電子・陽電子入射器用RFモニタの開発
片桐 広明
加速器研究施設 加速器第五研究系

1

概要
 電子・陽電子入射器で、大電力RF源の電力・位相を測定するRFモニタを更新した。従来のモニタでは入射器の同時入射運転に対応できなかった

報告内容
 電子・陽電子入射器の同時入射運転とRF源の運用

RFモニタへの要求
 RFモニタユニットの開発
 要求を満たすための設計
 同時入射運転への対応



達成度、成果、どのように役立っているか ビーム運転への応用
 RF源診断への利用



まとめ

2

KEK電子・陽電子線型加速器（入射器）
 4つのリングに異なるエネルギーHERのビームを入射

HER（SuperKEKB）：
e-, 7 GeV LER（SuperKEKB）：
e+, 4 GeV PF（放射光）：e-, 2.5 GeV
 PF-AR（大強度放射光）： e-, 6.5 GeV

 同時入射運転LERPF 50Hzごとにエネルギー、電荷の異なるビームを4つのリングに振り分ける
 トップアップ運転（一定の蓄積電流を維持）への対応

PF-AR

時間
3

入射器のビームエネルギーパターン

60 台の大電力RF（高周波）源から供給するRF電力によりビームを加速する
熱電子銃

Energy Knob

B
1.5 GeV

1.1 GeV e+
ダンピングリング

光陰極RF電子銃

A

BCS

8つのセクター (A-C,1-5)

ECS

Energy Knob

PF
ECS

C

123

シケイン

45

4.219 GeVe+ 標的C



1PF-AR 6.5 GeV e-

待機

LER 4 GeV e+

減速位相1.1 GeVe+

PF 2.5 GeV e-

加速位相
2LER

HER 7GeV e-

加速位相e-HER

PF-AR

345

イベントタイミングシステムが50Hzのパルス毎にビームモード（入射するリング）を切り替える
RF源では50Hzのパルス毎にRFタイミング（加速、待機）、位相（加速、減速）を制御する 4RFモニタへの要求


大電力RF源の電力レベル（振幅）・位相を常時監視する 約60台のRF源全数で、50Hz 全パルスを測定する

検出精度：振幅0.1% rms、位相0.1度 rms
 同時入射運転への対応 ビームモード毎に測定データを振り分け イベントタイミングシステムからイベントコード、ショットIDを取得する

技術上のポイント：イベントレシーバー（EVR）をFPGAに組み込む
 工夫、努力した点：EVRの実用化
5 課題・問題点：データの構造を解析し、必要な情報を抽出する
大電力RF源
SLED

パルス電源
大電力
クライストロン

RF計測ラック

SLED出力

振幅

KLY出力
ビーム位置



大電力クライストロン
4μs



位相

位相反転
180度

SLED（パルス圧縮装置）


2856MHz、定格50MW、
パルス幅4μs、繰り返し50Hz
約2倍の加速電界を得る

RFドライバ

パルス変調、位相反転、同時入射のための位相制御
6RFモニタユニット（RF測定、デジタル変換）
RFモニタユニット
FPGAボード

イベントタイミング
信号Linuxサーバー（EPICS IOC）

イベントレシーバ（EVR)

ADCボード

ADC
ADC

GbE

2856MHz
RF信号
I

Q

I/Q

検出器

2856MHz
基準信号

I/Q検出器 [RF測定] ： 0から360度切れ目無く、同じ感度で位相測定が可能
ADCボード[デジタル変換] ： 14bit ADCを採用、測定分解能を高めた
FPGA [デジタル処理] ：GbEにより、取得データをサーバーに転送

パルス波形全体の取得、検出精度、処理速度、全てを満たす設計

改善、進歩

位相検出範囲 40度⇒360度、検出精度(rms) 1度以下⇒0.1度
 50Hzでのデータ取得達成、以前は最大25Hz
7

RFモニタユニット（イベントレシーバ組み込み）
RFモニタユニット
FPGAボード

ADCボードイベントタイミング
信号（光ファイバ）ビームモード情報
Linuxサーバー（EPICS IOC）




イベントレシーバ
（EVR)

ADC
ADC

RF波形データGbE

ビームモード情報＋
RF波形データ

2856MHz
RF信号
I
Q

I/Q

検出器

2856MHz
基準信号

技術上のポイント： EVRをFPGAに組み込み、ビームモードの識別をハードウェアで行う
 測定データとビームモードの同時性を保証する
課題・問題：イベントタイミング信号のフォーマットなど詳細な情報が無かった
工夫・努力：EVR誤動作の原因究明と対策
8

イベントタイミングシステム


入射器のビームモードやタイミングを管理
VME規格のハードウェアで構成

イベントコード
イベント
ジェネレータ（EVG）
データバッファ配列
・ショットID
・RF位相設定値など

イベント
レシーバ
（EVR）

光ファイバ
高速シリアル通信
8b/10b（0と1の羅列）

イベントコード
ショットID

EVRの機能をFPGAに組み込み、受信データからイベントコードとショットIDを抽出する
EVGから配信されるデータに構造を自力で解析する必要があった9

イベントレシーバの組み込み


クロック
下位8ビットカウント
イベント

上位8ビット8b/10bのK28.0コード



組み込みEVRの受信データ
 イベントタイミングシステムのファームウェ
アのバージョンにより、受信するデータの順番が違っていた

組み込みEVRの誤動作と対策
 114.24 MHzクロックの精度が原因だったが、この情報に辿りつくまで時間がかかった

イベント
イベント

イベントデータの構造（Bの方で運用）
 114.24MHzクロックごとに16ビット幅のデータを受信 上位8ビットにイベントコードが入る
 下位8ビットにDbus、データバッファが交互に入る

ショットID（上位8ビット）

イベント
イベント

ショットID（下位8ビット）

イベント
イベント

位相設定値（上位8ビット）

イベント

イベント
イベント

位相設定値（下位8ビット）
10

RFモニタユニット
2台
ADCボード 写真、ラック、中身
クロック
分配系

サーバー
1Uラックマウント

FPGAボード

RFモニタユニット内部
 I/Q検出器は5台搭載
改善、進歩 RF入力チャンネル：１Ch.→5Ch
 ユニットの台数：30台→ 60台

計測ラック（全30台）
 RF源2台分のモニタ信号が集結されている
11

新旧システムの比較

旧システム
VXIベース30台

新システム
RFモニタ60台

8 bit, 最大1GHz14 bit, 114MHz< 40度, 2s

360度, ACC 9s/STB 9s

1CH（8CH切り替え式）

5CH（同時サンプリング）

50Hz データ捕捉×（最大25Hz）○ビームモード識別×○

振幅/位相検出精度

0.15%rms, 0.2度 rms

0.1% rms, 0.1度 rms（テストスタンドでは0.05%，0.03度）

ADC
位相測定範囲RF測定チャンネル数12

波形データの表示例（Waveform viewer）

振幅波形

ユニット、信号の選択

ビームモードの選択

Shot ID：パルスカウントの識別情報
ゲートの設定ゲート範囲内の平均値、最大値をアーカイブ
待機タイミング（約9μs）

位相波形[度]

加速タイミング（約9μs）

13

トレンドグラフ表示例（Archive viewer）
KL_51の加速管出力位相を表示

HER
LER
PF
PF-AR
No Injection

No Injection モードを拡大

14達成度、効果、どのように役立っているか
ビーム運転への応用

15フィードバック制御への応用 室温や冷却水温度の変化とRF位相の相関がより明確になった
 加速管冷却水の温度変動による位相が変化を打ち消す方向に設定値を自動的に調整するフィードバック制御を導入

位相：KL_B5
位相：KL_B3
2度

0.05℃
冷却水温度
フィードバック OFF

フィードバック ON
16

ビーム誘起波測定
ビームが加速管を通過する際に発生するRF電力 位相調整やビーム調整への利用（ビームモニタとして使う）
 大電力RFよりも振幅が低いため高速でON/OFF可能な減衰器を導入し、同一パルス周期内で両方の信号を測定
 減衰量とアンプの増幅率を適切に設定し、測定精度を向上
モニタ
加速管ユニットへ 出力信号

加速管
出力信号

振幅波形

減衰器
加速タイミング
減衰器OFF

モニタユニットへ

減衰器
待機タイミング
減衰器ON

ビーム誘起波位相波形

加速タイミングと待機タイミングは100μsの時間差17達成度、効果、どのように役立っているか
RF源診断への利用
50Hz 全パルスを監視し、RF源で異常が発生した際のパルス波形を自動的に保存

18インターロック作動時の波形保存
VSWRインターロック作動時に得られたデータ
1パルス前

インターロック作動時
KLY Pf

SLED Pf

SLED Pb

加速管

加速管からの反射がSLEDに戻ってきている

KLY Pf
位相19パルス欠け検出
大電力クライストロン出力パルス幅が短くなる現象
 リングのビームに影響する場合があることが判明


1パルス前
4 μS

パルス欠け発生時

KLY Pf

2.5 μSSLED Pf

SLED Pb

加速管

KLY Pf
位相20

論文リスト
本件に関する論文
2012年加速器学会年会「同時入射に対応したRF モニタユニットの開発」
2014年加速器学会年会「SuperKEKB入射器の高周波モニタシステム」
2015年加速器学会年会「SuperKEKB入射器用高周波モニタシステムの現状」

2018年加速器学会年会「SuperKEKB入射器のRFモニタシステムによるRF源診断」
2019年加速器学会年会「SuperKEKB入射器のビーム誘起波測定」
IPAC2018 “RF Monitor System For SuperKEKB Injector Linac”, IPAC’18, WEPAK016

以前のシステムに関する論文
1988年リニアック技術研究会「KEK 2.5GeVリニアックのクライストロンRF波形記録システム」（PFとTRISTAN実験の期間のRFモニタ）
ICALEPCS ‘99 “RF Monitoring System In The Injector Linac”（KEKBに向けた入射器増強の時期に導入したRFモニタ）

21

まとめ
 電子・陽電子入射器のRFモニタを更新

 I/Q検出器、ADCボード、FPGAボードを組み合わせたRFモニタユニットを開発し、要求された検出精度と50Hzでのデータ取得を達成
 FPGAにイベントレシーバーを組み込み、ビームモードの識別を実現
 60台のRFモニタユニットを導入し、全RF源を常時監視
 入射器の安定した運転に貢献
 フィードバック制御、ビーム誘起波測定など、新たな利用が可能となった
 RF源の異常時のデータを自動的に保存し、維持管理に有効な情報提供22

まとめ 測定の安定性の向上が必要

 温度に依存した測定値の変動
 2856MHzの基準信号にノイズが乗り、測定精度の悪化

23

24

IQ検出器Q

基準信号との位相差I

Test2856MHｚ

Ref.
2856MHｚ

I/Q成分
ベースバンド25測定安定度の評価
信号発生器（SG）から2856MHz連続波を入力し、1パルス分の測定（約2000点）での測定値のばらつきを評価
検出精度の目標値を満たしていると判断

振幅: 0.05% rms
std=0.050651%rms

5706

位相 : std=0.02961deg.rms
0.03 deg. rms

169.05

0.1%

5704
5702

0.1deg169

Phase [deg.]

Amplitude

5700
5698
5696
5694

168.95

168.9

5692
5690

168.855688
5686

0510time [us]

1520

168.8

05101520

time [us]@100MHz sampling26イベントタイミングシステム
ビーム入射パターンの設定

イベントコード

イベントジェネレータ
位相値設定

光ファイバー位相情報

KLY HV，パルスMag.，
GUN，BPM

イベント
レシーバ

位相制御

RFドライバイベントレシーバの組み込み• RFモニタ/RFドライバではFPGAに組み込む• EVGからは高速シリアル通信8b/10bで符号化o 例）00000000b > 100111 0100 と変換する• 114.24MHzのクロック毎に2バイトのデータを受信
o 必要なデータのみを抽出する作りこみが必要

イベントレシーバの組み込み• Xilinx Virtex6 FPGA GTXトランシーバを使用• CoreGeneratorにて8B/10Bデコーダ、ビットアライメント、リファレンスクロック等を設計

イベントコードの抽出
クロックカウント

下位バイト

上位バイト

イベント
イベント

位相データ

イベント
イベント

位相データ

イベント
イベント

位相データ

イベント
イベント

位相データ

イベント

受信データの解析結果抽出すべきイベントコードは50Hzで来るため、トリガ検出後に受信したコードを保持する

トリガカウンタ

イベントコード

11822182

3182

4182

5182

6182

7182

8182

9182

10182111821218213182

14182

15182

165217182

18182

No Injection

PFENo Injection

検出されたイベントコードの例（PF 2Hz入射時）

EVRの誤動作
テストスタンドでの動作確認
 現場での動作確認（3台）
 全数インストール後、EVRの誤動作が発生 イベントタイミングシステムのクロックがGTXトランシーバーの位
相ノイズ制限を満たしていなかった

Phase Noise Limits in dBc/Hz:
Ref Clk
Freq. 10KHz 100KHz 1MHz 10MHz 20MHz 30MHz 40MHz[MHz]
100-126-128-130-135-136-140-144

125-121-132-131-136-138-141-144

156.25-119-130-130-135-136-140-143

250-113-126-131-134-135-135-146

312.5-110-125-132-135-135-135-135

Virtex-6 GTX トランシーバの位相ノイズ制限 (dBc/Hz)

制限値@100MHz

イベントタイミングシステムの114.24MHｚクロック位相ノイズ測定値

31

114.24MHｚクロック源の変更
 入射器のタイミング制御用の571.2MHzを5分周した

114.24MHzに変更
 ユニット内のLVDSバッファーを通さず、直接FPGAボードに入力
LVDSバッファー出力

LVDS変換器出力

Analog Devices AD9518評価ボード（クロック分周に使用）

制限値@100MHz

分周後の114.24MHz

分周したクロックの位相ノイズ測定値

FPGAボードへのクロック入力の変更 32

大電力クライストロンの前段増幅器のトラブルにより出力電力を下げたのに伴いクライストロンへの入力変化。RFモニタの測定値が元に戻るよう位相調整を実施
SB_3 印加電圧調整後、SB_3 配下の KLY Phase 調整（三菱SC ）KL_32φ 233.0° → 284.0°
KL_33φ 182.2° → 232.2°
KL_34φ 312.0° → 360.0°
KL_35φ 24.0° → 70.0°
KL_36φ 126.4° → 174.4°
KL_37φ 335.2° → 381.2°
KL_38φ 312.0° → 358.0°（RF Monitor にて KLY PF Phase(NIM) を見て SB_3 電圧変更前と同じ位相値になるよう調整）

33

ON/OFF式減衰器ユニット
SPDTスイッチ2個で減衰器を通るパスとスルーを切り替える。ON/OFFでの位相差は±1度以内
減衰量は、30ｄB、40dB、46dBで試験モニタユニットへ

減衰器チップアンプ

ビームトリガと高圧トリガの時間差を検知し、減衰器のON/OFF制御

測定結果



KL_45ユニットで測定。減衰器46dB＋アンプで、現状最も精度が良い構成
振幅波形を拡大すると、パルス毎の変動がみられる
位相は15度程度の傾きがある

加速管冷却水の経路が一方向のため、上流から下流にかけての温度差による中心周波数からのズレが要因と推測される

振幅波形

位相波形

ビームポジションモニタとの協調

イベントタイミングシステムから配信されるパルスカウント識別コード（ShotID）
を参照し、BPMとデータの同期を取ることが可能
KL_45ユニットの誘起波と直近のBMP（SP-46-4）による電荷量換算値をプロット。SuperKEKB電子（KBE）及び陽電子（KBP）ともに比例関係が確認された同期データ取得の操作画面

TIME
SHOTID2019/06/29 12:06:58.831
2019/06/29 12:06:58.991
2019/06/29 12:06:59.151
2019/06/29 12:06:59.312
2019/06/29 12:06:59.471
2019/06/29 12:06:59.631
2019/06/29 12:06:59.791
2019/06/29 12:06:59.952
2019/06/29 12:07:00.112

KL_45誘起波振幅とSP-46-4電荷量（KBE）

19860
19868
19876
19884
19892
19900
19908
19916
19924

KL_45 ACC2 AMP
KL_45 ACC2 PHASE SP_46_4 X(mm)SP_46_4 Y(mm)SP_46_4 I(nC)
6967.446777
26.84037-0.121-0.5336956.300781
26.47143-0.099-0.5166485.017578
26.718004-0.002-0.5166714.224121
26.78989
0.009-0.5156692.557617
26.510437-0.109-0.5
6813.288574
26.667986-0.065-0.5176266.181152
26.379122
0.009-0.491
7066.933105
26.486324-0.285-0.5236337.054688
26.888493
0.069-0.494取得された同期データの例

KL_45誘起波振幅とSP-46-4電荷量（KBP）

1.032
1.031
0.962
0.995
0.992
1.008
0.928
1.048
0.939

SHB用RFモニタユニットの導入SHB（サブハーモニックバンチャー）用に114.24MHz、571.2MHzに対応したモニタユニットを導入

SHB1
114.24MHz

約142μsSHB2
571.2 MHz

約142μs37

RFドライバユニットの位相デジタル制御
RFドライバユニットにもFPGA組み込みイベントレシーバを導入
 イベントシステムから位相設定値をデジタルで設定
RFドライバユニット前面

RF操作パネル

今後の展望として・・・
RFドライバ、モニタ、インターロック機能の統合を検討
速いフィードバック制御への対応ほか
38

加速管テストスタンドへの導入

加速管の試験・開発のためのデータテーキングに使用

39

パルス欠け検出

全ユニットの統計

40