Timing System at KEK e–/e+ Linac

KEK 電子入射器におけるタイミングシステム
古川和朗（KEK 電子入射器）<URL:http://www-linac.kek.jp/>

K. Furukawa, KEK, Linac Meeting, Aug.2002.

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はじめに◆ B-ファクトリでの実験効率
KEKB 電子 / 陽電子 非対称コライダ＝⇒ 入射器の安定な運転が重要
2 バンチ入射や連続入射でさらに効率向上◆ タイミングシステム
精度の高い 入射タイミング (~30ps,SingleBunch)
SLED のタイミング制御 と 2 バンチ入射
100 を超えるタイミング設定◆ 頻繁な ビームモードスイッチ (1 日に 50 回程度)
KEKB e–KEKB e+,8 GeV 1.2nC Single Bunch
3.5 GeV 0.64nC Single Bunch(Primary e– 10nC)

PF e–

2.5 GeV 0.3nC Multibunch

PF-AR e–2.5/3.0 GeV 0.3nC Multibunchwith/without 2 Bunch Injection

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Timing System at KEK e–/e+ Linac◆ KEKB の性能

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入射器のタイミングシステム◆ 対象となるタイミング◆ ビームタイミング◆ パルスマイクロ波の生成、エンベロープ、SLED◆ ビームモニタのためのトリガ信号◆ 入射タイミング、キッカー等のトリガ◆ 必要となる機構◆ 基本クロックの発生◆ タイミング信号の分配◆ 遅延信号の生成
15 ケ所のタイミングステーション◆ 多数のグループ間の協調
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基本クロックの発生◆ トリスタンの入射は 300ps のジッタが許された
入射器とリングの rf は非同期
◆ KEKB においてはシングルバンチで 30ps 以下⇒ rf の間に整数関係が必要
SHB 2Commonx 11114.24 MHz

10.385 MHz

x5571.2 MHzKEKB Ring rfx 49

508.89 MHz

Linac Mainx52856 MHz
Ring Revolution

÷ 512099.39 kHz

◆ すべてのタイミングは共通周波数 10.385 MHz を基本とする◆ 入射器棟内の rf グループの管理する周波数分周逓倍器で生成⇒ 安定度の監視が重要
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ビームタイミング◆ 商用周波数 (50Hz)、（ノイズ低減のため）及び各リングの旋回周波数、（バケット選択）に同期して、ビームタイミングを生成◆ KEKB は共通クロック (10.39MHz)、（及び 114MHz, 571MHz にも同期）に同期しながらバケット選択（最大 0.5ms の遅延）
◆ 1/N の間引きを行うことができる
50Hz

Ring Revolution

1/N

Synchronizer

Bucket Selection

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タイミングの分配◆ 各装置においても精度の高いタイミングが必要
装置によって異なる要求、
精度 <10ps, 1ns, 10ns,ステップ 〜1ns
（TRISTAN 時には SLED がなく 〜30ns 程度のジッタ）◆ KEKB 増強に向け基本クロック (571.2MHz)を分配することにする◆ ビームタイミングのずれをふせぐため、同じケーブルで分配◆ 15 ケ所のタイミングステーションへ分配
1 波のみのビームタイミング

基本クロック (571.2MHz) と重畳◆ 各ステーションにおいて信号を再生
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タイミングステーション◆ 主ステーションの他に 15 ヶ所の副ステーションでタイミングを管理◆ 主ステーションでは必要な信号を受け副ステーションに分配◆ 副ステーションでは遅延信号発生◆ Timing-Delay-4 (TD4) ECL 16bit カウンタによる遅延（最大 114μs）◆ 副ステーションの仕様

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パルスマイクロ波タイミング◆ 低レベルマイクロ波用タイミング、パルスエンベロープ、SLED （パルス圧縮器）反転タイミング
待機モード向けに 57 μs 遅れたパルス
８ヶ所、32 タイミング◆ 大電力クライストロンモジュレータ
高圧パルスタイミング
６ヶ所、59 タイミング
3 μs

1 μs

低レベルマイクロ波
SLED 反転53 μs

加速モード大電力モジュレータ
待機モード大電力モジュレータ
ビームタイミング
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ビームモニタ用タイミング◆ ストリークカメラ用タイミング
10ps 以下の精度
４ヶ所◆ ビームポジションモニタ用タイミング
1ns 以下の精度（ソフトウェアでピークを探すため精度は高くなくてよい）
19 ヶ所、90 台分◆ ワイヤスキャナ用タイミング
1ns 以下の精度
２ヶ所、14 台分◆ マイクロ波ビーム誘起波モニタ用タイミング
1ns 以下の精度
８ヶ所、30 台分
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制御システムTouch Panel Interface

X-Window Interface for Operation

EPICS Gateway to KEKB-Ring

MS-Windows Interface

Central Network (FDDI, Ethernet)

Device Manager

Main Computer Systems (Unix)

Timing Server Software

Equipment Level Network (Optical Ethernet)

VMEs (~30)

PLCs (~150)

CAMACs (~15)

VXIs (~30)

PC / GPIB / RS232C

Beam Monitor
Timingetc.

RFMagnetVacuumTiming

RF Monitor

GunBeam Monitor
others◆ 赤と青の部分がタイミングに関連運転プログラムからはハードウェアの違いは意識しない⇒ ソフトウェアの構成に注意を払っている
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Timing System at KEK e–/e+ Linac◆ Active Correlation
Plot enables
Automated Parameter
Optimization
Passive Correlation
Plots are also Used toFind Multi-Parameter
Correlations◆ Equipment Parameter
Save-Load Panel
Has Many Optional Features
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障害◆ CAMAC のドライバソフトウェアの不具合
Hytec Ethernet CAMAC Crate Controller にバグ
多量の対策ソフトウェアを用意する羽目に◆ TD4/TD4V の低頻度の出力抜け入力(閾値指定)と出力(パルス幅生成)用のコンパレータの問題
2 週間に 1 回以下の頻度で、200ms の間出力が止まる
全数交換で対処K. Furukawa, KEK, Linac Meeting, Aug.2002.

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2 バンチ加速でのバンチ間エネルギー差◆ 主ライナックでは rf/SLED のタイミングで2 バンチのエネルギー差を制御
バンチ電流（1 次電子 10nC、2 次陽電子 1nC）によってエネルギー差は異なる◆ 現在は手動でエネルギー差を最小に調整◆ 簡単なフィードバックループ

Read Beam Position (x and δx)
at Reference Points

Beam
Fluctuation

BPM

1Loading compensation 2.5%

Relative Energy [%]

0.98

0.97

First bunch

BeamKlystron Klystron

Second bunch

0.99

BPM––> Convert into Timingsfor Energy Doublers

Beam Positionsof 2-Bunches
BPMs

96.29 ns– Beam Fluctuation––> Convert into Energy
Difference

0.96

Average (Integration)
0.95
-100

-500Gun/SLED Timing [ns]50100x Gain – Offset

Energy Difference Feedback
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まとめと今後◆ タイミングシステムが期待したとおり動作
十分な精度
100 点以上のタイミングを柔軟に制御◆ タイミング精度の評価
ストリークカメラによるビーム幅10ps より十分小さい◆ タイミング監視システムの充実
オシロスコープによるクロック位相測定
TDC による TD4 遅延測定
それぞれソフトウェアで監視◆ 今後の運転モードの可能性
50Hz 同期測定
現在の 1Hz のビームフィードバックを高速化

間欠ビーム測定
連続入射時にも一部のバンチを盗んでビーム調整
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Thank you ...

K. Furukawa, KEK, Linac Meeting, Aug.2002.

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