UPGRADE OF A PRECISE TEMPERATURE REGULATION SYSTEM FOR
THE INJECTOR AT SACLA
Teruaki Hasegawa #,A), Takao AsakaA), Sunao TakahashiB), Toru FukuiB), Hirokazu MaesakaA), Takahiro InagakiA),Kazuaki TogawaA), Yuji OtakeA)
A)
RIKEN SPring-8 Center
1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5148
B)Japan Synchrotron Radiation Research Institute1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5198

Abstract
A precise temperature regulation system for an injector at SACLA is being upgraded. To realize stable user operation ofSACLA, it is indispensable to achieve extremely high stability of accelerator components. At beam commissioning,although an existing temperature control system has been able to regulate a cavity temperature within 0.08 K, it has
become clear that even a tiny fluctuation in a cooling water temperature, such as 0.1 K, for the RF cavities of theinjector significantly influenced lasing stability. This temperature stability is limited by a PLC temperature
measurement module, which has non-negligible temperature drift. In addition, it has been found that an ON-OFF
alternatively heating method with a pulse width modulation signal generated a laser intensity variation having
correlation with this modulation frequency. This is probably due to a tiny-pulsed temperature variation by heater powerswitching, and small magnetic field leakage from heater current. Therefore, the temperature controller module wasreplaced by a more precise one with an extremely high temperature resolution of 0.001K and with an excellent stabilityof 0.01 K. We will also apply continuous level control of a heater with a DC power supply. According to somepreliminary experiments, this system will dramatically improve the lasing stability. This paper describes the upgrade of
the temperature control scheme and its performance in detail.

SACLA 入射部の精密温度調節装置高度化
1.

はじめに

X 線 自 由 電 子 レ ー ザ ー 施 設 SACLA(SPring-8
Angstrom Compact Free Electron Laser)は、2012 年 3
月 7 日に供用運転を開始した。効率良く利用実験を行うためには、レーザー強度と位置を長期にわたり安定に維持することが必要である。このためには、特に入射部からバンチ圧縮部にかけての RF の安定化が重要であり、徹底した安定化対策を講じた機器[1]のもとで、RF 位相・振幅に対して低電力フィードバックを行うことで実現している。各 RF 空洞の温度も一定に管理されており、精密温度調節装置 [2] [3]
により 0.08K/day(p-p)の安定度を達成している。
しかしながら、ビームコミッショニング以降、Lバンド APS 加速管の RF 変動や、入射部から出力される電子ビームに X 線レーザーの出力変動と同期した 0.5Hz 周期の位置変動が観測され、これらが共にRF 空洞に流れる冷却水のわずかな温度変化と連動していることが明らかになった [4] 。この要因は、PLC 温度モジュールがドリフトしていたことと、PWM による僅かなパルス状の温度変化またはヒータからの微小な漏れ磁場が考えられる。また、レーザー強度を安定化するためには、0.01K 以下の温度安定度が必要である。このため、精密温度調節装置の温度調節計を従来の PLC モジュール型から温度ドリフトが少ない高分解能型(0.001K)に置き換え、さらに DC 電源を用いた連続レベル制御方式に変更することにより、ビーム位置変動量を低減し、レーザー強度を安定化することを計画している。
本システム導入に先立った予備実験で、高分解能温度調節計のみを実機に設置し、その性能を評価した と こ ろ 、 空 洞 温 度 は 0.08K/day(p-p) か ら0.01K/day(p-p)まで安定化され、良好な結果が得られている。
本稿では、新たに導入する精密温度調節装置の機器構成とその性能の詳細について述べる。

2.

精密温度調節装置

2.1

従来システムの問題点

各 RF 空洞の温度制御に利用する施設冷却水は、ターボ冷凍機から供給される 12℃の冷水を 1 次系、各空洞に供給される純水を 2 次系として構成される。
負荷（RF 空洞）側より戻ってきた 2 次冷却水は、熱交換器で 1 次冷水と熱交換を行い、26.5±0.2℃に温度調節された後に負荷側に吐出され循環する。現状で我々は、この 2 次冷却水を使用して RF 空洞の0.1K 以下の高精度温度調節システムを構築している。
この温度調節システムでは、2 次冷却水と RF 空洞の 温 度 を 測 温 抵 抗 体 (Pt100, 3ware) と PLC(FA-M3,Yokogawa)を用いて計測し、PID 演算を経て出力される PWM（Pulse Width Modulation/パルス幅変調）信号に基づき、AC ヒータを ON-OFF することにより冷却水の温度を安定化して、空洞の高精度温度調- 1014 -図 1：SACLA 入射部の機器構成図節を実現している。
SACLA 入 射 部 の 機 器 構 成 図 を 図 1 に 示 す 。
(a) 温度モジュール 1 台分の温度指示値。赤線, 青
0.5MeV 電子銃より発射された電子ビームをチョッ線, 緑線, 黄線はそれぞれ 1ch, 2ch, 3ch, 4ch を示す。
パ ー で 1ns 1A に 切 り だ し た 後 、 238MHzSHB 、476MHzBoostor、L バンド補正空洞、2 本の L バン
ド APS 加速管、C バンド補正加速管で、速度変調によるバンチ圧縮とビーム加速を行い、バンチ長が3ps でビームエネルギーが 30MeV 電子ビームを生成する。
ビームコミッショニング時に、L バンド APS 加速管の RF 位相および加速電圧変動によるビーム軌道の変動が観測された。L バンド加速ユニットでは、1つのクライストロンから 2 本の APS 加速管を励振している。各加速管は独立に温度制御を行っているので、加速管温度はそれぞれ 0.08K 変化する。この変(b) 異なる温度モジュール 4 台分の温度指示値。縦化による RF 位相のずれは、上流加速管の RF 位相軸（左）の赤線, 青線, 緑線, 黄線はそれぞれモを用いて低電力 RF フィードバックで補正されるが、ジュール 1, 2, 3, 4 を示す。紫線は恒温槽内温度で後下流にある加速管はこれと無関係に変動すると考え述の高分解能温度調節計で測定した。縦軸（右）はられる。
隣接する PLC 温度モジュールの表面温度を示す。
原因調査のため、この装置で使用している 4 つのPLC 温度モジュール（4ch/台）に、温度係数の極め
図 2：標準抵抗を接続した PLC 温度モジュールの指て 小 さ い 標 準 抵 抗 （ MAZ111R670V/111.670 Ω
示値の変動1ppm/K, アルファエレクトロニクス社）を接続して、恒温槽に入れて 16ch 同時に温度指示値を計測した。 （238MHz SHB、476MHz Booster、L-band 補正空洞、その結果を図 2 に示す。図 2(a)は、1 台の温度モ 2 本の L-band APS 加速管、C-band 補正加速管）にジュールにある 4 チャンネル分の結果である。すべ ある精密温度調節装置の制御周期を 0.5Hz から 1Hz、てのチャンネルが連動して変化していることがわか 1.5Hz、2Hz、2.5Hz、3Hz に変更して、ビーム圧縮る。1 日当たりの変動幅はいずれも 0.08K(p-p)で、 部(BC1)出口にある BPM の周波数特性を FFT により変動間隔は数時間程度である。図 2(b)は、異なる温 解析したところ、制御周期と相関のあることが分度モジュールの 1 チャンネル分を示しており、モ かった。この変動要因として、PWM によるヒータジュールごとにその変動傾向は異なる。変動幅は最 のスイッチングが、パルス状のわずかな温度変化を大で 0.08K(p-p)であった。この変動と恒温槽内の温 誘発し、RF 空洞に影響を与えている、あるいは、このスイッチングにより発生する微小な磁場変化が度およびモジュール表面の温度に相関はなかった。
これらのことから、SACLA 精密温度調節装置の 低エネルギーの電子ビームの軌道に影響を与えてい温度安定度は、PLC 温度モジュール自身が持つドリ る可能性がある。
以上の理由から、SACLA 入射部の更なる安定化フトで制限されることが分かった。同時に、L バンのためには、長期にわたって温度計測のドリフトがド APS 加速管の RF 変動は、この温度安定度の不足ない高精度な測定系が不可欠で、しかも温度調節にから生じていることも分かった。
2 つ目の問題として、入射部から出力される電子 はスイッチングサイクルのない連続加熱方式へとシビームに X 線レーザーの出力変動と同期した 0.5Hz ステムを変更する必要がある。
周期の位置変動が観測された。実機入射部- 1015 -2.2

高度化した精密温度調節装置

PLC に変わる温度調節器として理化工業社製の高分解能温度調節計 REX-F9000 を採用し、その性能を評価した。この調節計は、0.001K の温度分解能があり、温度調節機能も 2 系統持っている。温度安定度の評価は前述と同様の方法で行い、標準抵抗はMAZ110R894V/110.894Ωを使用した。2 日間の測定結果を図 3 に示す。環境温度が約 1℃変化する状態も読み取り精度は、0.004K (p-p)、0.0010K(std.)と十分な性能を示した。

図 3：高分解能温度調節計の測定安定度れる冷却水温度を高精度に保つことで加速管温度を安定化する。温度調節のための温度計測と PID 演算は先述の高分解能温度調節計より行う。演算結果をPLC で受信した後、DeviceNet 経由で直流電源へ出力する。加えて、直流電源の状態監視と操作を行う。
装置制御は PLC で行い、上位制御系とは FL-net を介して接続し、データ収集及びアラーム監視を行う。

3.

性能評価

本システム導入に先立ち、入射部に高分解能温度調節計のみを導入して、その性能を評価した。図 5に 238MHz SHB の結果の一例を示す。図 5(a)は、導入前の様子である。利用運転中に精密温度調節装置の温度モジュールの空きチャンネルに標準抵抗を取り付けて、ドリフト量を測定した。温度調節に使用する温度モジュール自身が有するドリフトにより、実際の RF 空洞の温度が変化する。これにより、RF空洞の共振周波数はずれるが、低電力 RF フィードバックで補正される。この様子を図 5(a)は示している 。 位 相 制 御 量 -0.53deg と 空 洞 位 相 の 感 度 係 数 12.3deg/K から求めた温度変化量は約 0.043K に相当
す る 。 言 い 換 え れ ば 、 PLC の 温 度 指 示 値 の 変 化
0.06K のうち、実際に温度変化した量は 0.043K と推測でき、その値は概ね一致する。図 5(b)は、導入後の様子である。温度調節計の指示値のドリフトが高度化した入射部精密温度調節装置の構成図を、
L-band APS 加速管を例として図 4 に示す。この装置が持つフィードバックループは、上流の APS 加速管と下流の APS 加速管の 2 系統である。ターゲット温度は加速管入口の冷却水温度 28.000℃とし、この測定に測温抵抗体(Pt100, 4ware)を用いる。加速管本体の温度やその他の水温は、PLC 温度モジュールと測温抵抗体(Pt100, 3ware)で行う。従来のシステムに
あ っ た ヒ ー タ スイ ッ チ ング 用 半 導 体 リ レー (SolidState Contactor)の代わりに、7kVA(200V/35A)水冷式直流電源を使用する。ヒータは 9.1kW/3φ200V ACヒータから 6.2kW/1φ200V DC ヒータに変更し、同時にヒータ容量の見直しも行った。各加速管には冷却水 45L/min が流れ、これを渦式流量計で監視する。
これらを用いて 1 次系冷却水を加熱し、加速管に流(a) PLC による温度調節結果（導入前）(b) 高分解能温度調節計(REX-F9000, 理化工業)による温度調節結果（導入後）
図 4：高度化した入射部精密温調節装置の構成図（L-band APS 加速管の例）- 1016 -図 5：温度調節計の性能比較

PLC の温度モジュールと比べて小さいので、温度安定度は 0.01K (p-p)まで改善されている。この温度安定 化 に 従 っ て 、 RF 位 相 制 御 量 が 0.53deg か ら0.07deg 低減されている。

4. まとめ従来の精密温度調節装置は 0.08K/day(p-p)の安定度を達成しているものの、温度モジュール自身が持つドリフトにより、温度安定度が不足していることが判明した。また、ヒータの ON-OFF 制御による周期と X 線レーザー強度に相関がみられたことから、入射部の精密温度調節装置は高分解能温度調節計と直流電源による連続レベル制御方式に変更する必要があることがわかった。試験的に高分解能温度調節計を導入した結果、加速空洞の温度安定度は0.08K(p-p)から 0.01K(p-p)まで改善され、良好な結果が得られた。
本年 8 月には、直流電源を用いた精密温度調節装置を導入することで、入射部 RF 空洞の温度が安定化され、レーザー強度の安定化が期待できる。

参考文献[1] Y. Otake, “Commissioning and Performance of Instruments
for XFEL/SPring-8 Accelerator ‘SACLA’”, Proceedings of
the 8th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, (2011).
[2] S. Takahashi et al., “Precise Temperature Regulation
System for C-band Accelerating Structure”, Proc. ofAPAC’04, Gyeongju, Korea.
[3] T. Hasegawa et al., “Status of a Precise Temperature
Regulation System for the C-band Accelerator atXFEL/SPring-8”, Proc. of IPAC10, Kyoto, Japan.
[4] T. Asaka, et al., “SACLA 加速器のビーム変動解析”, inthese proceedings.

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