Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEOB07

J-PARC MR 次世代 LLRF 制御システム
NEXT GENERATION LLRF CONTROL SYSTEM FOR J-PARC MR
杉山泰之 ∗A) 、吉井正人 A) 、大森千広 A) 、長谷川 豪志 A) 、原 圭吾 A) 、田村 文彦 B) 、山本 昌亘 B) 、野村 昌弘 B) 、沖田 英史 B) 、島田 太平 B)
Yasuyuki Sugiyama∗ A) , Masahito YoshiiA) , Chihiro OhmoriA) , Katsushi HasegawaA) , Keigo HaraA) ,Fumihiko TamuraB) , Masanobu YamamotoB) , Masahiro NomuraB) , Hidefumi OkitaB) , Taihei ShimadaB)
A)
J-PARC/KEK, B) J-PARC/JAEA

Abstract
The digital low-level-rf (LLRF) control system for J-PARC Main Ring (MR) with RF feedforward method for beamloading compensation has contributed to the stable beam acceleration in the MR for more than ten years. The longitudinal
coupled-bunch instabilities (CBI) were observed in the MR for the beam power beyond 470 kW due to cavity impedance.
To mitigate the CBI, we designed the new LLRF control system with multi-harmonic vector rf voltage control function
to suppress the beam-induced wake voltages in the RF cavity. The prototype modules of the new LLRF control systemwere installed in MR in 2019 and contributed to reaching the beam power beyond 500kW. The new system was deployedin 2021. We present the configuration of the new LLRF control system and preliminary beam test results.

1.

はじめにJ-PARC の主リング (MR) シンクロトロン [1] では
30 GeV まで加速した陽子をニュートリノおよびハドロンの各実験施設へと供給している。Table 1 にニュートリノ実験に対する速い取り出し運転モード
における MR 及びその RF 加速システムの運転パラメータを示す。速い取り出しにおいては、2.66 × 1014
ppp の陽子を加速して 2.48 秒繰り返しで取り出すことで 2021 年 4 月に利用運転での取り出し強度 515
kW を達成している。J-PARC MR は更なる大強度を目指したアップグレードを進めており、周回陽子数の増加と、加速の繰り返しサイクルの高速化により将来的には 1.3 MW を目標としている [2]。
Table 1: Parameters of the J-PARC MR and Its RF System
for the FX as of 2021
Parameter
Circumference
EnergyBeam intensity
Beam power
Repetition period
Accelerating period
Accelerating frequency fRF
Revolution frequency frev
Harmonic number hRF
Number of bunches Nb
Maximum rf voltage
No. of cavities
Q-value of rf cavity

Value
1567.5 m
3–30 GeV(achieved) 2.66 × 1014
ppp(achieved) 515 kW
2.48 s
1.4 s1.67–1.72 MHz
185–191 kHz
98
320 kV
7 (h=9), 2 (h=18)22

500 kW を越えるビーム強度での安定的な加速にはこれに対する対処が必要となった。ビーム信号解析を用いて CB 振動が顕著であるのが加速ハーモニック
h = 9 の隣接ハーモニック成分である h = 8, 10 の成分であることが判明し、加速空胴のインピーダンスによるビームローディングが原因の一つと考えられた [3]。現在の MR の RF 高周波制御（LLRF）システ
ム [4] では h = 8, 10 の成分に対しては RF フィードフォワード法によるビームローディング補償が行われていたが、470 kW を越えるビーム強度においては補償が不十分である可能性があり、LLRF 制御システムの改良が必要となった。
既存の MR デジタル LLRF 制御システムは VMEモジュールで構成されているが、VME モジュールが開発から 10 年以上経過しており FPGA 等の部品や開発環境の維持が難しい事に加えて、ビームロー
ディング補償の改善や加速空胴の増設への対応など追加すべき機能も多岐にわたるため、既存のシステ
ムの改修ではなく新たな LLRF 制御システムの開発に着手することとした。

2 . MR 次世代 LLRF 制御システム
2.1

次世代 LLRF 制御システムへの要求

MR の次世代 LLRF 制御システムに要求される基本的な機能は以下の通りである。
• 周回周波数パターン生成機能• 加速空胴電圧の位相・振幅の制御• 加速空胴におけるビームローディング補償• 加速空胴電圧信号のベクトル合成• ビームに対する位相フィードバック• RCS 及び MR の他機器とのトリガ信号・参照信号の管理

470 kW を越えるビーム強度ではビーム加速後半 加速空胴電圧の位相・振幅の制御に関しては、J-PARCにバンチ結合 (Coupled Bunch, CB) 振動が観測され、 RCS 次世代 LLRF 制御システム [5] で実績のあるマルチハーモニックベクトルフィードバック制御を∗ yasuyuki.sugiyama@kek.jp
採用し、各ハーモニクス成分での Wake 電圧を電圧- 92 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 1: Block diagram of the LLRF control system.

フィードバック制御によって抑制することとした。
上記の基本的な LLRF 制御機能に加えて、MR 独自の要求として下記する機能が必要となる。次期システムにおいてはビーム信号からオンラインでバンチ結合振動の各モードの振幅を検出し、必要であれば補正のためのフィードバック制御が求められる。MRでは加速用基本波 (h=9) 空胴とバンチ操作用二倍高調波 (h=18) 空胴の二種類の空胴が存在するのでそれぞれ別のハーモニクスへの制御が必要となる。また、
MR では早い繰り返しサイクルの実現によるビーム強度増強のために加速空胴の増設を行っている。これまでの 9 台の加速空胴はすべて MR の同じ直線部に設置されており LLRF 制御システムも 1 ステーションに集約出来たが、2021 年までに別の直線部に加速空胴を 2 台増設したため LLRF ステーションを別の離れた建屋に設置する必要が生じた。空胴電圧制御に関しては各ステーションで個別に行えるが、ビームに対する位相フィードバックなどはステーションをまたいだ信号のやりとりが必要となる。の Rear Transition Module (RTM) から構成されている。
LLRF 制御システムでは制御モジュールの他に、シェルフ管理と通信スイッチを兼ねた MCH(MezzanineCarrier Hub) モジュール、電源モジュール（PM)、クロック生成モジュール (eRTM)、バックプレーン高速通信用の高速シリアル通信モジュールが用いられる。副システムは空胴ドライバモジュールに周波数生成機能を追加して単独で用いる。
図 2 に LLRF 制御システムで用いる制御モジュー
ルの AMC と RTM を示す。開発した LLRF 制御システムでは三菱電機特機システム株式会社が製造した汎用 AMC [6] を用いている。AMC は 8 チャンネ
ル分の ADC と 2 チャンネル分の DAC、高速通信用SFP ポート 2 つ、そして信号処理用の FPGA を備えている。FPGA としては Xilinx 社製 Zynq SoC FPGAを用いており、Zynq の CPU 上で EPICS-IOC を動作させる事で、各モジュール単体での遠隔操作を可能としている。共通機能モジュールと空胴ドライバモ

2.2 次世代 LLRF 制御システムの構成
図 1 に開発した MR 用次世代 LLRF 制御システ
ムの構成を示す。LLRF 制御システムのデザインは
J-PARC RCS 次世代 LLRF 制御システムを参考にしつつ、上記の MR 独自の仕様を追加して開発を行った。次世代 LLRF 制御システムは大型の主システムと小型の副システムから構成され、主システムは既存の 9 台の加速空胴の基本波電圧制御とビームに対するフィードバック、副システムは増設空胴の基本波または二倍高調波の電圧制御を担当する。
次世代 LLRF 制御システムは MicroTCA.4 規格に基づいており、主システムは RF バックプレーン付
きのフルサイズ MTCA.4 シェルフを用い、副システ
ムは数スロット分の小型シェルフを用いる。LLRF 制御システムでは共通機能モジュールと空胴ドライバモジュールの 2 種類の制御モジュールを用いる。これらの制御モジュールは FPGA を搭載した制御用のAMC(Advanced Mezzanine Card) と RF 信号入出力用

Figure 2: Picture of the AMC board and the RTM board forthe developed LLRF control system. [6]- 93 -

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Figure 3: Block diagram for the common function module.

Figure 5: Block diagram for serial data transfer in theLLRF control system.

Figure 4: Block diagram for the cavity driver module.
Figure 6: Picture of the prototype cavity driver module.
ジュールで同種の汎用 AMC を異なるソフトウェアを実装して使い分けている。RTM に関しては共通機能モジュールと空胴ドライバモジュールで入出力信号の種類や数が異なるため、それぞれ個別の三菱電機特機システム製 RTM モジュールを使うこととした。FPGA の動作に必要な 144 MHz クロック信号は
eRTM モジュールで J-PARC 12 MHz メインクロックから生成されて RF バックプレーンを介して各 RTMへと配信され AMC の FPGA へと供給される。
図 3 に共通機能モジュールの概略図を示す。共通機能モジュールは主システム全体で使用する周回周波数信号の DDS(Direct Digital Synthesizer) による生成と、ビーム信号を用いた各モード毎のバンチ結合
振動解析・フィードバック、空胴電圧ベクトル和とビーム信号を用いた位相フィードバックを行う。
図 4 に空胴ドライバモジュールの概略図を示す。
空胴ドライバモジュールでは 1 台で 2 空胴分の電圧制御が可能であり、空胴毎に 8 ハーモニクスの独立電圧制御を行う。ADC でデジタル化された空胴ギャップ電圧信号は IQ 検波を行った後電圧 IQ パターンと比較されベクトルフィードバック制御が行われ、IQ 変調の後に DAC で RF 信号へと変換される。この際、バンチ結合振動フィードバックとビーム位相フィードバックを適用した電圧 IQ パターンが比較に用いられる。検波された各ハーモニック成分の空胴電圧 IQ 信号は高速シリアル通信を通じてベクトル合成にも用いられる。副システムはで上記の機能に加えて単独動作を可能とするために周波数生成機能が実装される。
図 5 に LLRF 制御システムにおける高速シリアル通信の概略図を示す。開発した LLRF 制御システム
では、MTCA バックプレーンや SFP ポート経由でXilinx 社の AURORA をプロトコルに用いて、制御モジュール間の高速シリアル通信を行っている。主システムにおいては MTCA バックプレーンの Port1を高速シリアル通信ポートとして用いることでモジュール間の高速データ通信を行っている。この高速通信は、シェルフに設置出来る 2 台の MCH のうち1 台を専用通信スイッチ（高速シリアル通信モジュール）として用いることで実現される。各空胴ドライバモジュールからの空胴電圧 IQ 信号は MTCA バックプレーン経由で高速シリアル通信モジュールに集められてベクトル合成され共通機能モジュールに送られる。共通機能モジュールからの位相フィードバック信号やバンチ結合振動フィードバック信号は高速シリアル通信モジュールを介して各空胴ドライバモジュールへと配信される。副システムのモジュールに関しては主システムと MTCA バックプレーンを共有しないため、代わりに各モジュールの SFP ポートに光通信モジュールを取り付けて光ファイバでの高速シリアル通信を行う。主システム内では基本波の信号を通信するのに対し、副システムにおいては空胴の役割によって基本波と二倍高調波のいずれかを主システムとやりとりする事になる。基本波用の副システムの場合は高速シリアル通信モジュールと直接光通信することで主システムでの基本波のベクトル合成に参加する。二倍高調波用の副システムの場
合は直接共通機能モジュールと光通信を行って二倍- 94 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 7: Comparison of the wake voltage in single RF cavity with the beam power of 480 kW.

Figure 8: The mountain plot for the fast extraction in the J-PARC MR with the beam power of 480 kW (Left: with RF
feedforward method for h=8.10. Right:Voltage vector feedback for h=8,10. ).

高調波用信号の送信と位相フィードバック・バンチ
結合振動フィードバック信号の受信を行う。の比較を示す。フィードフォワード補償の場合には時間が経つにつれて振動が増大するのに対し、電圧フィードバック制御の場合には振動がよく抑えられていることが分かる。大強度でのバンチ結合振動抑
3 . 空胴電圧制御による CB 振動抑制制が確認出来たため、空胴ドライバモジュール試作
新たな LLRF 制御システム全体の開発に先立ち、 機は利用運転に導入されて 2020 年以降の MR にお空胴ドライバモジュールの試作機を開発してビーム ける 500 kW を越えるビーム運転の実現に貢献するローディング補償の改善と CB 振動抑制の効果を確 こととなった。
認することとした。図 6 に空胴ドライバモジュールの試作機を使った空胴電圧制御試験装置の写真を示 4 . 次世代 LLRF 制御システムの導入状況す。空胴電圧制御試験装置は小型シェルフに空胴ドとビーム試験結果ライバモジュールのプロトタイプモジュールを一組搭載しており、単体で周波数パターンの生成と 2 空2019 年度のビーム試験の結果を受けて、次世代胴の電圧制御が行える。2019 年夏に空胴電圧制御試 LLRF 制御システム全体の開発と製作を 2020 年度に験装置 4 台を MR にインストールして 8 台分の空胴 行った。図 9 に完成した MR 用次世代 LLRF 制御シの空胴電圧制御のビームを用いた試験を行った。こ ステム（主システム）の写真を示す。主システムにの際、加速に直接関わる h=9 の電圧成分の制御は現 は空胴ドライバモジュールが 5 台設置されており現行の LLRF 制御システムで行い、h=8,10 の成分の電 行の基本波用空洞 9 台分の制御がこのシステムで行圧フィードバック制御を空胴ドライバモジュール試 えるようになっている。副システムに関しては、図作機で行うこととした。
6 に示した試作機のモジュールのハードウェアに対
図 7 にビームローディング補償の手法の違いによ してソフトウェアを入れ替えて使用した。
る加速空胴 1 台辺りの Wake 電圧の比較を示す。空胴完成したシステムは MR の 2021 年夏から 2022 年
電圧のベクトルフィードバック制御によって Wake 6 月までの長期シャットダウン期間中にインストー
電圧が 0.1 kV 以下に抑えられていることが分かる。 ルされ、2022 年 6 月末からビームを用いた動作試験
図 8 にビーム強度 480 kW におけるビームローディ を実施した。加速試験は夏以降に行うこととし、今ング補償の手法の違いによるマウンテンプロット 回は新システムで大強度ビームが安定に入射・周回- 95 -

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Figure 9: The photo of the developed LLRF control system. (Left: AMC side. Right: RTM side. )Figure 10: The mountain plot with the beam power of 2.4 × 1014 ppp. (Left: During injection period for 2 bunches.
Right: Injection and circulation of 8 bunches. ).

出来るかの確認を行った。図 10 に、MR に入射した ドバックゲイン調整等を行う予定である。
ビーム強度 2.4 × 1014 ppp. の陽子ビームのマウンテンプロットを示す。この際、基本波は空胴 8 台を用い
参考文献て h=9 の合計電圧は 155 kV とし h=6∼12 の成分に対 [1] T. Koseki et al., “Beam commissioning and operation of the
して電圧フィードバックを行い、二倍高調波は空胴 2J-PARC main ring synchrotron,” Prog. Theor. Exp. Phys., vol.
台を用いて h=18 の合計電圧 110 kV とし h=15∼21 の2012, no. 1, p. 2B004, 2012.
成分に対して電圧フィードバックを行った。大強度 [2] S. Igarashi et al., “Accelerator design for 1.3-MW beam
ビームが安定に入射・周回出来ていることが分かる。
power operation of the J-PARC Main Ring,” Prog. Theor.

5.

まとめJ-PARC MR における 2.48 秒サイクルでのビーム
強度 500 kW を越える大強度運転と 1.36 秒サイクルでの空胴増設を伴う大強度ビーム加速を実現するた
めに、MR の RF 加速空胴のための次世代 LLRF 制御システムの開発を行った。空胴電圧制御試験装置の試作機は 2019 年に MR にインストールされて CB 振動の抑制に効果を発揮し、2020 年以降のビーム強度500 kW を越える大強度利用運転に貢献した。次世代 LLRF 制御システムの製作は 2020 年度に完了し、2021 年に MR へとインストールされた。2022 年 6，7月に行われたビーム試験において RCS からの 3 GeV陽子ビームを安定に入射・周回出来ることが確認出来た。今後は、秋以降の加速試験においてビーム位相フィードバックの調整や高繰り返しサイクル下での大強度ビームの安定加速に向けた空胴電圧フィー

Exp. Phys., vol. 2021, no. 3, pp. 33–34, mar 2021.
[3] Y. Sugiyama et al., “Measurement of the Longitudinal Coupled Bunch Instabilities in the J-PARC Main Ring,” in Proc.
Int. Beam Instrum. Conf. 2017, 2017, pp. 225–228.
[4] F. Tamura et al., “Multiharmonic rf feedforward system forcompensation of beam loading and periodic transient effects
in magnetic-alloy cavities of a proton synchrotron,” Phys.
Rev. Spec. Top. - Accel. Beams, vol. 16, no. 5, p. 051002, may
2013.
[5] F. Tamura et al., “Commissioning of the next-generation
LLRF control system for the Rapid Cycling Synchrotron ofthe Japan Proton Accelerator Research Complex,” Nucl. Inst.
Meth. Phys. Res. Sect. A, vol. 999, p. 165211, may 2021.
[6] M. Ryoshi et al., “MTCA.4 FPGA(Zynq) A/D·D/A board,”in Proc. 12th Annu. Meet. Part. Accel. Soc. Japan, Tsuruga,
2015, pp. 818–822.

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