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

PASJ2022 WEP022

LIPAc Phase-B+コミッショニングでのビーム位置位相モニタの現状とビーム試験
BEAM TEST AND STATUS OF BEAM POSITION AND PHASE MONITOR IN THE
LIPAc PHASE-B+ COMMISSIONING
廣澤航輝#, A), 権セロム A), ポダデラ イバン B), カリン ヤン C), モラレス ベガ フアン カルロス D)
Kouki Hirosawa#, A), Saerom KwonA), Ivan PodaderaB), Yann CarinC), Juan Carlos Morales VegaD)A)
National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), Japan
B)
Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), SpainC)
Fusion for Energy (F4E), Germany
D)
Universidad de Granada (UGR), Spain

Abstract
Linear IFMIF Prototype Accelerator (LIPAc) is a hadron LINAC developed and operated under the EU-JA
collaboration, for validating technologies to accelerate a 9 MeV deuteron beam at CW, and high beam current (125 mA).
LIPAc is presently in the commissioning phase namely B+, where the beam line is fully constructed by replacing thesuperconducting LINAC section between medium and high energy beam transport lines with an intermediate transportline for 5 MeV deuteron beam from RFQ. To compare different measurement method non-interceptive and alsointerceptive diagnostics, it is important to operate them at low duty cycle. Also, changes in beam properties can be traced
by comparing the BPM data. Phase-B+ operation is useful to validate the beam transport codes, by using BPM
measurement. This report presents the progress of the BPM with the results of the low duty cycle stage of Phase-B+ in
2021, and about the studies related to RF noise floor of the BPM signals.
位相モニタ（Beam Position and Phase Monitor: BPM）の
1. イントロダクション
位置を示す。この段階では定格電流（125mA）の 15%程
Linear IFMIF Prototype Accelerator (LIPAc)は、核融 度、ビームエネルギー2.5 MeV の陽子または 5MeV の重合炉材料試験を目的とした国際核融合材料照射施設（Ｉ 陽子を用い低エネルギー高強度による、空間電荷力がＦＭＩＦ）の加速器部分の低エネルギー領域の検証を行う 非常に強い領域のビームダイナミクスや、ビーム診断シための試験加速器である。IFMIF 加速器は 40 MeV の ステムの検証、SRF ライナックを除いた機器の稼働試験
重陽子を 125 mA-CW を 2 レーン配備し運用する設計だ を行う。
LIPAc の目標を達成するには、125mA-CW ビームを、が、LIPAc ではその内イオン源から 9 MeV までの加速を
SRF
ライナックを含めたビームラインでほぼ無損失で含む部分についてスタディを行っている。入射器（イオンビームダンプまで導く必要がある。そのため、Phase-B+に源+低エネルギービーム輸送路: LEBT）を 100 keV で出力し、100 keV から 5 MeV までの加速は RFQ 空洞が、5 おいては、TraceWin[2]等のビームシミュレーションコード
MeV から 9 MeV への加速は超伝導高周波加速ライナッ を駆使し、SRF ライナック入射アクセプタンスが実現可能
ク（Super-conducting RF、SRF）が担う。IFMIF 加速器は である事と、5 MeV 領域での電磁石の調整による無損失
5 - 40 MeV の加速に複数台の SRF が使用されている[1]。 ビーム輸送の可能性を示さなければならない。これを実
現在、コミッショニングフェーズは Phase-B+と呼ばれ、 現するためには、ビーム診断系の精度と信頼性の向上
デザイン大強度用ビームダンプまでの全てのビームライ が不可欠である。特に、目標に近づきビーム強度が著しンを組み終え た。SRF ラ イ ナックをビー ム輸送ラ イン く上がると、非接触方式の測定系のみが頼みの綱である。
LIPAc には様々な診断機器が実装されている[3]が、（MEBT Extension Line、MEL）に置き換えた構成で試験本発表で報告する
BPM は、ほぼ全てのコミッショニングを行っている。Phase-B+の第一段階としては 2021 年 7 月
条件で使用可能な唯一のモニタである。
に最初のビーム試験、12 月に 2 回目のビーム試験を実施した。Figure 1 に Phase-B+ LIPAc の構成とビーム位置
MEBT
BPMs
MBP01-04

MEL
BPMs

DPlateBPMs
DBP01-03

HEBT BPMs
HBP01-05

MEL
2 Quads+2 Quads

入射器(Injector)
100keV output

RFQ
5MeV output

MEBT
3 Quads+Buncher#1+
2 Quads+Buncher#2

HEBT
3 Quads+DPlate+
2 Quads+Bend+3 Quads

Figure 1: Configuration of LIPAc Phase-B+ commissioning and installed BPM positions.
___________________________________________# hirosawa.koki@qst.go.jp- 569 -Beam
Dump

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マルチワイヤモニタは、ビームに直接接触してビームサ WR から 10MHz 信号を取得するよう変更した。
イズを測定できるが、高デューティーで使用することはできない。スリットとファラデーカップでスキャン測定することも、同様の理由で困難である。残留ガス方式のモニタは逆に高強度でなければ十分な精度が確保できない。各
モニタそれぞれに長所がある一方で、使用領域に制限があるが、BPM はバンチングが十分であれば、低強度低デューティーから、125 mA-CW まで同条件で測定が可能である。また、ビーム重心情報の精度が非常に高い。
visibility 劣化原因の Bunch lengthening も、ビームシミュ
レーションとの比較により、測定試験として有意義である。

2.

LIPAc BPM の構成

現在運用している BPM は全て CIEMAT により開発された[4]。デザインレポート[5]によると、ビーム物理からの要求で Table 1 を満たすように設計、製作されている。
BPM の検出部は Capacitive タイプと one end shorted
stripline の二種類があり、Capacitive type は超伝導クライ
オモジュール、stripline type はその他すべてのＢＰＭに配備されている。MEBT/D-plate の BPM は以前に実施した Phase-B 試験にて実証がなされた[6]。
Phase-B+では、新たにインストールされた MEL/HEBTの BPM について Phase-B と同様の試験を行い、どの程度実機の環境で実現可能なのか、あるいは更なる向上が見込めるのかという試験を行うことが焦点となる。

Table 1: Target Parameter of LIPAc BPMs[7]Parameter

Value
Beam Parameter
Beam Energy
5 MeV-9 MeV
Beam Current
125 mARF pulse width
100µs – CW
Duty cycle
0.1% - 100%
BPM requirement
Position resolution
10µm
Position Accuracy
100µm
Phase resolution
0.3 deg.
Phase precision
2 deg.
Electronics requirement
Max input power
22 dBmRequired dynamic range
50 dB

Figure 2: Schematic of synchronization among LLRF,
beam, and BPMs.
BPM の信号処理部は、Analog Frond End（AFE）とDigitizer に分かれている。AFE は Digitizer から提供される 150MHz/325MHz の信号を用いて、基本モードと 2 倍モードの信号を一律 25MHz にダウンコンバートする。そうして生成された IF 信号にバンドパスフィルタを掛け、16bit-125MS/s の ADC で IQ サンプリングを行う。最終的に、IQ コンバータが得るデータは、I/Q 各 25MS/s である。
FPGA 評価ボードは、Virtex6 を用いており、IQ raw dataの平均処理、Amp/Phase への変換、位置・電流値、平均化位相導出までを FPGA で実行する。現在実装している
位置・電流値導出式は、以下の Eq. (1)、Eq. (2)、Eq. (3)であり、係数とオフセットはビーム試験中に CIEMAT のテストベンチで得た値を再確認し、Beam based alignment(位置)、Current transformer と Re-buncher 空洞(電流)等を用いて決定する。

𝑈

𝑈
+𝑈

−𝑈
+𝑈

+𝑈

𝑈

𝑈
+𝑈

−𝑈
+𝑈

+𝑈

𝐼 = 𝑘 (𝑈

+𝑈

+𝑈

+𝑈

𝑥= 𝑘

𝑦= 𝑘

LIPAc の BPM は Time of Flight 法でエネルギー測定する目的もあるため、ビーム位相測定が非常に重要である。このバンチング構造を介した BPM 間の相対位相を正確に測定するため、White Rabbit システム（WR）を用
いて LLRF と同期するデザインを採用[8,9]している。
Figure 2 に LLRF-BPM 間の同期構造を示す。10MHz のMaster oscillator（MO）から信号を受け取った WR は、
LLRF と BPM に optical cable を介して同列に支配下に置く。各モジュール間の同期条件は各子システム内部のWR 同期回路内で監視されており、同期が外れた場合
は再同期のプロセスを実行する。従来キャリブレーション
用信号は、10MHz の MO から直接取得する仕様になっていたが、現在は WR との上下関係を徹底するため、

+𝑥

(1)

+𝑦

(2)

)+𝐼

(3)

各モニタ値は 40kS/s で常時出力されるが、それとは別に、最大 100MS/s で、サンプルデータの出力を行う Raw
data logger（RDL）の機能が実装されている。RDL は
DDR にサンプルデータを吐き出し、そこからファイルに書き込んでいく仕様であるため、蓄積データ長は決まっており、チャンネル・変数の分だけ解像度も低下する。最高解像度のデータは 4 チャンネル分、25MS/s のデータであり、40ns より大きな変位は補足できる可能性がある。
FPGA ボードとの通信は、EPICS IOC のネイティブな実装で行われており、中間に異なる制御ソフトウェアを挟まない。Phase-B+の最初のビーム試験では、EPICS IOC
が PV gateway を介さず直接 LIPAc グローバルネットワー
クと通信していたために、全システム稼働時に負荷が跳- 570 -

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PASJ2022 WEP022と Horizontal の位置を測定し、意図した方向へ確かに移動していることを確認し、BPM の配線状況と位置導出機
能の確認を行った。
振幅 と位相の 測定を行 うに あたって、Stage-1 では
BPM に発生したハードウェアの問題で、位相が測定できなかった。後に、Clock 信号生成用のボードが破損し、正しく WR と同期した信号が送られていなかったことが判明
3. Phase-B+ビーム試験での測定した。この破損状況においては、ダウンコンバートを行っ
前段階 Phase-B のビーム試験における BPM 測定に ている信号が振動していただけで、IQ Demodulation 用のクロック等に異常はなかったため、Amplitude にはあるて、いくつかのパラメータが評価されている。このとき程度の安定性があった。一方、位相に関しては IF 信号
MEBT 直後に置いた D-plate の BPM で 3BPM 法によりの位相が WR クロックからズレていたために、それに伴っ導出された BPM 位置解像度は~45µm であった[10]。
た振動が表れてしまった。WR 同期回路は正常に働いて
RFQ ベーン電圧をスキャンして行ったエネルギー測定で いたために、WR 自己診断系では異常を検知しなかった
は、統計的に 5keV より細かいエネルギー解像度が得ら と考えられる。全チャンネル揃って 85°程度振動していれている [11]。バンチャー電圧のスキャンによってバンチ たが、今までのビーム試験結果[6, 10, 11]、および製造長が大きく圧縮された結果が確認された[6, 10]。これらの 後の受け入れ試験では 2ps 以下のジッタに抑えられてい結果を参考に、同様の試験と性能向上に向けたスタディ たため高々0.126°程度のずれであるはずで、明らかに異常であった。後に、クロックに RF ジェネレータを用いたを進めていく予定である。
Phase-B+では、BD までのビームライン上に Fig. 1 に 試験で位相の安定を確認し、BPM 本体機能に異常はな
示す位置に BPM を置き、ビームダイナミクスの試験を行 いこと、かつ Average Gate 機能の正常な実装を確認した。
う。最初の段階は、Phase-B にて確認できた BPM の性能 Figure 3 に、一時的な解として RF ジェネレータ信号によが十分に再現できているということの確認である。ただし、 るダウンコンバートを用いた測定結果を示す。上図はBPM の RDL データ、下図は Average Gate 機能を使用
D-plate の位置が大きく異なるので、位置解像度の導出した測定である。後に議論するノイズの影響はあるが、結果に差が出る可能性はある。
ビームのパルス長だけ検出強度が上がり、位相がより安2021 年に行われた Phase-B+試験初期段階（Stage-1 と 定していることが分かる。比較的安定している後半部の呼称）における BPM の目標は、Phase-B からのいくつか Averaging 結果は、0.3°以下の位相不確かさに抑えらのアップデートを含め、次にあげる項目を想定した。
れている。次の試験では、完全な BPM を用いて更にス
 全 BPM の稼働と Averaging/Gating 機能の確認
タディを続ける。
 20mA, 低 Duty における Visibility の確認 バンチャー空洞の bunch length 圧搾効果の確認
 ビーム電流の測定を CW で可能か考察
これら目標は、Phase-B+の Stage-1 及びそれに続く試験で High Current/High Duty に進む前に達成すべきとして掲げたものである。またこれまで MEBT と D-plate に於
いては検証されている性能に、バンチ長が伸びてなお維持、あるいは肉薄できるかという数値的な評価も目標とした。本報告では、最初のビーム試験でどの程度達成できたかを、データと共に報告する。ビーム試験パラメータは Table 2 にまとめた。
ね上がり、システムがダウンするという問題があった。
EPICS IOC が落ちたために、BPM 機能全体が使えなくなってしまった。制御系が単体で閉じていない場合のデメリットが表れた状況であったが、問題点を逐次洗い出して対応した結果、現在は高負荷試験でも安定して稼働している。

Table 2: List of Values for Beam Experiment in the
Phase-B+ Stage-1
Parameters
Particle Species
Peak Current
Beam Energy
Pulse Length
Pulse repetition
Re-buncher cavity

ValuesD+ (H+ for test)
20 mA (10 mA)
5 MeV (2.5 MeV)
60 μs − 100 μs or 1.5ms
1 Hz#01, 200 kV max

Figure 3: MEBT-BPM01 raw data using RF generator
signal as the clock board signal of 175MHz, without(upper) and with (lower) averaging for 18 µs from 40 µs
after beam chopper.
3.2

ビーム重心測定結果

ビーム測定結果には、バンチ構造が十分生存している領域では、位置の導出が可能な程度には測定出来た
3.1 BPM システムの稼働状況
一方で、その他の領域では S/N 比によって測定精度が[12]
BPM の健全性及びビーム移動への応答性の確認は、 抑えられてしまった係数等は、ワイヤーテストによる値
ステアリング磁石を使用して、最初に試行した。Vertical を初期値として採用した。パルス内の平均位置を追いか- 571 -

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けると、インジェクターの ECR オンオフで、ビームのTransverse 挙動が大きく変化することが分かった。Figure
4 に運転の configuration を全く変えずに入射器を立ち上げなおした前後のデータ（MEL-BPM01 を用いて取得）を示す。前後を比較するとパルス内で奇妙な振動が発生していることが見えた。後に、パルス内の振動はマル
チワイヤモニタの結果とクロスチェックを実施し、整合性を確認している。横方向のビーム重心は、比較的安定している領域であっても、ズレていることが見えた。これら測定は、RF パラメータや電磁石パラメータを一切変えずに測定したものであるため。イオン源の状態変動に起因するものだと考えられる。今後、Injector のパラメータに関しては、更なるスタディを行う。

3.3

修理後の位相測定テストとその精度向上の考察

システムを修理し Clock 信号が安定した後に、次の試験に備えて Time of Flight 法の位相測定テストを行った。
現在、Phase-B からのアップデートとして EPICS の値を用いてモニタする機能が実装されている。テストベンチと解析の結果、この方法では安定なビームに対してのみしか精度が見込めないことが判明した。同時に、位相誤差の導出と統計処理の順序を見直すことで改善がみられた。
Time of Flight 法は、BPM にて測定したΔ𝜑を、次の Eq.
(4) - Eq. (6)に適用し導出する。誤差は、Eq. (7)から見積もることが出来る。ただし今回は、BPM 間の長さ L に対する誤差は考えていない。
1
Δ𝜑
𝑡 =
𝑁−
(4)
𝑓
2𝜋
𝛽=

𝐸 =𝑚 𝑐Figure 4: BPM-measured transverse position for beampulses before (blue) and after (orange) a short injector
stop without any configuration change.
Re-Buncher 空洞#1 を 200kV で駆動した場合のピーク
電流の増大をテストした。試験時間の都合で、Phase-Bの時のような電圧スキャンは出来なかったが Fig. 5 に、
MEL-BPM02 の各電極チャンネルの検出振幅を ReBuncher 空洞オンオフでの 175MHz ピーク電流の増加を比較した。Re-Buncher 空洞を離調した状態（＝オフ）では、ノイズと同等のレベルであったものが、200kV の結果
では明確に強度が上がりノイズフロアから十分大きな信号が取得できていると分かる。縦方向のビームパルス直
後に、半分程度の強度のノイズが乗っており、これは
Gating 等で取り除ける可能性がある。また、バンチング位
相探査のために、LLRF の位相を 268°-272°スキャン
したが有意な差は得られなかった。次は更にスキャン範囲を広げて位相の最適化を行う。

𝐿
𝑡

(5)

⋅𝑐
1
1−𝛽

−1

(6)

𝛿(Δ𝜑)
2𝜋
(7)
+
Δ𝜑
𝑁+
2𝜋
真の値に近づけるために、この計算で用いるΔ𝜑をどう得るかを現システム上で考えてみる。RF ジェネレータから、BPM 模擬信号を出力し Raw data を用いてデータをとる。そのデータに対して位相差導出の前後で平均をとって比較し、Raw data による解析の優位性を評価する。
Figure 6 は先に平均をとったものと電極間の位相差をサンプルごとに導出した後に平均したものの誤差分布である。横軸 0 の点が平均である。事前に各電極で位相の平均をとったものは、最頻値と平均の間にズレが確認できる。一方、先に位相差を導出したものは、平均と最頻値が一致し、サンプル数を稼ぐことでフィッティングのアン
バランスも小さくより正確にピーク検出ができる。
d𝐸= 𝛾(𝛾 + 1)
𝐸

𝑑𝐿
𝐿

Figure 6: Distributions for errors from average ofmeasured phases applied before (left) and after (right)
calculating relative phase.
Figure 5: Comparison of the MEL-BPM02 detecting
signals between before and after Re-Buncher cavity
resonated at 200 kV of the bunching phase.

上記処理順序の違いを便宜上、pre-averaging と postaveraging と呼ぶ。CSS OPI に表示している位相値はEPICS PV 値であり 40kS/s の値は、FIR フィルタ後の値である。すなわち、短時間ながらも平均処理を事前に行- 572 -

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い、 pre-averaging と同等のプロセスを踏む。Raw data を用いて、Δ𝜑を先に計算することで、システムの長周期の揺らぎを消すことができ、エネルギー測定精度の向上が期待できる。Table 3 に、従来手法による BPM システム
由来の測定誤差と、改良手法の測定誤差を比較する。

ムであると考えられる。常に確認できる信号は、RF のタイ
ミングに酷似しており、基本モードが 175MHz であることから、これが原因である可能性が疑われる。この RF の侵
入経路については調査中である。

4.

まとめと今後の予定

Table 3: Comparison Between Different Averaging
Phases Before and After Relative Phase Calculation

Phase-B+ Stage-1 では、問題の発生で目標が未達成になったものの、BPM の一部アップデート機能、Gating サ
Combination
Pre-avg. [MeV]
Post-avg. [MeV]
ンプリング/Averaging 機能、Intra-pulse 挙動の測定、バMBP01 - MBP02 < 1.511 × 10
< 2.518 × 10
ンチャーによる visibility の向上は検証できた。しかし、正MBP01 - MBP03 < 7.531 × 10
< 1.255 × 10
確な位置の導出等、MEBT における Phase-B 試験結果
MBP01 - MBP04 < 6.253 × 10
< 1.042 × 10を再現するためには、RF ノイズへの対策が必須であるこ
MBP02 - MBP03 < 1.501 × 10
< 2.502 × 10とが判明した。修理の後再度テストベンチで測定を行い、MBP02 - MBP04 < 1.067 × 10
< 1.778 × 10
十分な解像度が得られていることを確認した。
MBP03 - MBP04 < 3.686 × 10
< 6.143 × 10
次の Phase-B+ビーム試運転では、ビーム重心の正確な測定を完全な BPM システムでリベンジすること、Time
3.4 RF ノイズの問題
of Flight 法による RFQ 空洞出口でのビームエネルギー
BPM の Raw data に潜む謎のフロア上昇の起因が RF 測定と、Re-buncher 空洞の位相チューニングを計画してノイズであることは、ファラデーカップによるビームストップ いる。Re-buncher 空洞はビームライン上に 2 台あり、まだ時に、ファラデーカップを取り除いた前後の BPM データ まだスタディの面白みを秘めている。
と RFQ 空洞電圧を測ったデータ比較することで見えた。
次段階 Phase-C における BPM 関連タスクは Phase-C
よく見る RF の反射らしきピークや、時定数が類似してい の象徴的な、Cryomodule に関連したタスクを追求したい。
ることから、RF 源からのノイズが最有力候補となっている。
例えば、Cryomodule 入口での入射条件を監視、9MeV
Figure 7 は、HEBT-BPM04/05（ファラデーカップ以降、
SRF re-bunched beam の位置を測定、Cryomodule BPM
ビームダンプ直前）の Raw data、RFQ 空洞電圧を示す。
の稼働試験、超伝導ライナックでのエネルギー利得を測定、等があげられる。なので、それを実行するに十分なス
タディを続く Phase-B+の BPM 試験で進めていきたい。

参考文献

Figure 7: HEBT-BPM05 (first half 4 lines in thelegend)/05(later half 4 lines in the legend) with FC beam
stopper (top), without FC (middle), and typical RFQ
cavity voltage in beam operation (bottom).
この時、ビームダンプの放射線モニタは有意に反応しなかった。ビームダンプに測定可能なビームが達していな
かったにも拘らず、ビームのゲートオン付近で 175MHzの 信号が 明確に 見え ている。この 時のビー ム電流 は20mA、パルス長は 100µs、LLRF の立ち上がり時間は35µs であった。ファラデーカップの無いときは、明らかにノイズのような信号が混じっているため、このノイズがビー[1] Keitaro Kondo et al., “Validation of the Linear IFMIF
Prototype Accelerator (LIPAc) in Rokkasho”, Fusion
Engineering and Design, Volume 153, 2020.
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Commissioning”, talk slide of the IBIC2019, 2019.
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2015.
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[9] BPMs_Digitizers_UserManual (Internal).
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POSITION AND PHASE MONITORS FOR LIPAc”, Proc.
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[12] Ivan Podadera et al., “COMMISIONING OF BEAM
POSITION AND PHASE MONITORS FOR LIPAc”, Procof the IBIC, 2016.

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