< kazuro.furukawa @ kek.jp >SuperKEKB の入射ビーム選択と Timing 制御

古川和朗
Aug.2010 の状況に一部書き足し
一部 SuperKEKB ではなく KEKB 記述であることに注意SuperKEKB Beam Scheduling

Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2010, Apr.2012.

1KEKB での入射タイミング要件u 複数周波数 (114, 571, 2856, 509MHz) の安定生成v 大電流陽電子生成のための 10nC シングルバンチビームのバンチングv 逓倍・分周による整数関係が必要 (共通周波数 10.38MHz)u 30 ピコ秒のリング入射タイミング精度v KEKB リング周波数 509MHz との整数関係も必要³ PF・PF-AR は入射条件は厳しくないため、偶然の同期で実現

u 周長補正は KEKB・PF・PF-AR で独立v KEKB は 4x10-7 変化、PF、PF-AR は 4~20x10-6 程度u 1 パルス 2 バンチ入射v KEKB - Linac 共通周波数 10.38MHz (=96ns) 間隔u KEKB HER/LER と PF は同時 Top-up 運転を実現
v KEKB と PF-AR はビームトランスポートラインが共通³ 同時入射は不可能

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2KEKB でのビーム選択
uKEKB HER、LER 及び PF への同時入射v 各リングの要求入射頻度を調停し 50Hz ビームを振り分ける
Remote controlled automatic pattern arbitrator"vRecent typical operation.
³~37Hz for KEKB LER (3.5GeV e+)³~12.5Hz for KEKB HER (8GeV e–)³~0.5Hz for PF (2.5GeV e–)
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Manual pattern generator".
³~25Hz³~12.5Hz³~0.5Hz
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3KEKB のビーム・バケット選択uパルス電源の特性などからビーム入射間隔に制限がある
uリング内バケット選択は速いタイミングとは半独立にリング内のバンチ電流の少ないバケットに入射できるタイミングを選択v KEKB は 509MHz 5120 バケットを持つv Linac ‒ Ring 共通周波数 10.38MHz は 49 バケット(96ns) に相当v 最大 5120 x 96ns = 約 500μs 待つと全てのバケッ
トを選択できる
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4KEKB タイミング同期関係
EventSystem"

for KEKBuSynchronization Req.
Clock"KEKB HER/LER
CircumferenceCorrection"

Fiducial"
114.24 MHz"SHB1 Phase
Control"x 5"
HER/LER
Injection
Phase Control"

10 MHz"Variable SG"

571.2 MHz"
10 MHz"SG"

RubidiumSG"

X 49 ÷ 275"
508.89 MHz"508.89 MHz"÷ 5120"99.39 kHz"KEK
Revolution"

x 5"2856 MHz"SG"

B

HER/LER"
BucketSelection"

for PF
Linac SHB"
114.24MHz"
PFCircumference
Correction"

Flip-flop"
Flipflop"

PF Revolution"
1.6 MHz"

Flip-flop"

50Hz"
AC Line Sync."

SHB2 Phase
Control"

EventSystem"

Acc. Phase,
Timing ControlvKEKB : < 30psvPF : < 300~700psuLinac rf isSynchronizedto KEKB rf
uEvent Clock is114.24MHzuWe have to managevCircumferencecompensationvBucket selectionvInjection phasecontrols

BucketSelection"

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5イベントタイミング制御システムの構成u MRFʼs series-230 Event Generator / Receiversu VME64x and VxWorks v5.5.1
u114.24MHz event rate,u EPICS R3.14.9 with DevSup v2.4.1
50Hz ﬁducialsu 17 event receivers up to nowuMore than hundred
Central"Event Generator"
50Hz-Analog/Timing datauMulti/single-mode ﬁberuTiming precision is < 10ps.
SH_A1"

KL_B5/B6"

ARC!

SB_B"

Injection"

SB_A"v < 1ps with external module.

e­	  Gun!

e– BT (PF: 2.5GeV, 0.1nC)!

Cont-ABC"
KL_51/52"
SB_C"

SB_1"

SB_2"

SB_3"

SB_4"

SB_5"

e+ BT (KEKB: 3.5GeV, 2nC)!	  

e+	  Target
Cont-1"

Cont-2"

Cont-3"Cont-4"Cont-5"

Event Receivers"
SuperKEKB Beam Schedulinge– BT (KEKB: 8GeV, 2nC, !
PFAR: 3.0GeV, 0.1nC)!

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Linac Event SystemuSpeciﬁcationsvEvent rate : 114.24MHz³Bit rate : ~2.3GHzvFiducial rate : 50HzvTiming jitter (Short term) : ~8psvNo. of deﬁned events : ~50vNo. of receiver stations : 17vNo. of Fast parameters : ~130

CCPPUU  EEVVGG  EEVVRR  
OOpptt..  FFaann--oouutt  

EVR & LLRF

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ビームイベントの取り扱い
Human Operator

Injection Programs

Arbitrate and Generate Beam Mode Pattern (in PythonTk)
considering priorities of the rings
equalizing pulsed power supply intervalin 4 arrays (waveforms) of length 2 (40ms) to 500 (10s)each element corresponds to a 20-ms time slot and a beam mode �Generate Events for the Next 20-ms Time Slot (in Event Generator)
reading two consecutive elements from the beam mode patterngenerate several events for the next pulse
generate preparation events for the next after next�

Generate Signals based on Received Events (in Event Receiver)generate pulsed signals as prepared in the previous time slot
program the signals (enable/disable, delays, etc) for the next
start to generate analog signals for the next�
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83 つの仮想加速器の切り換えu Controls and instrumentations are essentially mode-dependent, andmutually independentu Selecting a real machine out of three virtual machinesv Managing three parameter setse− Gun!
ARC!

e– BT (PF: 2.5GeV, 0.1nC)!

PF Injection�
e+ Target"

20ms!
e− Gun!

Event-basedControl System

ARC!
20ms!

KEKB-LER Injection�

Primary e– (4GeV, 10nC)

e+ BT (KEKB: 3.5GeV, 0.6nC)!

e+ Target"e− Gun!
ARC!

KEKB-HER Injection�
e+ Target"e– BT (KEKB: 8GeV, 1.2nC)!

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9SuperKEKB への増強
uSuperKEKB のナノビームスキームv 低エミッタンス大電流入射ビームの要請³ 電子はフォトカソード RF 電子銃 (7GeV, 5nC)
³ 陽電子は捕獲セクションの改造とダンピングリング増設³ 40 倍のルミノシティ
KEKB
SuperKEKBv ダンピングリングの設計³ RF 周波数の選択³ ハーモニック数の選択v PF-AR 入射

e–e+8GeV

3.5GeV 7GeV

4GeV

1nC

1nC

5nC

4nC

100µm

2000µm20µm

10µm2bunch³ KEKB とビームトランスポートを共有

e–e+2bunch 2bunch 2bunchw ビーム切り換えと入射に 5-10 分ほど必要w SuperKEKB のビーム寿命予測約 10 分 → 実験の中断が避けられない
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10SuperKEKB のダンピングリング (DR)u 2 バンチパルス、2 パルスを収容

e− Gun!

KEKB�

ARC!
Primary e– (4GeV, 10nC)

e+ 25Hz e‒ 25Hz の場合
前半

D.R.

e+ 1e+ 1e‒ 2e+ 1e‒ 2e+ 3e+ 3,1e+ 1e‒ 4e+ 3e+ BT (KEKB: 3.5GeV, 0.6nC)!

e+ Target"

後半

e+ DR (1.1 GeV, 4nC)!

e‒ 4e+ 5e+ 5,3e+ 3e‒ 6e+ 5e‒ 6e− Gun!

SuperKEKB�

Primary e– (3.5GeV, 10nC)

e+ BT (KEKB: 4GeV, 4nC)!

ARC!

e+ Target"

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ダンピングリングの RFuメインリング (MR) バケット選択v MR は 509MHz 5120 バケットを持つv Linac ‒ MR 共通周波数 10.38MHz は 49 バケットに相当v 最大 5120 x 96ns = 約 500μs 待つと全てのバケットを選択できるuRF として 10.38MHz の整数倍を選ばないと上の条件よりもさらに自由度は下がるv 509MHz, 571MHz などは可能v 476MHz, 714MHz などは有用ではない

uCW クライストロン等の資源を考えると 509MHz を選ぶことが適当と思われる
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ダンピングリングのハーモニック数
96nsu1 パルス 2 バンチ入射のバンチ間隔 96ns

>100nsu入出射キッカー立ち上がり立ち下がり ~100ns96nsuハーモニック数v 少なくとも ~200 (>100ns400ns)v メインリング (MR) のハーモニック数 5120 (または5120x49) と単純な整数関係が無いことが好ましいu入射 (パルスモジュレータ) の最大待ち時間 2msv 現状は最大待ち時間 500μs であるが、安定性許容度によっては 2ms 程度まで可能

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ダンピングリング (DR) ‒ Linac - SuperKEKB メインリング (MR)uLinac 後半の位相を固定する場合の入射選択可能 MR バケット数vハーモニック数 hDR=224、キッカー立ち上がり 96ns として 2ms 以内で探す場合³49*2 ~ hDR-49 で 1760 個 (1 バンチ入射)³49*2 ~ hDR-49*2 で 662 個 (2 バンチ入射)vhDR=225, 2ms 以内³49*2 ~ hDR-49 で 2123 個³49*2 ~ hDR-49*2 で 1008 個vhDR=223, 2ms 以内³49*2 ~ hDR-49 で 2096 個³49*2 ~ hDR-49*2 で 971 個vhDR=230, 2ms 以内³49*2 ~ hDR-49 で 5120 個³49*2 ~ hDR-49*2 で 3065 個

96ns>100ns

前のパルス>100ns
次のパルス
96nsvhDR=245, 2ms 以内³49*2 ~ hDR-49 で 2048 個³49*2 ~ hDR-49*2 で 1024 個vhDR=252, 2ms 以内³49*2 ~ hDR-49 で 4986 個³49*2 ~ hDR-49*2 で 3447 個
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ダンピングリングのハーモニック数u現実的な周長で自由度の大きなハーモニック数として、230 を選ぶことが適当と思われるuこの方法で直接選択できないバケットについてもv DR 出射後、Linac 後半の位相をパルス毎に変更する
v DR 蓄積中に DR 位相を変更する

uとすれば選択可能v 前者について、電子との切り換えの際いずれにせよ位相変更は必要³ ただし再現性だけでなく LLRF の直線性も必要となるv 後者について、次のパルスとの依存関係が増えるので不利v 双方とも準備しておいたほうがよい (Review committee)
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PF-AR の入射u PF-AR のビームトランスポートは SuperKEKB と共通
v 10 分で切り換え入射、または 7GeV e‒、4GeV e+u SuperKEKB のビーム寿命が 10 分程度と短いため、PF-AR への切り換え入射は Belle2 の実験中断を意味するu ダンピングリング経由の 4GeV 陽電子同時入射の可能性？
v 残念ながら Top-up は不可

u PF-AR の周長補正は SuperKEKB と独立v PF-AR の RF は Linac と整数関係に無い (補正量 4x10-6 vs. 4x10-7)u 偶然の入射確率 (300-700ps 精度 2ms 以内) は、ダンピングリングを経由すると約 1/11 になるが不可能ではないu パルスを跨いでも同期を維持するため入射時には周波数を Linacに対して固定する必要u (入射エネルギーは Belle2 実験に依存)SuperKEKB Beam Scheduling

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イベントタイミング制御システムの構成
uKEKB においてv 1 系統のイベントタイミングシステムv バケット選択システムは半独立uSuperKEKB においてv パルス間の依存関係が増える
v 大きな (~20ms x n) の遅延の管理が必要
v Linac 前半と後半の 2 系統のカスケード半独立イベン
トシステム (?)
v バケット選択システムとは一体化の必要SuperKEKB Beam Scheduling

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Linac - DRuLinac の RF 位相と DR の RF 位相を Pulse 毎(20ms) に変更する可能性があるv 伝達手段³ EVG  EVR³ EVG  EVR  Dedicated Ethernet (CA)  LLRF µTCA
³ EVG ( EVR)  8bit digital I/O ~4 bytes  LLRF µTCAv 18ms ぐらい前に次の出射時の位相を伝達できるかもSuperKEKB Beam Scheduling

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Others compatible with MRF
uEﬀorts by RF group at Linac (三浦, 片桐, 湘南電子)v EVR for synchronized RF monitoringuBNL embedded EVR (NSLS2)uSINAP VME and PLC modules (SSRF, PLS)

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まとめuKEKB の同時入射タイミングと比較しながら、SuperKEKB のダンピングリングを含めた入射タイミングを検討した
uPF-AR も含めて入射スケジュールの構成は可能
u検討結果も含めて、ダンピングリングの設計が進んでいるuイベント制御システムと LLRF システム (特に直線性) の詳細の検討を継続する

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20

Thank you

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Simultaneous Top-up Injection ResultsuBeam currents
are kept withinvKEKB 1mA (~0.05%)
vPF 0.05mA (~0.01%)

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Three-fold Independent Closed Loopsu Feedback loop software act on one of three virtual machinesv Managing independent parameter setse− Gun!
ARC!

e– BT (PF: 2.5GeV, 0.1nC)!

PF Injection�e+ Target"e− Gun!

Event-based
Control System

ARC!
Primary e–

KEKB-LER Injection�
(4GeV, 10nC)

e+ BT (KEKB: 3.5GeV, 0.6nC)!

e+ Target"e− Gun!
ARC!

KEKB-HER Injection�
e+ Target"e– BT (KEKB: 8GeV, 1.2nC)!

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Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2010, Apr.2012.23