The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

阪大産研 L バンド電子ライナックタイミングシステムとビーム安定性
柏木茂 A)、加藤龍好 A)、三原彰仁 A)、岡本主税 A)、磯山悟朗 A)
山本 保 A)、末峰昌二 A)、安積隆夫 B)、川島祥孝 B)
A)

大阪大学産業科学研究所量子ビーム発生科学研究分野〒567-0047 大阪府美穂ヶ丘 8-1
B)

高輝度光科学研究センター放射光研究所〒679-5198 兵庫県佐用郡三日月村光都 1-1-1 SPring-8

概要
阪大産研 L バンド電子ライナックのタイミングシステ
ムは、電子銃、クライストロンなどの RF システム及びビーム利用実験系へ、高い時間精度の基準 RF 信号やタイミング信号を供給する。昨年度からの加速器システム全体の更新に伴い、加速器の安定化及び高精度化を目的とし、新たなタイミングシステムの構築を進めている。本稿では、
このタイミングシステムについて、加速器の構成や運転モードなども含め説明する。

1

はじめに

大阪大学産業科学研究所では、L バンド電子ライナックからの高強度電子ビームを用いて、遠赤外領域の FEL 及びSASE の原理検証実験やナノ秒からサブピコ秒の時間幅の電子ビームを用いたパルスラジオリシス実験など様々なビーム利用実験が行われている[1, 2]。こうしたビーム利用実験を行うために、L バンドライナックは、シングルバンチやマルチバンチなど異なる時間構造をもったビームの発生が可能である。
高品質でかつ極めて安定な電子ビームを各ビーム利用実験に供給するため、Ｌバンド加速器の改修が昨年度より行われている。現在までに、クライストロン及びそのパルスモジュレーター、サブハーモニックバンチャー(SHB)用RF 源、冷却水システム、電磁石電源など、加速器を安定化するための機器更新が行なわれた。これに加えて、プログラマブル・ロジック・コントローラー（PLC）とパーソナル・コンピュータ（PC）を主体とした計算機制御システ
ムを導入し、ビーム調整の再現性などを向上させると共にビームライン真空度など加速器状態をモニターする事も可能にした[3]。そして現在、更新された RF コンポーネン
トなどを含めた加速器システム全体を時間精度よく安定に動作させるため、新しい L バンドライナックタイミングシステムの構築を進めている。新たなタイミングシステムを導入するで、RF と電子ビーム間の時間（位相）揺らぎを極めて小さくし、安定にビームをバンチ圧縮・加速することを行う。また、本システムから各ビーム利用実験に供給するタイミング信号とビームを含めた加速器システムとの高精度な同期を実現する事で、高い時間分解能を必要とするビーム利用実験において測定の時間精度向上が期待できる。
今回の新たなタイミングシステムの構築では、極めて安定な加速器基準信号（1300ＭＨｚ）を発生させ、その基準信号から RF コンポーネントやレーザーシステムなどで必要な分周 RF 信号およびクロック信号を作り出すことを行った。そして、各実験系へのタイミング信号の分配には、市販のデジタルディレイと NIM 規格のロジックモジュールを組み合わせて使用し、自由度が高くまた拡張性があるようタイミングシステムの構築を行った。また、既存のタイミングシステムについても時間ジッター測定などを行い、新しいタイミングシステムとの比較なども行った。

2

産研Ｌバンドライナック

2.1加速器構成

L バンドライナック入射部の構成は 100kV 直流型熱電子銃、3 台の SHB とプリバンチャー、バンチャー、3m 長のL バンド加速管で構成されている。SHB の共振周波数は、2 台が 108MHz、1 台が 216MHz である。1 台の L バンドク
ライストロンより出力された最大 30MW の RF パワーは、ハイパワー分配器を用いて、プリバンチャー、バンチャー、L バンド加速管へと供給される。Ｌバンド主加速管で加速された電子ビームは、加速管下流の偏向電磁石により、FELビームラインとパルスラジオリシスビームラインへとトランスポートされる。その他に第 1、2 照射室へビームを輸送しての様々な電子ビーム照射実験が行われる。

2.2

電子ビーム発生

前述したように、L バンドライナックでは異なる時間構造をもった電子ビーム発生が可能である。電子銃のグリッドに供給するパルス幅を変化させると共に、SHB によるビーム圧縮の有無により、発生する電子ビームのパルス長およびビームパルス内の副バンチ間隔を変化させることが可能である。これらの電子ビーム発生モードは、ビーム利用実験の種類により使い分けされる。
表 1：ビーム発生モード
SHB
パルス長
運転
シングルバンチ
有~ 20ps
過渡モード
無5 / 8 ns
マルチバンチ 1
無< 8 µs
マルチバンチ 2
有< 8 µs
発生モード

バンチ間隔0.77 ns
0.77 ns
9.2 ns

シングルバンチビームの発生においては、1.3GHz の基
本加速周波数と SHB に供給される RF の相対的な位相ジッターやこれらの RF 信号と電子銃へ供給されるトリガー信号の時間ジッターが、ビームエネルギーやバンチ圧縮へ直接影響する。また、過渡モードでの電子ビーム発生では電The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

EXT.

SR 625
RUBIDIUM TIMEBASEAC 100V
fre q. = 60Hz

SMIQ04B
Maser Oscillator

10MHz1.3GHz

Line sync.
Timing module(17K3 4A)

60Hz (pulse)

Frequency Divider
1/6

1/12

1/16

1/48

GATE&DELAY (PS-794)
27MHz

AND(1)(PS-756)

216MHz(SHPB)
108MHz(SHPB)Reset

F/F (PS-79 4)
81MHz(La ser Ref.)

DELAY line (1)DELAY line (2)AND(2)(PS-756)

SelectBeam Repetition

Preset Scaler(KN-140)

SelectModulator Repetition(Max. 60Hz)

Preset Scaler(KN-140)

Frequency Divide r&
DIGITAL DELAY(17K32A)

27M Hz1/N-o ut

960 Hz

M-out
27MHz

AND(PS-756)

GATE&DELAY (PS-794)

GATE&DELAY (PS-794)

Ext Trig.
27MHz

AND(1)(PS-756)960Hz Sig nal
for Laser Regen Amp. system
Digital Delay(DG-535)

F/F (PS-794)

Tri g.

AND(PS-756)

AND(PS-756)

Digital Delay(DG-5 35)
B

A

ResetCD

DELAY line (1)AND(2)(PS-756)

DELAY line (2)Kly.
Modulator
Trigger

GATE&DELAY (PS-7 94)

Laser Start Signal

Experiments

GUN
START

GUN
STOP

Synchro nized BEAM
Rep etition Signal

SHB Amp.
Trigg er
1300MHzRF GATE

図 1：産研 L バンドライナックのタイミングブロックダイアグラム
マスターオシレーターから出力される 1.3GHz（基本加速周波数）の RF を、分周器を用いて 1/6 (218MHz), 1/12(108MHz), 1/16 (81MHz), 1/48 (27MHz) に分周した後、サブハーモニックバンチャーなどの各加速器コンポーネントおよびレーザーシステムへと分配する。（分周器出力には、正弦波と NIM レベルのパルス出力がある）ここで使用する分周器の性能が、加速器全体の安定性を大きく左右する。
そこで、広帯域のデジタルオシロスコープ（HP54121A (チャンネル部), HP54120B(モニター、制御部)）を用いて、分周器の各分周信号（NIM レベル）をトリガーに、1.3GHzの rf 信号を観測し時間ジッターを評価した。108MHz と3 タイミングシステム
27MHz の分周信号（NIM レベル出力）と基準信号 1.3GHz
これまで阪大産研 L バンドライナックで使用されてき（rf）間の時間ジッター(σ)は 2ps 以下であった(測定器の測ているタイミングシステムは、新たなタイミング信号やク定エラーは差し引いていない)。また、その他の NIM レベ
ロック信号が必要になった場合、システム自体（ユニット）
ルや正弦波出力の分周信号についても測定を行った結果、を改造するしかなく拡張性が不十分であった。このことを50ps 程度の時間差の 2～3 値化した時間ジッターが観測さ踏まえ、今回のタイミングシステム構築では、同期回路なれた。原因として考えられるものとしては、4 つの分周信
どはスタンダードな NIM モジュールを主に使用し、安価号発生を共通の電源でまかなっているため、その僅かな変に自由度が高く精度の良いシステムにする事を目的の１動が分周信号に現れている事が考えられる。その他にも、つとした。図 1 に現在構築中の L バンドライナック全体の基板上でのクロストークや回路のレベル調整不足、また出タイミングシステム図を示す。
力ポート付近での反射などが原因として考えられる。この
まず、安定な加速器の基準信号を発生するために、マス原因については現在調査中である。
ターオシレーター(ROHDE & SCHWARZ SMIQ04B)の外部
一方、電子銃のグリッドや各実験の測定系などに供給す基準信号に、ルビジウム・タイムベース(Stanford Researchるビームの繰り返しに相当するトリガー信号は、27MHz
Systems SR625)の 10 MHｚ出力信号を使用した。これによの分周信号と電源同期のとれた最大 60Hz のパルス信号をり、長期的な周波数安定度を良くすることができる。この同期させる事により作り出される。電源同期タイミングモ
基準発信機の長時間周波数安定度を測定する方法についジュール（DGITEX LABORATORY CO. LTD., 17K34A）ては現在検討中である。また、加速器では短時間の周波数により商用電源周波数（60Hz）に同期した遅延パルスを発安定度も極めて重要であるため、ルビジウム・タイムベー生させる。そして、RF 信号（48 分周信号：27MHz）と最スを使用した場合のマスターオシレーター(SMIQ04B)の位
大 60Hz のビーム繰り返し信号との同期回路は、図 1 の点相ノイズを、時間領域復調法[4]を用いて測定することを予線で囲まれた部分に示したように、Phillips 社の標準的な定している。
子銃より発生された 5～8 ナノ秒の電子パルスが、プリバンチャーとバンチャーにより L バンドの 1 周期毎（0.77 ns秒間隔）にバンチ化される。加速管へのビーム入射タイミングは、過渡的ビームローディングによりビームパルス内に生じるエネルギー差を補正するため、加速管のフィリングタイムより前に調整される。そのため、ビームの加速管への入射タイミングと RF パルスの加速管への供給のタイミングが時間的に揺らいだ場合、直接ビームエネルギーの変動になってしまう。

The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

NIM モジュール（PS-756: Quad Majority Logic Unit, PS794:
Quad Gate/Delay Generator）と遅延回路で構成されている。
この同期回路部分のタイムチャートを図 2 に示す。この同期回路の精度についても、サンプリングオシロスコープを用いて同期回路出力信号（ビーム繰り返しパルス）と加速周波数 1.3GHz 間の時間ジッター測定を行った。測定結果は、標準偏差で 5.8ps であった。また、これまで使用されてきたトリガーシステムについても同様にビームトリガーと分周信号間のジッター測定を行った。測定されたサンプル点を見ると数千パルスに何パルスか 100ps オーダーでタイミングが飛んでしまうという問題がある事が分った。
このようにタイミングが大きくジッターすると、電子ビームは安定せず加速管の下流まで到達しえないと考えられる。
現在構築中のタイミングシステムでは、同期回路部分より出力されたタイミング信号を直接、分割・遅延しビーム繰り返し信号として各加速器コンポーネントに配ることは行わず、同期回路出力（ビーム繰り返し信号）をトリガーにデジタルディレイ(Stanford Research Systems DG535)を動作させ、それより作り出された任意遅延パルスと加速器全体の基準クロック信号(27MH)との AND をロジックモジュールによりとり、高精度にパルス遅延・分割することを検討している。DG535 自身は 50ps 程度の遅延時間ジッターを持っているが、ここで必要な任意の遅延パルス（DG535 出力）の時間精度は、基準クロック 27MHz の半周期（18ns）もあれば十分である。この遅延システムの時間精度は、加速器基準信号の 27MHz 分周信号の安定度とロジックモジュールの時間精度で決定される。上記のシステ
ムでどの程度まで時間ジッターを抑え込むことができるか今後測定等を行っていく。そして、電子銃のグリッドに供給するトリガー信号、レーザーシステムへのトリガー信号、その他ビーム利用実験系に供給するタイミング信号の間には、数百マイクロ秒からミリ秒の大きな遅延時間が必要であるが、上の方法を使うことにより、パルスを大きく遅延させる事も、また遅延時間の異なるパルスの数を容易に増やす事も可能である。また、デジタルディレイにDG-535 を使用することにより、GPIB などのインターフェースを使い計算機制御することも可能である。
また図１の中で、ビーム繰り返しの同期信号を作り出す為に、2 段に同期回路を構成しているのは、モジュレータの繰り返しとビーム繰り返しを独立にプリセットスケーラーを使い設定することができるようにするためと、加速管に供給する RF パルスとビームタイミング信号（電子銃トリガー）の間にジッターを持たせないためである。Ｌバン
ドライナック既存のタイミングシステムでは、27MHz の 1周期分に相当する約 37ns の時間ジッターがビームタイミ
ングとモジュレータへのタイミング信号の間で存在する。
この時間ジッターは、過渡モードでの加速器運転の場合にエネルギージッターとして問題となってくる。
その他、産研 L バンドライナックのタイミングシステム
では、パルスラジオリシス実験で使用するレーザーアンプシステムへ､960Hz という繰り返しの遅い信号を供給する必要がある。他の加速器の機器と高精度に同期をとるため
27ＭＨｚの基準信号を分周して 960Hz 信号を作り出すことにした[5]。また、SHB アンプなどへ送られるトリガー信号は高い時間精度を必要としないので、クライストロンのトリガー信号をもとに、DG535 を用いて直接遅延時間の異なる複数のパルスを生成する。

4

タイミングシステムとビーム不安定性

現在、Parmela などの計算機コードを用いて、SHB や加速管に供給される RF と電子ビームの時間関係が変化した場合、ビームの安定性にどのように影響を与えるか調べている。また、前述した過渡モードの電子ビームが加速管へ入射するタイミングが変化した場合に、ビームの平均エネルギーがどの程度変動するか計算より求めると、既存のタ
イミングシステムのように 27MHz の 1 周期分（37ns）の時間ジッターがあった場合、ビームのエネルギーは約 0.6％
揺 らぐ とい う結 果にな る 。（加 速管 への 入力 パワー は20MW）今回のタイミングシステムでは、電子ビームと加速管への RF 供給の時間ジッターは数ピコに抑えられているので、このようなエネルギー揺らぎは無い。今後、最終的なタイミングシステムの評価は実際に加速された電子ビームのエネルギーや時間ジッターなどを測定して行いたいと考えている。その際、タイミング系に起因したビーム不安定性であるか、その他の加速器コンポーネントに起因するものかを見極める必要がある。また、ビームシミュレーションでタイミングシステムに必要とされる時間精度を明確にしていきたいと考えている。

5

謝辞

高輝度光科学研究センター (SPring-8) の花木博文先生には、タイミングシステム更新にあたりご協力頂きました。
ここに感謝致します。

27MHz
AND(1) Input

27MHz(clock)60Hz
AND(1) Input

AND(1) Output

Max 60Hz
trigger

参考文献

AND(1)
Quad Majority
Logic Unit(PS-756)

Set

Set
F/F
Quad Gate/DelayGenerator(PS-794)

F/FOutput

ResetReset

DELAY line (1)Delay line(1)DELAY line (2)DelayAND(2)Quad Majority
Logic Unit(PS-756)

AND(2) Output

Delay line(2)Delay/FtOup)In(1DNA

etS/lF
65cUg
LjiyMdu)Q1
DNA-7(PoranetGS)y4
9tpuO
2N)A(1inyela
DylaestD
RelnYALE
D65-7SPncUgLrityjoMdau)Q(2DNA)
1)(2inyela
DyelaD図 2：同期回路部分のタイムチャート[1] R. Kato et al., Nucl. Instrum. & Methods A 483 (2002)
46-50[2] 古澤孝弘 他、 Proceedings of the 27th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Kyoto, Aug. 1-9, 2002 pp.225 (7P-37)[3] 加藤龍好 他、Proceedings of the 28th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Ibaraki, , 2003 pp.51-53 (WD-5)[4] H. Tsuchida, Opt. Lett. 23 (1998) 286[5] H. Suzuki et al., Nucl. Instrum. & Methods A 431 (1999)
294-305