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レーザープラズマ航跡場入射用
極短パルス線型加速器トリガーシステムの開発
増⽥剛正、 益⽥伸⼀、熊⾕教孝、⼤⽵雄次
⾼輝度光科学研究センター（JASRI）

第20回⽇本加速器学会年会@⽇本⼤学理⼯学部船橋キャンパス
2023年8⽉31⽇

発表内容
nはじめに
nマスタートリガーユニット（MTU）について− 要求− 実装
− 性能

nトリガー信号伝送系とトリガーディレイについて− 要求− RF over White Rabbitについて− システム構成− ジッター性能の評価− トリガー信号伝送系およびディレイ機能の評価

nまとめ

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はじめに
n本線型加速器開発の⽬的︓レーザー航跡場の加速特性の詳細な解明− 確⽴された⾼周波加速技術を⽤いて、安定で再現性の⾼い極短バンチ電⼦ビームを⽣成− 後段のレーザー航跡場の時間空間位相をスキャンしつつ⽣成した電⼦ビームを⼊射し、マッピングを取ることで、レーザー航跡場の詳細を明らかにする− ⽣成する電⼦ビーム︓レーザー航跡場の横⽅向サイズ〜 100 µmよりも⼩さく、縦⽅向サイズ〜10-100 fsよりも短いことが必要− シミュレーションにより、電⼦ビームの横⽅向サイズ<数10 µmに収束し、縦⽅向サイズ<10 fsに圧縮されることを確認した− 航跡場を⽣成する極短パルスレーザーと10 fs以下の精度で同期して⼊射することが必要

MOSC 5712 MHzキャリア信号
SSBノイズレベル− 加速器⾼周波機器とレーザーパルス間の正確なタイミング制御のために、世界最高レベルの低位相ノイズ性能をもつ高周波マスターオシレータ(MOSC)を開発

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3はじめにnトリガーシステム− 加速⾼周波機器やレーザー機器、ビームモニター機器の起動タイミングと繰り返し周期を決める− 起動タイミングに求められる安定度︓数⼗ps (rms)程度（⼀部ビームモニター機器を除く）− 繰り返し周期︓0.1 ~ 30 Hz− マスタートリガーユニット(MTU)、トリガー伝送系、トリガーディレイから構成

10~20MeV~10fs, ~100fc

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4はじめにnトリガーシステム− 加速⾼周波機器やレーザー機器、ビームモニター機器の起動タイミングと繰り返し周期を決める− 起動タイミングに求められる安定度︓数⼗ps (rms)程度（⼀部ビームモニター機器を除く）− 繰り返し周期︓0.1 ~ 30 Hz− マスタートリガーユニット(MTU)、トリガー伝送系、トリガーディレイから構成

n EtherCATから制御可能な独⽴したユニットとして新規開発
n AC100Vと79.3MHzクロックに⼆重同期したトリガー信号を⽣成

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10~20MeV~10fs, ~100fc

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はじめに
nトリガーシステム− 加速⾼周波機器やレーザー機器、ビームモニター機器の起動タイミングと繰り返し周期を決める− 起動タイミングに求められる安定度︓数⼗ps (rms)程度（⼀部ビームモニター機器を除く）− 繰り返し周期︓0.1 ~ 30 Hz− マスタートリガーユニット(MTU)、トリガー伝送系、トリガーディレイから構成

n RF over White Rabbitを適⽤
10~20MeVn 従来の加速器のトリガー伝送は個別設計であったが、より⼀般性~10fs, ~100fcを持たせた光ネットワークを使⽤する⽅策を考えることとした。
この⽅が従来と性能が同等ならコストを低く抑えられる。

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6マスタートリガーユニット（MTU）
n要求− 商⽤電源(AC100V)を基準信号(50 Hz/60 Hz)とし、MOSCからの79.3 MHzクロックと⼆重同期したトリガー信号を出⼒− 商⽤電源の周波数変動による電⼦ビームへの影響を抑えるため− 79.3MHzクロックに対するトリガー信号の時間ジッター︓30 ps(p-p)以内− ⾼い安定度が求められるビームモニター機器を視野に⼊れると、Cバンド加速⾼周波5,712MHzで最終同期を掛ける可能性があり、5,712MHzの1/4波⻑以内に⼗分収まる必要がある。

− 周囲温度の変化によるトリガー出⼒信号のドリフト︓10 ps/K以下（⽬標︓4 ps/K以下）− 基準信号をプログラマブルに分周可能（分周⽐︓1 ~ 600）
− EtherCAT経由で遠隔から制御可能、19インチラックにマウント可能な独⽴したユニット

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7マスタートリガーユニット（MTU）
n実装

タッチパネルn 現場での操作⽤

⾼さ︓5U程度

ペルチェコントローラ（セルシステム社︓TDU-5000AG）

n 10mK以下の精度で制御が可能• トリガー出⼒のドリフトを抑えるため、温度変化が出⼒タイ
ミングの変動に敏感な部分を温調ステージ上に載せて、温度制御を施した
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8マスタートリガーユニット（MTU）
n実装

外部基準信号 (50Hz/60Hz)

79.3 MHzクロック（MOSCから）LVPECL出⼒
x 2 ch100V à 3V

LVTTL出⼒x 2 chEtherCATスレーブモジュール
EtherCAT

AC100V (50Hz/60Hz)
THOA11n R-IN32M3モジュール（ルネサスエレクトロニクス社)• SoCモジュールプロセッサ部のLinuxアプリケー
ションから制御

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9マスタートリガーユニット（MTU）
n性能− MOSCからの79.3MHzクロックに対する時間ジッター︓20.3 ps(p-p) / 3.0 ps(rms)− 測定条件l 基準信号：外部信号（50 Hz sin波 1V）
l 79.3 MHzクロック入力：0 dBm
l 分周比：１、パルス幅：2 µsl 恒温槽温度：25℃、ペルチェ設定温度： 33℃
l オシロスコープ： DSA9130A(Keysight社製)、帯域幅13 GHz− 時間ジッターの⻑時間安定度試験︓0.1 ps (rms) / 8時間− 測定条件l １時間おきに上記時間ジッター計測を行い（10分間程度）、８時間まで繰り返し行なった。
l それ以外は上記と同じ

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10マスタートリガーユニット（MTU）
n性能− 出⼒信号のドリフト︓0.7 ps/K
− 測定条件

恒温槽設定温度
(℃)

周囲温度
(℃)

Histogram平均値(ps)+2019.513-246.661

l 基準信号：外部信号（50 Hz sin波 1V）+2524.602-243.533
l 79.3 MHzクロック入力：0 dBm+3029.582-239.548
l 分周比：１、パルス幅：2 µsl 恒温槽温度を20℃→25℃→30℃と変更。変更後は1時間にわたってエージングした後に測定。
l ペルチェ設定温度： 33℃
l オシロスコープ： DSA9130A(Keysight社製)、帯域幅13 GHzl Histogramの平均値のドリフトを測定

10℃の変化に対して~7 psのドリフト− 以上の結果から、マスタートリガーとして要求された性能を満たしている。

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トリガー信号伝送系とトリガーディレイ
nトリガー伝送系への要求− 必要とされる安定度︓環境温度の変化に対するドリフトを含めて数⼗ps（rms）− クライストロン等の⼤電⼒⾼周波機器の近傍を通るため、それらの機器が引き起こすノイズに対して⼗分な耐性が必要となる。

nトリガーディレイへの要求− 必要とされる安定度︓トリガー伝送系と同様− 遅延時間の設定範囲︓ 0 ~ 10秒以上が必要− 機器の起動の繰り返し周期は0.1 Hz ~ 30 Hzを想定しているため− 遅延時間の設定分解能︓レーザーパルスの79.3 MHzを同定できる12.6 ns以下

→ トリガー信号伝送系とトリガーディレイの実装にRF over White Rabbit（RFoWR）を適⽤− Direct Digital Synthesis (DDS)によるRF信号の⽣成をWhite Rabbit (WR) ネットワークの同期クロックを⽤いて⾏なうことで、外部⼊⼒のRF信号を伝送（再⽣成）する技術− WR : サブナノ秒オーダーの正確度とピコ秒オーダーの同期精度を提供する拡張Ethernet
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トリガー信号伝送系とトリガーディレイnWRおよびRFoWRを採⽤した理由− 過去の研究から、6~7 ps (rms)のジッターでの79.3 MHzクロックの伝送が期待できた− 拡張や増設が容易である− 通信にシングルモードファイバを⽤いており、⼗分なノイズ耐性を持つことが期待できる− 同期ネットワーク・クロックの位相トラッキングを実装しており、温度等の変化によるタイミングのドリフトを補正することが期待できる− パケットの優先度制御により低遅延の通信を実現している− オープン・ソース・ハードウェアとして国際協⼒のもとで開発や応⽤が進められているため、情報収集が容易で、ベンダーロックインの⼼配がない− …

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トリガー信号伝送系とトリガーディレイ
nシステム構成n

SPEC (Simple PCIe FMC Carrier）

n• FPGAロジック（gateware)＋ソフトコアCPU上で動作するソフトウェア（firmware）でRFoWRの機能を実現

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FMC DDS（Direct Digital Synthesis）•••

14-bit 600MHz DAC
ADF4002 phase detector + LPF + 16-bit ADC
AD9516 PLL

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トリガー信号伝送系とトリガーディレイ
nジッター性能の評価

室温︓エアコン25℃設定
100Hz, 5µs幅のトリガーが出⼒されるようgatewareを改修− SGの79.3MHzクロックに対するSlave Nodeからのトリガー出⼒のジッター︓8.1 ps (rms)− 測定条件l オシロスコープ： DSOS254A (Keysight社製) 、帯域幅2.5 GHzl 上記構成で43時間にわたり計測→ トリガー伝送系およびトリガーディレイとして要求されるジッター性能を満⾜している。
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トリガー信号伝送系とトリガーディレイ
nRFoWRのgatewareとfirmwareを改修し、以下に⽰す機能を加えた。
− RFクロックを10秒以上にわたりカウントする機能− カウンタは32ビットで実装（10秒以上の遅延を実現するため）− 全ノードの RFカウンタを同時に⼀括リセットする機能− トリガー信号⼊⼒時のRFカウント値(=Ttrig-in)を取得し、ネットワーク遅延を考慮した遅延時間(=Tlink-delay)と共にWRネットワーク経由でブロードキャストする機能− トリガー出⼒のON/OFF制御機能− ノードのRFカウント値 = Ttrig-in+Tlink-delay + Tlocal-delay è トリガー出⼒をON− ノードのRFカウント値 ＝Ttrig-in+Tlink-delay + Tlocal-delay+ Twidth è トリガー出⼒をOFF
l Tlocal-delay：ノード毎個別に設定される遅延時間
l Twidth ：ノード毎個別に設定されるパルス幅に相当する時間

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トリガー信号伝送系とトリガーディレイ
nトリガー信号伝送系およびディレイ機能の評価

遅延時間パラメータの設定（１カウント=12.6ns）
Master NodeTlink-delay

Slave Node 1

Slave Node 2

80,000 カウント

Tlocal-delay

20,000 カウント40,000 カウント80,000 カウント

Tlink-delay+ Tlocal-delay

100,000 カウント= 1.260 ms

120,000カウント= 1.513 ms

160,000カウント= 2.017 ms

400 カウント= 5.04 µs

200 カウント= 2.52 µs

800 カウント= 10.08 µs

TwidthTHOA11n 各ノードからのトリガー出⼒がFGからの100Hzに同期した100Hzとなっている
n 設定された遅延時間パラメータの通りの遅延時間とパルス幅が観測されている→ トリガー伝送系およびトリガーディレイとして必要な機能は実装できている

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17トリガー信号伝送系とトリガーディレイn課題− トリガー出⼒が安定しない（時々タイミングのジャンプが起こる）− 改修したgateware/firmwareに問題がありそう− FMC DDSによる実装︓トリガー出⼒のチャンネル数が１チャンネルのみ− 本プロジェクトの予算上、より多くのトリガー出⼒が可能なDDSボードを新規に開発することは困難− FMC DDSの後段に多チャンネル遅延パルスジェネレータを導⼊し、FMC DDSからの79.3MHzクロックとトリガー出⼒を⼊⼒する予定。

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まとめ
n加速⾼周波機器やビームモニター機器の正確な起動タイミングと繰り返し周期を決めるトリガーシステムの開発を進めている。
nMTUについては、EtherCATから制御可能な独⽴したユニットとして新規に開発を⾏なった。
− 時間ジッター︓20.3 ps(p-p) / 3.0 ps(rms) を実現（要求値（30 ps(p-p)）− 温度ドリフト特性︓ペルチェ装置による10mKの温度制御により、0.7 ps(rms) /K を実現（⽬標値（4 ps (rms)/K））

nトリガー伝送系とトリガーディレイの実装にRFoWRを適⽤した。
− 伝送先でのトリガー出⼒の時間ジッター︓8.1 ps (rms)を実現（要求値（数⼗ps(rms)）− gateware/firmwareを改修することで、トリガーディレイとして必要な機能を実現できたn今後− トリガー出⼒を安定させるためのgateware/firmwareの改修− ⼗分なジッター性能を有する多チャンネル遅延パルスジェネレータの選定
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19謝辞
nマスタートリガーユニットの開発では、三菱電機ディフェンス＆スペーステクノロ
ジーズ株式会社の皆様にご尽⼒戴きました。ここに感謝の意を表します。
n本研究は、JST、未来社会創造事業、JPMJMI17A1に⽀援を受けたものです。

ご清聴、ありがとうございました。

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