、陽電子を3" から" へ入射時に「1
後半の " 位相の変調」
 
できる様にアップグレードする。これらは  からの指示で 0. 入射パルス毎に行われるが、指示の信号に専用の機器やネットワークは用いず、*  のデータバッファー転送機能を用いる予定である。

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