Injection Beam Scheduling at SuperKEKB Complex through Damping Ring
Kazuro Furukawa∗ A) , Yoshihiro FunakoshiA) , Mitsuo KikuchiA) , Eiji KikutaniA) , Tatsuro NakamuraA) ,Katsunobu OideA) , Masanori SatohA) , Masaaki SuetakeA) , Tsuyoshi SuwadaA) , Yoshiharu YanoA)A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 1–1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
In the SuperKEKB project, a damping ring will be constructed at the middle of the linac in order to achieve apositron beam with lower emittance, which is required by the beam optics design for the higher luminosity. The injectionand extraction scheme at the damping and main rings have to be designed under several criteria, which include the RFfrequencies at the linac and the rings synchronized with large integers, dual beam bunches in a single linac pulse, andrising and falling times of the kickers. The harmonic number of the damping ring was chosen to allow wider rangeof buckets to be filled in the main ring. In order to enable the full bucket selection, a pulse-to-pulse LLRF adjustment
system will be installed at the latter half of the linac, based on the cascaded event timing system. Pulse-to-pulse injection
beam modulation (simultaneous injection) between SuperKEKB LER/HER, Photon Factory (PF) and PF Advanced Ring(PF-AR) is also discussed.

SuperKEKB の入射ビームタイミング選択システム
1.

はじめに

現在計画されている SuperKEKB 加速器計画においては、ルミノシティ向上のためナノビームオプションが選択され、入射ビームにも低エミッタンスの要請が課される [1] 。そのため、入射器の中ほどにダンピングリングを建設し、低エミッタンスの陽電子入射ビームを生成する必要がある [2, 3] 。また、現在の入射器においては、
すでに KEKB 向けの 8-GeV 電子、3.5-GeV 陽電子と PF
放射光リング向けの 2.5-GeV 電子の 3 種類のビームを50Hz パルス毎に切り換えて入射できる制御機構が実現されているが [4, 5] 、SuperKEKB においてはビーム寿命が短くなるため、PF-AR 放射光リングにも、4-GeV 陽電子の高速パルス切り換え入射を行う必要があると思われる。
入射効率を下げないために、これまで行われている、繰り返し 50Hz のパルス内 2 バンチ加速も継続したいた
め [6] 、キッカーの立ち上がり時間を考えるとダンピングリング内のビームタイミングも制限を受ける。さらに、メインリング入射タイミング誤差が数十ピコ秒しか許されないため、ダンピングリングやメインリングと入射器の多数のマイクロ波周波数の整数関係を維持する必要もある [7] 。これらの複雑な条件を検討すると、これまでは緩く結合させて構築していた、メインリングの周長補正システムやビームバケット選択システムなどを高速ビーム切り換え制御機構と密に結合させて動作させる必要があると思われる [8, 9] 。
SuperKEKB 計画における、これらの高速ビームタイミング制御機構の課題について、現在の KEKB 計画と比較しながら検討する。

2.

KEKB における高速ビーム切り換え制御

KEK の電子入射器を使って、効率的な同時入射を実現するためのビーム切り換えの際には、ひとつのパル∗ E-mail: < kazuro.furukawa @ kek.jp >スも無駄にはできないので、約 1km にわたる機器に対して 20 ミリ秒以内に確実に操作を行わなければならな
い。電子入射器は、4 つのリング加速器にビームを入射しているが、切り換えるビームの性質は、エネルギーで3 倍以上、電流で部分的には 100 倍異なり、高速に切り換える際の挑戦課題となった。
しかし、広域、高速、確実な制御機構については、これまで入射器の制御で用いてきた Ethernet と TCP/IP を基礎とした広域制御だけでは、達成が困難かと思われた。そこで、イベントシステムと呼ばれる制御機構を新しく導入し、信頼性の高いタイミング信号伝送とそれに同期した高速広域制御とを実現した [5, 10] 。
この装置内では、外部クロックに同期した 1GHz から 2.5GHz のデジタル信号を、FPGA と簡易信号発生器で生成し、民生品となっている SFP (Small Form-factorPluggable transceiver) で広域に光伝送することができる。
この信号は、50MHz から 125MHz の速度 (イベントレート) で送られるイベント及び同期データと呼ばれる短く速い情報、毎秒 25〜62.5 メガバイトの速度で最大 2 キロバイト送られる少し遅い情報、そしてタイミングクロックを伝達するために用いられる [11] 。制御ソフトウェ
アは EPICS の枠組みのもとで構築している [12] 。
2009 年の春から KEKB HER/LER と PF の入射について本格的な高速切り換え機構の運用を始め、次のような制御項目が実現されている。

• 1 ヶ所のイベント生成ステーションと 17 ヶ所のイベント受信ステーション• 電子銃の電圧とピコ秒タイミングの制御• 13 のマイクロ波発生装置での低電力マイクロ波の制御• 60 の大電力マイクロ波のタイミング制御• 12 のパルス電磁石オンオフ、タイミングの制御• 100 の入射器のビーム位置モニタのための 24 のビーム位置測定ステーションの制御• 100 のビーム輸送路のビーム位置モニタのための4 つのビーム位置測定ステーションの制御• KEKB の電子と陽電子の入射位相の制御• KEKB の電子と陽電子のセプタムタイミングの制御• KEKB の電子と陽電子のバケット選択の制御
これらの制御のために、20 ミリ秒のパルス毎に約 130のアナログ・ディジタルパラメータが変更され、各リングへの入射ビームを生成している。
通常の運転時には、PF リングからの入射ビームパルス生成条件はあまり変わらないが、KEKB の HER とLER の入射については、頻繁に衝突条件の変更が行われることもあり、約 10 秒毎にビームモードパターンが変更される。このような頻繁な条件の変更にも特に問題なく対応し、連続して 20 ミリ秒毎にビームモードを切り換えながら、同時入射を実現できている。図 1 に示す
ように、ひとつの入射器を仮想的に 3 つの異なる加速器として扱うことができ、約 130 のパラメータについて独立の操作を行うことができる。この機構は SuperKEKBへの入射においても主要な役割を果たすことになる。

図 2: 入射器の陽電子入射。SuperKEKB への入射にはダンピングリングが必要となる。

ンピングリングにおいて、20ms 前のパルスで蓄積した陽電子ビームを次のパルスで出射しながら新しい陽電子ビームを入射蓄積する、というお手玉のようなビーム操作を行うことになる。他のビームを切り換えながら入射する場合、例えば電子 25Hz、陽電子 25Hz の場合は、陽電子をダンピングリングに入射した後、次の電子を加速するパルスでは陽電子はダンピングリングに蓄積を続け、40ms 後のパルスで出射するとともに、新しい陽電子ビームを蓄積する。

3.1

図 1: KEKB HER/LER と PF の入射には 100 を超えるパラRF 周波数の選択

元々入射器と KEKB リングの RF 周波数の間には歴史的事情から表 2 のような少し複雑な整数関係がある
が、SuperKEKB においても資源の有効利用のため同じ周波数関係を維持することになる。そのためダンピングリングの周波数について検討してみる。

メータを瞬時に切り換え、あたかも 3 つの異なる仮想的な加速器をパルス毎に切り換えるような運転を行った。

表 2: 入射器と KEKB の RF 周波数

3.

SUPERKEKB に向けた入射器の増強

SuperKEKB 計画においては約 40 倍のルミノシティを得るために、表 1 に示すような低エミッタンス大電流のビームを入射する必要がある。電子についてはフォトカソードを用いた RF 電子銃によってビームを生成して入射する計画であるが、陽電子については生成陽電子の捕獲セクションの改造と図 2 のようにダンピングリングの新設が必要となる。
表 1: KEKB と SuperKEKB のビーム特性の違い

Beam
EnergyChargeEmittance
Bunches

KEKB
e−e+
8GeV
3.5GeV
1nC
1nC
100µm 2000µm
22SuperKEKB
e−e+
7GeV 4GeV5nC4nC
20µm 10µm
22

ダンピングリングでの陽電子のダンピングタイムは12ms ほどなので、50Hz で陽電子を入射する場合は、ダ共通周波数
Linac SHB1
Linac SHB2
Linac Main
KEKB Ring

逓倍数×11×55×275×49

周波数10.38546 MHz
114.24 MHz
571.2 MHz
2856 MHz508.8873 MHz

入射効率を上げるために、ひとつのパルス内に 2 バン
チを加速するスキームは SuperKEKB でも必要となる。
ふたつのバンチの間隔は共通周波数 10.38MHz によって決定され、96.3ns となっている。このことから、効率を失わないためには、ダンピングリングの周波数との間にも少なくとも現在と同じ共通周波数を持つ必要がある。
そのため、他の施設で使用されることのある 476MHz や714MHz などは採用できない。入射器のサブハーモニッ
クバンチャ (SHB) で使用されている 571.2MHz も選択可能ではあるが、CW クライストロン等の資源を考えると KEKB メインリングで使用されている 508.89MHzを選択することがもっとも適当であると考えられる。

3.2

ダンピングリングのハーモニック数

次にダンピングリングの大きさを検討してみる。ダ
ンピングリングでは先に書いたようにお手玉のように陽電子バンチ出し入れするために、2 バンチずつの 2 パルス、合計 4 バンチを図 3 のように置ける間隔が必要となる。ここで、パルス内の 2 バンチの間隔は 96.3nsで、その 2 バンチを組としたパルスの間隔は入出射キッカーの立ち上がり・立ち下がりから決まり、現実的には100ns 程度以上と考える。このことからハーモニック数は少なくとも約 200 以上必要となる。

図 3: ダンピングリング内の 2 バンチ × 2 パルスの配置。

KEKB においては、メインリングの RF 周波数が基本周波数の 49 倍であり、ハーモニック数 5120 と共通約数を持たないため、49 周つまり約 500µs 待つ間に必ずどのバケットにでも入射が可能となる。SuperKEKBにおいては条件が厳しくなり、バケット選択の自由度が狭まる可能性があるが、50Hz パルスモジュレータ電源の安定度を考えると、少なくとも最大待ち時間 2ms のうちに入射を行う必要があると思われる。また、RF 位相をあまり変調せずに、SuperKEKB メインリングのバケットをできるだけ自由に選択できるためには、ダンピングリングのハーモニック数がメインリングのハーモニック数 5120 と単純な整数関係を持たないことが好ましい。
このようなことを考慮し、ダンピングリングから 2ms以内に出射し、できるだけ多数のメインリングバケットに入射できる条件を 200 以上のハーモニック数で探してみると、ハーモニック数 230 のときに 5120 のうち 3000以上のバケットに入射できることがわかった。実は、ダンピングリングや入射器の RF 位相をパルス毎に変調すれば全てのバケットを選択することが可能で、実際にはどのバケットでも選択できる必要があるので RF 位相の変調は必須ではあるが、コミッショニングの容易さを考えてこのハーモニック数 230 を選択することが適当であると考えられる。
入射器のパルス毎の RF 位相変調は他のビームの切り換えのためにいずれにせよ必要であり、現在でも行っている。しかし、現在は再現性が保証されれば問題はな
いが、SuperKEKB 向けの新しい仕組みでは 360 度の直線性が重要になり、低電力 RF 系の再較正が必要になると考えられる。ダンピングリングの RF 位相を変調する方法もあるが、陽電子バンチのお手玉を考えると、パルス間の依存関係が増え、得策でないと思われる。

3.3

イベントタイミング制御

KEKB においては、1 系統のイベントタイミングシステムを用い、バケット選択システムもタイミング信号とビームの種類の情報を交換するだけの独立のシステムであったが、上に述べたような状況に対応するために、多少複雑な構成が必要になると思われる。
これまでは、パルス間の依存関係は、数種類のパルスモジュレータ電源の安定度に伴う繰り返し変更についての制限だけであったが、ダンピングリングの陽電子ビームのお手玉のためにパルス間の依存関係が増えてしまう。特に、陽電子ビームの入射頻度が低い場合には、ダンピングリングの入射と出射の間で 20ms × n の正確なタイミング管理が必要となる。このため、入射器の前半と後半に分けた 2 系統のイベント制御システムを構成することを検討している。
また、メインリングでどのバケットを選択するかによって、ダンピングリングでのバケット選択、入出射タイミングや入射器後半の RF 位相制御がパルスをまたいで必要となるため、バケット選択システムはイベント制御システムと一体とする運用が必要と思われる。

4.

PF-AR の入射PF の入射路は KEKB と独立であったため、エネルギーが大きく異なるが、パルス偏向電磁石の増設により、高速ビーム切り換えによる同時入射が可能であった。しかし、PF-AR の入射路は SuperKEKB と共通となるため、同時入射は簡単にはできない。ところで、SuperKEKBのビーム寿命は 10 分程度と短いため、PF-AR への通常切り換え入射を行うと、偏向電磁石の標準化を伴い大きな時間を必要とする。これは Belle2 の衝突実験の中断を意味する。
そこで、現在の PF-AR への 3GeV 電子入射の代わりに 4GeV の陽電子入射の可能性が検討されている。電子のエネルギーは 7GeV と高いために入射機構の改造が大規模になり現実的ではないが、陽電子のエネルギーは 4GeV なので改造が小規模ですむことになる。PF-ARの実験エネルギーは 6.5GeV であるためトップアップ運転はできないが、高速ビーム切り換えが可能となれば、少なくとも Belle2 の衝突実験の中断は避けることができる。
しかし、検討課題はいくつかあり、例えば、リングのRF 周波数を決める周長補正について、PF-AR のそれはSuperKEKB のそれとは独立に行われる。PF-AR の周長補正の方が 10 倍ほど変化が大きく、また、入射器の RF周波数は SuperKEKB と整数関係を持つため、PF-AR とは整数関係に無い。
陽電子を使用するために、パルス偏向電磁石の増設を最低限にするためにはダンピングリングを通して入射することになる。偶然の入射タイミングを探す場合は、PF 入射では SHB の 114MHz と旋回周波数の偶然の同期を探してきたが、ダンピングリングを通して PF-ARに入射する場合は、ダンピングリングと入射器の共通周波数である 10.38MHz と PF-AR 旋回周波数の偶然の同期を探すことになり、入射確率が下がる可能性がある。
さらに、これが可能となるためには、電子銃のタイミングからダンピングリングの旋回周波数との同期を考慮しなくてはならない。しかし、パルスをまたいでタイミングを作るとしたら整数関係の無い RF 間では不可能となる。PF-AR の入射時には PF-AR の周波数を固定するなどの方策があるかと思われるが、単純ではない。
また、Belle2 の実験によっては SuperKEKB の衝突エネルギーの変更が予想され、それに伴って入射陽電子のエネルギーが変更されるので、PF-AR の入射エネルギーを変更しなくてはならない。不可能ではないと思われるものの、どのような方針をとるのが適当であるか検討中である。

5.

まとめSuperKEKB の入射について、ダンピングリングを含めて検討を加えた。検討結果も利用してダンピングリングの設計が進んでいる。イベントタイミング制御についてはパルスをまたがる制御についての工夫と、低電力RF 制御についての再較正などが必要であるが、原理的な困難はなさそうである。PF-AR を含めた同時入射機構はさらに検討を進めているところである。全体として入射器運転の効率を高めながら、信頼性も失わない入射機構の設計を進めていきたい。

参考文献[1] M. Masuzawa, “Next Generation B-factories”, Proc.
IPAC2010, Kyoto, Japan, 2010, p. 4764.
[2] T. Kamitani et al., “SuperKEKB に向けた KEKB 入射ライナックの改造計画”, these proceedings.
[3] M. Kikuchi et al., “Design of Positron Damping Ringfor Super-KEKB”, Proc. IPAC2010, Kyoto, Japan, 2010,p. 1641.
[4] M. Satoh et al., “高速ビームモード切り替えのための KEK
入射器アップグレード現状報告”, Proc. 5th Annual Meetingof Particle Accelerator Society, Hiroshima, 2008, p. 821.
[5] K. Furukawa et al., “New Event-based Control System
for Simultaneous Top-up Operation at KEKB and PF”,
Proc. ICALEPCS2009, Kobe, Japan, 2009, THP052.
[6] K. Furukawa et al., “Beam Feedback Systems and BPM
Read-Out System for the Two-Bunch Acceleration at theKEKB Linac”, Proc. ICALEPCS2001, San Jose, USA.,
2001, p. 266.
[7] K. Furukawa et al., “The Timing System of KEKB 8-GeVLinac”, Proc. ICALEPCS2003, Gyeongju, Korea, 2003,p. 130.
[8] E. Kikutani et al., “KEKB Bucket Selection System, Presentand Future”, these proceedings.
[9] K. Furukawa et al., “Pulse-to-pulse Beam Modulation andEvent-based Beam Feedback Systems at KEKB Linac”,
Proc. IPAC2010, Kyoto, Japan, 2010, p.1271.
[10] T. Kudou et al., “KEK LINAC におけるイベントタイミン
グシステム”, these proceedings.
[11] <http://www.mrf.fi/>.
[12] <http://www.aps.anl.gov/epics/>.