Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

J-PARC TIMING SYSTEM
Fumihiko Tamura∗ A) , Hiroshi YoshikawaA) ,Masahito YoshiiB) , Junsei ChibaB) , Tadahiko KatohB) , Akira TakagiB)A) Center for Proton Accelerator Facility, Japan Atomic Energy Research Institute
2-4 Shirakata-Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken, 319-1195, JapanB) High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305-0801, JapanAbstract大強度陽子加速器施設 (J-PARC) のタイミングシステムの概要を述べる。J-PARC の加速器は異なる繰り返しを持つリナック、RCS、MR からなり、4 つの施設（核変換施設、物質生命科学実験施設、原子核実験施設、ニュートリノ実験施設）に対して、各加速器の運転パルス毎にビームの行き先が異なる複雑なオペレーションが求められる。これら加速器の運転タイミングを統括する高精度のタイミングシステムについて述べる。

J-PARC のタイミングシステム
1.

はじめにSerial(TYPE)

J-PARC (大強度陽子加速器計画) の加速器は、400MeV のリナック、3-GeV の速い繰り返しシンクロト
ロン (RCS)、50-GeV のシンクロトロン (MR) から成る。J-PARC は世界最高クラスの大強度陽子ビームの加速器であるため、加速器機器の放射化につながるビームロスは最小に抑えなければならない。高精度のビーム制御が必須であり、タイミングシステムは高安定かつ高精度なものでなければならない。許されるトリガーのジッターは 1-nsec 以下である。
J-PARC では、タイミングの種類をスケジュールド
タイミングおよびシンクロナイゼーションタイミングの 2 種類定義している。
スケジュールドタイミングは、中央制御から送られる 50-Hz のトリガーからのディレイとして定義される。このディレイ値はあらかじめプログラムされている。J-PARC のほとんどの機器および電源は、このスケジュールドタイミングに基づいて動作する。
シンクロナイゼーションタイミングは、中央制御以外の、加速器機器または電源により生成されるトリガーに基づいたタイミングである。一例として、RCSの取り出しキッカーと MR の入射キッカーの放電ト
リガは、RCS の実際の周回ビームに同期していなければならず、スケジュールドタイミングでは同期できないため、RCS の RF システムによって生成されるトリガーを基準とする。
この発表では、スケジュールドタイミングシステ
ムに絞って詳細を述べる。
リナック、RCS、MR はそれぞれ、50-Hz、25-Hz、0.274-Hz の繰り返しで運転される。特に、リナックおよび RCS は以下に示すように、運転パルスごとに異なるビームの行き先を持つ。 (1) リナックは、RCS 行
きのビームと核変換施設 (ADS) 行きのビームを交互に加速する。(2) 1 回の MR サイクル中に RCS (25-Hz運転) は 91 回の運転サイクルを持つが、このうちの∗ E-mail: ftamura@linac.tokai.jaeri.go.jp

BA

50Hz Trigger clock
Delay 1A

Delay 1B

Receiver Module1
OutputDelay 2A

Delay 2B

Receiver Module2
OutputDelay 3A
Receiver Module3
Output
The counter is not resetwith trigger clock when
Type B is received
Delay 4B
Receiver Module4
OutputNo output for Type A

The delay value and control (no output etc.) are stored in LUT on the board

図 1: スケジュールドタイミングの動作原理

4 回は MR 行きのビーム加速サイクルであり、残りは全て中性子施設 (MLF) 行きのビームパルスである。
このように、リナックおよび RCS は各運転パルスごとに、異なるモードおよびタイミングで動作しなければならない。この動作をどのように実現するかは次節で述べる。また、ハードウェア、および製作状況についても以下の節で述べる。

2.

タイミングシステムの構成

2.1

動作原理

図 1 にスケジュールドタイミングの動作原理を示す。前節でも述べたように、スケジュールドタイミ
ングは中央から各施設に送られる 50Hz のトリガークロックからのディレイとして定義される。トリガークロックを送るに先立ち、「タイプ」と呼ばれる制御ワードが中央から送られる。タイプは、次の 50-Hz677

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Trigger CLK

3GeV RCS OPERATION

LINAC OPERATIONOPERATION START

Trig CLK~10ms
DTL-Qmag~200µs~30µs~5µs

DTL-Qmag

RFQ-RF~10ms

20ms~500µs~10ms

Ion Source Plasma

3GeV Injection
Linac Acc.

Pre-Chopper

Extraction

40ms

Vacc

3GeV STARTIon Beam

Magnet RESETRFLINAC RF
100 ~ 900µsec
M-AnodeH-Bump100 ~ 800µsec
RF-pulse

V-Bump100 ~ 600µsec
Beam-compensation pulse

Extraction
3GeV Acceleration

図 2: リナックのタイミングチャート

図 3: RCS のタイミングチャートの周期の加速器の運転の「タイプ」を表わす制御ワードである。加速器機器室・電源室等に置かれたタイミ
ングコントロール受信モジュールは、これらトリガークロックおよびタイプを受信する。各受信モジュールはそれぞれメモリーを持ち、タイプに対応するメモ
リの内容により、次の周期の動作を以下のように決定する。すなわち、(1) 設定されたディレイでパルスを出力する。(2) 次の周期ではパルスを出力しない。
(3) トリガークロックを受信してもディレイカウンタをリセットせずに、トリガークロックを越えて数え続ける。

Timing Chart :3Gev Extraction --- 50GeVInjectiont
Injection OKP4

P3
Delay : P0 (50GeV Start), SW440(P5) P0

t: msec

4040

P150GeV

P2
P050GeV Start

K1

K3

K2

P1

K4

Neutron, Meson

Delay

K1

K2

3GeV

1Bmax

2Bmin

3GeV Start
Injecion
Master Delay

345

67888

123

Delay :ARC
Delay :Beam Chopper Start/ Stop (Linac Beam Witdh)
Delay :Linac RF, Q
Delay : SW
Magnet (SW-1~SW-3,SW-9)
Delay :H- Bump (ADSBT, NBT, 50GeVRing)

Delay : Synchronization
Delay :Ext Kicker,

Delay :RF Vacc, RF ON

Extraction
Master Delay

Delay :Ext Septum
Delay :Inj Kicker (50GeVRing)
Delay :Inj Septum (50GeVRing)
Delay : SW
Magnet (SW-4~SW-5)

50 GeVRing BeamSXFX
3GeVRing Beam

この方法により、50 Hz ごとに違ったタイミングおよびモードで加速器の機器および電源を運転することができる。

図 4: MR のタイミングチャート

J-PARC では、RCS および MR の電磁石電源は ACラインとは非同期に運転されるため、タイミングシス
テムは AC ラインに同期する必要がない。このため、
J-PARC の全てのタイミングシステムは、高安定・高精度のシンセサイザーで生成されたマスタークロックを基準に動作し、50-Hz トリガークロックはマスタークロックをカウントすることにより生成される。
リナックの加速周波数が 324-MHz であることを考慮し、マスタークロックの周波数は 12-MHz とした。

2.3

ハードウェア中央のタイミング制御室には以下に述べる装置・モジュールが置かれる。高精度シンセサイザおよびクロックジェネレーターにより、12-MHz のマスタークロックが生成される。50-Hz のトリガークロックは、マスタークロックをカウントするトリガークロックジェネレータから出力される。タイミングコントロー
ル送信モジュールは、50-Hz のトリガークロックに先立ちタイプ情報を送信するものである。タイプはシ2.2 各加速器のタイミングチャートリアル化して送信される。J-PARC 各施設へのこれら信号の配信のために、ファンナウトと E/O モジュー
図 2 に、リナックの主な機器のタイミングを示し ルが使用される。これらの信号は中央から光ケーブた。DTL-Q 電磁石電源は 10 msec 程のライズタイム ルを通じて各施設に配られる。各施設では、必要にを持つため、最初にトリガーを与えられる。リナック 応じ O/E、ファンナウト、E/O を組み合わせてリレー
は 50-Hz の繰り返しで運転され、そのうちの半分の ステーションを構成することができる。このようにパルスではビームは RCS (25-Hz 運転) に導かれる。 信号配信系はスター状の構成になっており、全てのビームの入射から取り出しまでの RCS のタイミング 施設では同じ信号および情報 (クロック、トリガークチャートを、図 3 に示した。50-GeV の MR の通常運 ロック、タイプ) を受信することになる。
転では、1 回の MR サイクル中には 91 回の RCS の
図 5 に電源室等に置かれるタイミング受信設備の運転サイクルがある。
概略を示した。各電源室等で、配信された 3 種類のMR には速い取り出しおよび遅い取り出しのビー 信号は O/E モジュールにより電気信号に変換され、ムオペレーションがある。MR のタイミングチャート タイミングコントロール受信モジュールに導かれる。
を図 4 に示す。図中のマーク、P0 (=P5) から P4 は、 受信モジュールは、個別のトリガーを生成する重要MR サイクル開始、MR へのビーム入射開始、加速開 なモジュールであり、詳細は次節で述べる。受信モ
始、加速終了、減速をそれぞれ示している。
ジュールの 8 チャンネルの出力は、トリガーファンナ
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トし、カウントを開始する。ディレイワード中の指定のディレイ値でパルスを出力する。(2) トリガーク
ロックから先の 50-Hz ピリオドではパルスを出力しない。(3) トリガークロックを受信してもディレイカウンタをリセットせずにカウントを継続し、指定のディレイ値でパルスを出力する。(3) の機能は、RCSおよび MR といった 50Hz と異なる周期の施設のタイミングを設定するために必要な機能である。また、制御ビットの設定により、VME インタラプトを発生させることができる。
受信モジュールはカスケード接続ができるように入力信号のスルー出力を備えている。ひとつの受信モジュールは独立な 8 チャンネルのカウンタを持つ。
主な出力ポートを以下に示す。このうち、ディレイ
ドパルス出力およびゲート出力からの信号は、ドライバーモジュールを通じ適切な電圧レベルに変換されたうえで機器・電源に導かれる。

OPT Cable
TRIG
PULSE OPTGATEFANOUT GEN
TRIG(optional) (optional) (optional)

TRIG
FANOUT

NIM
O/E

ReceiverModules

To power supply/ devices

To power supply / devices

THRU

VME

1

2

3

4

indicates "USER-OUTPUT". (Delayed-pulse / gate){

is a set of (1) 12MHz clock(2) 50Hz trigger clock
cables:(3) timing-control (100Mbps serial)

図 5: タイミング受信設備• ディレイドパルス出力: 独立な 8 チャンネル。上ウトおよびゲートファンナウトで、加速器機器の要求する電圧レベルに変換される。必要に応じ、トリガーパルスジェネレータによりパルス幅の変更が行なわれる。光トリガーが必要な機器のためには、E/Oモジュールが用いられる。

2.4に示した通り。

• ゲート出力: 4 チャンネル。ディレイドパルス出力のうちの 1 つによりセットされ、別な出力によりリセットされる。

• タイプ出力: 受信したタイプは、VME レジスタに保持されるとともにモジュール前面パネルからパラレル出力される。
• トリガーカウント: MR サイクル中で、開始から何回のトリガークロックを受信したかを示す。

タイミングコントロール送信・受信モジュール

送信モジュールは、タイプ列を記憶する「タイプメモリ」を基板上に持っている。毎回のトリガークロックに先立ち、タイプメモリから取り出されたタイプがひとつずつ送信される。タイプ列の長さは最長1024 個までの範囲で任意に決めることができ、タイプ列の終わりはエンドワードによって示される。ひ
とつのタイプ列は、1 回の MR サイクルに相当する。
「S] と呼ばれる特別な毎回の MR サイクルに先立ち、ワードが送信され、MR サイクルの始まりを示す。タイプおよび「S」のビット幅は 32 ビットである。タイプはシリアル化して送信される。タイプの MSB は、「S」を表わす特別なビットである。以下、タイプは「C」「D」(各 8 ビット) の 4 つの「A」(7 ビット)「B」セクションに分割される。受信モジュールは設定により、どのセクションを受信するかを決めることができる。
受信モジュールは基板上にルックアップテーブル(LUT) を持ち、LUT には「ディレイワード」(ディレイ値と制御ビットから成る) が記憶される。LUT の内容はボード上に計算機からダウンロードされる。受信モジュールは、タイプを受信すると、タイプに対応したディレイワードを LUT から取り出す。トリガークロックを受信すると、受信モジュールは基板上のディレイカウンタをスタートさせ、ディレイワードに応じたタイミングでトリガーパルスを出力する。ディレイ値は 24 ビットで、ディレイカウンタは 96-MHzで動作する。96-MHz の内部クロックは PLL により、12-MHz のマスタークロックから生成される。最大約170-msec までカウントすることができる。LUT から読み出されたディレイワード中の制御ビットにより、各チャンネルのカウンタは、以下のどれかの動作をする。(1) トリガークロックによりカウンタをリセッ

3.

製作状況

量産機の製作に入っており、基本特性は良好である。GUI まで含めたソフトウェアについての検討をしている。

4.

まとめ

• J-PARC は、スケジュールドタイミングおよびシンクロナイゼーションタイミングの 2 種類のタイミングをもとに動作する。

• スケジュールドタイミングは、50Hz ごとに異なるビームオペレーションに対応できるようにデザインされた。このシステムにより、異なる繰り返しを持つリナック、RCS、MR のタイミングを総合的に統轄することができる。

5.

謝辞

KEK の田中真伸、島崎昇一、門倉英一の各氏には助言および協力をいただきました。ここに感謝の意を表します。

参考文献[1] “Accelerator Technical Design Report for High-Intensity
Proton Accelerator Facility Project”, KEK-Report, 2003
[2] E. Kadokura, “Timing System for the JHF”, 2000[3] F. Tamura et al., “J-PARC Timing System”, in the proceedings of ICALEPCS 2003, 2003

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