WEOB07

01/16

J-PARC MR
次世代LLRF制御システム
J-PARC杉山泰之,田村 文彦,吉井正人, 大森千広, 長谷川 豪志 ,原 圭吾,
山本 昌亘, 野村 昌弘, 沖田 英史 ,島田 太平

第19回日本加速器学会年会
2022年10月19日(水)J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex)•02/16

陽子ビームをLINAC、RCS、MRを組み合わせて30GeVまで加速•

MRの取り出しサイクル：速い取出し2.48s(FX),遅い取出し5.20s(SX)•

ニュートリノ実験へ2.66x1014個の陽子を2.48秒繰返しで取出し: 最大515kW

RCS

ハドロン

p: 3GeV
25Hz

実験(K,π)
FX

MLF
(µ,n)

LINAC

SX

H-:400MeV
25Hz

MR
ニュートリノ実験(ν)

p:30GeV
1/2.48s(FX)
1/5.20s(SX)03/16

J-PARC MR RF加速システム•

10台の金属磁性体空胴で陽子を30GeVまで加速

Energy3~30GeV

加速周波数1.671‒1.721MHz

周回周波数frev

186~191kHz•

8台で加速、2台で二倍高調波でのバンチ整形•

金属磁性体としてファインメットのコアを採用 加速ハーモニック数
空胴Q値〜22で周辺ハーモニクス無視できず
バンチ数→ビームローディング補償が必須•

2021年までは直線部Cに加速空胴9台
2021〜2022年に直線部Aに2台追加。
•98

最大電圧

310kV(加速用)
110kV(2倍高調波)

シンクロトロン
周波数: fs

400Hz(加速開始)~30Hz(取り出し前)

直線部Aの電源棟にも制御システムが必要に。

MRのRF空胴

直線部C
FX

MR
直線部A

SX

加速空胴のインピーダンス

04/16MRのビーム強度向上への課題：バンチ縦方向振動•

ビーム強度増加に伴い450kW以上で各バンチの縦方向振動が増大•

振動が大きくなりすぎると加速RFバケツから粒子がこぼれてリング内にロス発生。

•

バンチの縦方向振動が強度向上の妨げとなっていた。

•

以下の観点からインピーダンスによって起こるバンチ結合振動の可能性を疑った•

強度が増えると顕著になる→ウェイク電圧の強度依存（インピーダンスの影響）を示唆•

各バンチの振動位相や振幅が異なる→バンチ結合振動の振動モードの存在を示唆

480kW
(FX)
での縦方向振動各バンチで振動の振幅や位相がバラバラ

バンチ結合振動解析

第14回加速器学会年会(2017)で報告•

バンチ中心振動 モード振幅時間変化

各バンチ中心の振動解析から、モードn=8のバンチ結合振動と同定•

ビーム信号スペクトラムもバンチ結合振動
モードn=8に相当するサイドバンドで振動大•

加速周波数(h=9)の隣接ハーモニクス(h=8,10)→空胴インピーダンス？
ビーム信号周波数サイドバンド解析
各LSB( hfrev -fs)の振幅時間変化

05/16

各USB( hfrev +fs)の振幅時間変化

Serious issue: longitudinal oscillation during

The oscillation is:
LLRFの改善点：ビームローディング補償•06/16

現在のMRのLow-level RF(LLRF)システムではビームローディング補償にIntensity
dependent
フィードフォワード法を使用
Seems to be related to error of feedforward•

ビーム信号に含まれるハーモニック成分から補償信号を生成して空胴へ供給•

大強度ビームでは真空管アンプの非線形性からウェイク電圧補償が不十分となり、

During FF commissioning we sometimes observ

Coupled bunch motion?

バンチ結合振動を生んでいる可能性。
••

If the cavity impedance seen by the beam is the s
フィードフォワード法に変わるビームローディング補償が必要となった。
oscillations, further FF ne tuning is not easy.

2019年から次期LLRFシステムの開発に着手。
既存のフィードフォワード法でのMR空胴電圧成分

FeedForward ADCsystem
Beam信号

ハーモニックゲイン成分検出

位相調整

DAC

h=9の加速電圧は安定

FPGA

半導体アンプ真空管アンプBeam

壁電流モニタ加速
空胴h=10のウェイク電圧が抑制が不十分

07/16

次期LLRFの特色：MTCA規格の採用••

J-PARCシンクロトロン(RCS/MR)は建設期からVME規格のLLRFシステムを採用•

FPGAが古く、実装できる機能に制限、部品枯渇・開発環境継続困難•

ケーブル経由の高速データ通信。複数ラックにまたがるシステム

各国の最新LLRFを参考にして次期システムはMicroTCA.4(MTCA.4)規格を採用•

加速に必要な全機能が1シェルフに収まる•

バックプレーンによる高速データ通信

前面：制御側背面：入出力側

現在のMR LLRF（VME）

MTCA規格のLLRF

次期LLRFの特色：空胴電圧フィードバック•

Feedbacksystem

RCSが2019年に次期LLRFに置換••

ハーモ

MTCA.4規格ベース
ADC

空胴電圧の8ハーモニック成分に対する•

ニック
IQ
検波

FeedbackによるIQベクトル電圧制御•08/16

F
Bニック

DAC

変調

空胴電圧

周辺ハーモニック成分を大幅に抑制

ハーモFPGA

モニタ

MRでも同じ手法を導入して改善を期待。
加速空胴Beam

空胴電圧フィードバックでのRCS空胴電圧

既存のフィードフォワード法でのRCS空胴電圧

FB ON for h=1~8h=2は加速にRCS

使用
h=4は5ms

1MW相当

まで使用

でのビーム

他のハーモニクスが試験結果

抑制不十分

JAEA
田村氏
提供

FB ON
for h=1~8(Zoom)

09/16

プロトタイプ機での空胴電圧フィードバック試験•MRの次期LLRFシステム全体の更新に先立ち、空胴電圧FBのプロトタイプ機を2019年に試験•

H=8,10のウェイク電圧に対する制御試験•

ウェイク電圧の大幅な抑制に成功
Detected Cavity Voltage(Single Cavity)@MR 480kW

9空胴電圧フィードバックによるバンチ結合振動抑制•h=8,10に対する空胴電圧フィードバックによりバンチ結合振動が大幅に抑制•500kWを越えても大きな振動無くビーム加速に成功
•

10/16

2020年1月以降における500kWを越える強度での利用運転に貢献

with FF

480kWでのバンチ結合振動

500kWでのバンチ振動(FB: h=8,10)

with FB10

11/16

MR新LLRFシステム• MTCA.4ベースのLLRFシステム

高速空胴ドライバ

シリアル• 二つの直線部で二つのLLRFシステム

通信モジュール• 基本波空胴＠直線部CはMTCAフルサ
イズシェルフのメインシステム• 二倍高調波空胴＠直線部AはFront view

小型のサブシステム

共通機能
モジュール

• LLRFシステム間は光ファイバ接続して空胴ドライバ

データ通信• 主な構成モジュール：
三菱電機特機システム製MTCAモジュール• 共通機能モジュール

共通機能
モジュール

• 空胴ドライバモジュール• 高速シリアル通信モジュール• 2020年に設計開始、2021年に納入。
• 2022年度に旧LLRFシステムから完全入替を実施し6月からビーム調整開始。

SubLLRF system

Rear view12/16LLRFモジュールの機能Ca it Voltage
Vector SUM• 共通機能モジュール

FeedbackPhase

P a e FB

• システム全体で使う周波数パターンをDDSで生成してMTCAのバックプレーン経由で分配

BeamSignal

Ba eba d
De d.

ADCharmonicn mberRe
F e . Pa eTrigger
Inp t

S ge
S deba d
De d.

S c
F e . Pa e
CFcid le• 空胴IQベクトル和と比較して位相FB

Re

Fe .
g a

• シンクロトロンサイドバンド検波

Ca it Voltage
IQ signal for
Vector Sum

してバンチ結合振動検知

Feedback blockfor each harmoniccomponent• 空胴ドライバモジュール

Coupled Bunch
FB signal• 8ハーモニクスの空胴電圧IQベクトルFB

P aCa it
GapVoltage

Phase FBSignal

IQ a+• 検波電圧IQ信号をバックプレーン経

Co pledB nch FB
SignalDDSTrigger
O tp t• ビーム信号を検波してビームFB

edc
FB

S nchrotron
freq enc clock

Re ol tion
Freq enc

DDSCB

+M d.
+

Ba ba dIQ Dd.

ADC

FB

M d a

SUM

由で送信してベクトル和計算
harmonicnumber• 1台で2空胴分制御できる。

Ca i

Di ed lere olution
frequenc

12DAC

RF signal

13/16LLRFシステム内のデータ通信• メインシステム• h=9のビーム・空胴電圧信号をMTCAバックプレーン経由で高速シリアル通信。
Ma• 空胴ドライバモジュールからの空胴電圧信号を高速シリアル通信モジュールでベクトル和計算して共通機能モジュールへ送信。

LLRF

MTCA bac

Ca i
Vol age IQCaDd• メインLLRFシステムと光ファイバを介

High-S eed
CSe iald leComm nica ion Vec or S m ofmod le
Ca i Vol age IQ
Vec or S m &Normali a ion

Feedback Pha e(f ndamen al)Fci

Co pled
B nch
FeedbackVec or S m &Normali a ion
Ca iGap
Vol age

RFca iF ndamen al RF s s em

して高速シリアル通信• h=18の空胴電圧・ビームFB信号を共通機能モジュールと直接やりとり
13

Beam
Pick p

BeamSignal
Pha eFeedback(f ndamen al)

Co pledB nch
FeedBack ignal(f ndamen al)• 空胴ベクトル和とビーム信号で位相FB処理し、FB位相をMTCAバックプレーン経由で配布• サブシステム

aSFP

Ca i
Vol age IQ

Feedback
Pha e(2ndCo pledB nch harmonic)
FeedBack ignal(2nd harmonic)

2nd harmonic RF s s em

S b
LLRF
( =18)
RFca i

Ca iGap
Vol age14/162022年6月ビーム試験• 2022年6月試験は3GeVビーム周回試験として、空胴電圧FBの動作確認とビームが安定に入射・周回出来るかを確認した。

• 2.4e14 pppのビームが正しく入射し、大きなバンチ結合振動せずに周回出来た。
• 加速試験は2022年11月を予定。
• これまでよりも早い、1.36秒サイクルでの加速を予定。
Run89 Shot#2575
K1 ~K4 8bunches
Chop width: 456ns
Macro:500µs
Thin:96/128(Power:2.4e14ppp)(FB:P=16,I=64)

15/16空胴電圧FBによる入射バンチの安定化• 基本波空胴:h=6~12, 二倍高調波空胴: h=15~21で空胴電圧をFB制御• 基本波のFB対象ハーモニックをh=6~12まで広げることで入射バンチのバンチ結合振動を大強度ビームで大幅に抑制出来た
基本波をh=8~10のみFB制御

基本波のみ二倍高調波あり

基本波をh=6~12でFB 制御

まとめ•

16/16

J-PARC MRではニュートリノ実験への速い取出し(FX)で515kWを達成し、更なる強度向上に向けてスタディを進めている。

•

バンチの縦方向振動が500kWの強度到達を妨げる一因となっていた。
••

ビーム信号の周波数成分解析はRF空胴のウェイク電圧の影響を示唆。

従来のLLRFのビームローディング補償が不十分となったと判断し、次世代LLRFシステム開発に2019年より着手。
•

2019年にプロトタイプ機をインストールして、ウェイク電圧の抑制およびバンチ結合振動の抑制に成功。
2020年以降の強度500kWを越える利用運転に貢献。

•完成したLLRFシステムは2021年にMRに設置、2022年に置き換え完了。
•

2022年6月末のビーム試験で大強度3GeVビームの安定な周回に成功。

•

11月よりビーム加速試験と利用運転を行う予定。