SuperKEKB 入射器の高周波モニターシステム
RF MONITOR SYSTEM FOR SuperKEKB INJECTOR LINAC
片桐 広明# , 荒川 大, チュウ フェン, 松本 利広，三浦 孝子，道園 真一郎，矢野 喜治
Hiroaki Katagiri#, Dai Arakawa, Feng Qiu, Toshihiro Matsumoto, Takako Miura, Shinichiro Michizono, Yoshiharu YanoHigh Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract
New RF monitor system for SuperKEKB project has been developed at the KEK injector linac. The RF monitor unit
which consists of analog I/Q demodulator, ADC/DAC board and FPGA board achieved 50Hz data acquisition and beammode identification. On the prototype RF monitor, amplitude and phase measurement precision has been achieved 0.1%
rms and 0.1 deg. rms. Thirty five RF monitors will be installed in Sept. 2014.
70 台導入時には、およそ 60 台ある大電力高周波源全数において、SLED 出力進行波及び反射波、クラ高エネルギー加速器研究機構の電子陽電子入射器
イストロン出力進行波、加速管出力信号、リファレ[1]では SuperKEKB 計画 で必要とされる高周波源のンス信号の計測が可能となる(Figure 1b)。
安定度を達成し、且つ複数リングへの同時入射運転
Figure 2 はシステムを収納する 19 インチラックで、[2]にも対応するため、新しい高周波モニタシステム
電子陽電子入射器クライストロンギャラリーの全長[3]の導入を進めている 。VXI をベースにした旧シスに渡りほぼ等間隔で 30 台設置されている。レイア
テムに替わり導入を計画している新システムは、アウ ト は 上 か ら 、 LAN スイッチ及びメディアコン[3]
ナログ IQ 検出器を採用した RF モニタユニット をバータ、RF 同軸スイッチ、RF モニタユニット、パ中心に、EPICS IOC となるラックマウントサーバー、ワーメータ、NIM-BIN 電源、ラックマウントサー
クロック分配系などで構成される。 RF モニタユバーとなる。
ニットは、これまでに改良を重ねた試作機を用いて高周波測定安定度の評価、同時入射運転に対応するための FPGA 組み込み回路の開発を行ってきた。機能・操作性を向上させたモニタユニット量産機は計70 台の導入を計画しており、2014 年 9 月から 35 台の運用を開始する予定である。現在、高周波計測精度を高めるため IQ 検出器の補正テーブルの作成を進めている。補正プロセスは当面はサーバー計算機上で行うがモニタユニット全数を導入する際にはFPGA に組み込むことを考えている。

1.

はじめに

2.

システムの構成

Figure 1 に RF モニタシステムの構成を示す。中心となるのは、アナログ IQ 検出器を採用したモニタユニットである。5 チャンネルの高周波入力信号を同時に計測することが可能である。計測データは当面は IQ 成分のまま EPICS の IOC となるラックマウント型サーバー計算機に転送し、振幅・位相への変換と補正を施された後、入射器運転に提供される。
モニタ信号はパワースプリッタで分割して同軸スイッチにも入力され、パワーメータで測定することもできる。これらの機器は旧システムからの流用である。
RF モニタユニットは 2014 年 9 月に 35 台を導入する予定で、まず旧システムの VXI メインフレー
ムと置き換える形で設置し、1 台のユニットで 2 台の大電力高周波源の計測を行う(Figure 1a)。さらに2014 年度中に 35 台を追加する。モニタユニット計___________________________________________#hiroaki.katagiri@kek.jp(a) Sept. 2014 ~(b) Apr. 2015 ~Figure 1: Block diagram of RF monitor system.

Figure 3: Block diagram of RF monitor unit.

Figure 2: Layout of RF monitor rack.

3.

RF モニタユニット

Figure 3 は RF モニタユニット量産機のブロックダイアグラムである。アナログ IQ 検出器、ADCボード、FPGA ボード、ユーザインタフェース等でFigure 4: RF monitor unit and user interface.
構成される。試作機では 4 チャンネルであった RF入力を 5 チャンネルに変更した。さらにユーザイン
タフェース用 CPU を H8 マイコンから、Linux がプリインストールされた組み込み向け CPU プラットホームである Armadillo[4]に変更した。これに波形表示可能な液晶ディスプレイを組み合わせ、機能と操作性を向上させている。IQ 検出器及び ADC の仕様、
FPGA ボードに Xilinx の ML605 ボードを使用する点は変わらない。Figure 4 左が試作機改良型 RF モニタユニット内部の様子である。写真左上にML605 ボード、下に ADC ボードがレイアウトされている。IQ 検出器はケース下層に収納されている。
Figure 4 右がユーザインタフェースの表示例である。
ここでは、SLED 駆動用の RF 信号を模擬した信号
Figure 5：Data viewer.
を入力しており、赤表示されているのが振幅波形、水色が位相波形である。パルス幅 4S で、後半 1S
Table 1: Comparison to the previous monitor system
は位相反転している様子がわかる。
FPGA 組み込み回路では、イーサネットインタ
PREVIOUS
NEWフェースである SiTCP[5] に 4 ライセンス分の mpc
SYSTEMSYSTEM
ファイルを実装して MAC アドレス・IP アドレスを選択できるように変更した。これにより、モニタユ Specification of ADC
8bit,14bit,
ニット 70 台導入時は 1 台のサーバーに最大 4 台まMax 2GHz
100/114MHzでモニタユニットを接続することが可能となった。
360deg.
ビームモードを識別するためのイベント信号を受信 Phase measurement range <40deg.
するイベントレーシーバ回路は、これまでに開発し Number of RF input
8CH
5CH(simultaneたものを踏襲している。Figure 5 はサーバー計算機 channels(selective)-ous sampling)が取得したデータの表示例である。SiTCP を介して50Hz data acquisition
NG(25Hz)
OK
転送されてくるデータは現状では ADC がサンプリングした生データであり、IQ 成分から振幅・位相 Identification of the beam NG
OKへの変換はサーバー上で行っている。図では SLED modes
出力進行波の振幅波形を表示している。プルダウン
Amplitude/Phase
0.15%rms,0.1%rms,
メニューから任意のビームモードを指定し、対応す precision
0.2deg. rms
0.1deg. rms
るデータを選択することができる。

Table 1 は VXI をベースとした旧モニタシステムと性能・仕様を比較したものである。旧システム
では 0.1 度/10mV の出力特性を持つ位相検出器で、実効的な分解能高めるためデジタイザで DC オフセット付き計測を行っており、位相読み取り範囲は約 40 度に制限されている。同時入射運転でパルス毎に位相が変わる際に対応できない要因にもなっていた。また、50Hz データ取得やビームモード識別のためのハードウェア/ソフトウェアの変更も困難な状況であった。
[6]4.

IQ 検出器補正

IQ 検出器が理想的な特性である場合、入力 RF の位相を変化させながら I 及び Q 出力を直行座標上にプロットすれば原点を中心とした真円を描き、入力レベルを変化させて繰り返せば同心円となるはずである。しかし実際には円の歪、中心点の原点からのズレがあり、さらに ADC のオフセット等も加わる。
測定の精度をより高めるために、ADC で取り込んだ値を補正する校正テーブルを用意することにした。
テーブルの作成は、ネットワークアナライザによる測定値を基準とし、ADC 出力値との差分を求める方法をとった。IQ 平面上に 400×400 のマトリクスを定義して、各点での補正値を Z 軸方向に 3 次元プロットしたものが Figure 6 である。左が I 成分、右が Q 成分の補正値となる。

Figure 7: Characteristic of an IQ demodulator.

Figure 8: Correction of an IQ demodulator.

5.

Figure 6: Example of IQ correction table.

まとめ

新しい高周波モニタシステムは RF モニタユニッ
トのハードウェアがほぼ完成し、現場にインストールする段階に差し掛かっている。2014 年 9 月の 35台のモニタユニット運用開始後はファームウェア/ソフトウェアの改良を進めながら、電子陽電子入射器のより安定したビーム運転に寄与するようなシステム運用形態の確立を目指す。

次に作成した補正テーブルの効果を検証した。
Figure 7 が対象となる IQ 検出器単体をネットワークアナライザで測定し入力 RF 位相対振幅換算値の誤差をプロットしたものである。入力レベルを 5 段階に変えては測定しているが、レベル依存性は小さく、 参考文献同じ傾向を示している。Figure 8 は IQ 検出器をモニ [1] H. Koiso, et al., “Construction Status of the SuperKEKBRings”, in these proceedings
タユニットに組み込んだ状態で測定し、同じく位相[2]M. Sato, et al., “Present status of SuperKEKB injector linac
対振幅誤差をプロットしたもので、縦軸は ADC のcommissioning”, in these proceedings
読み値から算出した誤差を%表示している。青のグ [3] H. Katagiri, et al., “Rf monitor unit for simultaneous
ラフが補正無し、緑が補正テーブルを適用した状態
injection” Proceedings 9th Annual Meeting of Particleである。Figure 7 ではピークツーピークで 0.04dB 程Accelerator Society of Japan, Osaka, August 8-11, 2012
度の振幅誤差がみられ、これは 0.46%に相当する。 [4] http://armadillo.atmark-techno.com/beginners/armadillo
Figure 8 の補正無しの状態と比較すると、測定系が [5] http://sitcp.bbtech.co.jp/xcl/html/[6] H. Katagiri, et al., “RF Monitoring System in the Injector
異なるため位相のゼロ点は違っているがグラフの形
Linac”, Proceedings of the 7th international conference on状には似たような傾向が見られ、誤差のピークツー
accelerator and large experimental physics control
systems,ICALEPCS’99, Trieste, Italy, 1999, pp. 69-71
ピークも近い値と判断できる。これらの検証から、位相検出器の持つ 0.5%程度の非線形性が概ね 0.1%ほどに補正されると期待している。