Linac Faster Beam Switch

Timing/Controls
for Pulse-to-pulse Beam Switch
Kazuro Furukawa
for Linac Control Group
Jun. 20. 2008.

Linac

Kazuro Furukawa, KEK, Jun.2008.

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Linac Faster Beam Switch

Continuous Injection at Two/Three Rings
u Continuous Injection or Pulse-to-pulse Beam Switch for PF Ring, KEKB e–, e+u Parameter changes at 50 Hzv Magnet³³³³

Pulsed Bending Magnet (BM̲58̲1) On/Oﬀ
Pulsed Steering Magnet (PX̲17,21), 4 magnets, On/Oﬀ, (Field)
Pulsed Coil On/Oﬀ, Timing Stand-by
The same parameters for other Magnets³³³

Fast Phase changes at many stations
Fast Timing Acc/Stand-by changes
Synchronous rf measurementsv rfv Gun (source)³³

Grid Pulser selection changes
Bias voltage and Delay changes

v Beam Instrumentations
³³v
vvv
v

Linac

Fast synchronous BPM readout at 50Hz (2Hz for now)
Synchronous measurement at Wire Scanners, Streak Cameras

Dynamic Beam Repetition or Selection
Synchronization of PF-Ring and Sub-Harmonic Bunchers
Synchronous Beam Stabilization Feedbacks
Parameter Display/Compare/Set Software Panels
Logging, Archiving

8GeV e–3.5GeV e+PF e–
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2Linac Faster Beam Switch

Linac

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Linac Faster Beam Switch

Event System
u加速器では、速い Timing 信号の他に状態を区別するための遅い信号(Event) の伝達が必要になることが多い
v KEKB や Linac では組み合わせで行なってきた³ 主に速い Timing を TD4/TD4V で供給する
w Timing と rf が必要³ (Slow) Event を別の仕組みで供給する
w Hardware と Software の組み合わせv Timing と Event を一つの機構で扱おうとする Event/Timing
System が Argonne/SLS/Diamond で開発され複数の研究所で使用されている (Event Generator/Receiver)³ 上の Fast Timing, rf, Hardware event, Software Interrupt が一つの機構で扱える、Cable は 1 本だけ³ 特に EPICS では EPICS Event と直結することができる
Eventgenerator

Event code

FanoutEvent receiver
Event receiver
Event receiver

Coax Cable or Optical fiber link
Linac

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4Linac Faster Beam Switch

Event Systemu 複数の加速器での経験を元に設計された、情報を伴った Timing 信号の伝送機
構³ APS at Argonne (ANL/APS)³ Swiss Light Source (PSI/SLS)³DIAMOND³(TRISTAN, KEKB, Linac)

v 新しい Event System (EVG/EVR-200/230)³ 多数の加速器で採用 (予定)w
w

DIAMOND, SLS, BEPCII, LCLS, Shanghai, KEK-Linac, Austraria, …
(SNS), (LANL), (BNL), …

³ 高機能w
w

Bit rate 2.5Gbps まで, Event rate (及び 内部 rf) 50-125MHz, ~10ps,8bit signal, 2kbyte data buﬀer, EPICS support

Eventgenerator

Event codeFanout

Event receiver
Event receiver
Event receiver

Optical fiber links
The stimulus to send an event can be:-pulse on a hardware input-software event (write to a register)-an entry in an event playback RAM
Linac

When an event code is received the receiver can:-output a pulse, of specified delay and width-trigger a software action (process an EPICS record)
Each event receiver can be programmed to respond in adifferent way to the same event code.
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5Linac Faster Beam Switch

Event System Plan from Fall 2008

KL_B5/B6

SB_B

e– BT (PF)KL_A1ARC

Event Receivers
SB_2

SB_3

SB_4

e+ BT (KEKB)

SB_5

e+ Targete– BT (KEKB, PFAR)
Cont-3Cont-4Cont-5

Event Generator
CentralLinac

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Linac Faster Beam Switch

Linac - PF-Ring Synchronization
u新しい同期回路
v114.24 MHz は既に KEKB リングの周長補正のために決定されている。一方、PF リングも同様の周長補正を行うため、その旋回周波数 1.6 MHz は独立に決定される。
v下の回路はこれらの独立の rf 周波数からジッター 700ps を許して同期タイミングを探すもの（最小 300ps）。この回路自体は通常 10 kHz 以上の出力があり、商用周波数50Hz と遅い同期をさせてパルス繰り返し信号を作っている。

Linac SHB 1

50/n Hz114.24 MHz

Flip-flop
Flip-flop

PF Revolution

1.6 MHz

Linac

Precise-delay

Gun

Flip-flop

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Linac Faster Beam Switch

Rf 位相制御u現在は PLC の DAC/ADC で IφA を制御
u速い切り替えの方法を模索していたが、VME の DAC/ADC を使用する方向でSoftware 試験中

Event
Generator

Event
Receiver

Timing
Linac

DAC

恒温槽
Low-Level rf
IφA
PLC

ADC

VME
Event-System
DAC/ADC

VME(RTEMS)
VxWorks
EPICS

Analogllrf
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Linac Faster Beam Switch

Fast BPM Read-out
u新しい高速 BPM 読み出し
vBPM の読み出しは約 20 のステーションで行われるが、これまで使用してきた測定系（左）では 1 秒に 1 回の測定しかできなかったが、一部運用を開始した測定系（右）では 1 秒に 50 回以上の測定が可能となる。また、Oscilloscope (DPO7104) の上でEPICS が動作するので分散処理が容易になる。

Ethernet/IP

Ethernet/IP

VME
Oscilloscope

Oscilloscopewith Windowsand EPICS

BPM x 4~10

BPM x 4~6GPIB

Linac

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9Linac Faster Beam Switch

現状
uPF-Ring、SHB 同期
v 要求の許容幅 700ps jitter では入射試験済み
v 禁止帯の対応 (?)、300ps まで対応可

uEvent Modulev Hardware の試験は一昨年から継続
v 新しい Software/Firmware の試験と改造をほぼ終了
v 実用 Software/Database の構築中

uRf 位相設定
v ADC, DAC 用 Software 使用中

uPulse Magnet/Steeringv これから試験

u高速 BPMv 新 Oscilloscope 運用中
v EPICS Software 開発中、50Hz 開発中
Linac

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Linac Faster Beam Switch

制御
u制御系のパラメータにビームモードの概念
v複数の仮想加速器に対して運転操作を行う
vパラメータによっては仮想加速器毎に独立の値
vパラメータによっては仮想加速器間の妥協点の値
v他のパラメータは共通

uモニタ読み出し機構にもビームモードの概念
v履歴にも…

u漏れのない監視機構の開発
uPF - KEKB Compatible Optics の開発と平行して試験uその他 (Stealth) Beam Diagnosis (例えば Phasing)も可能であれば…
Linac

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Linac Faster Beam Switch

Beam Operation
uKEKB と PF-Ring の双方に入射している状態ではv 例えば、次の表のうちの一つをまず選びさらにその制限内で KEKB / PFRing （独立に）繰り返しを選んでもらう
KEKB

PF-Ring

KEKB

PF-Ring

KEKB

PF-Ring

50 Hz

0 Hz

50/2 Hz

50/2Hz50/5 Hz

50/5Hz50-1 Hz

1 Hz

50/4 Hz50/4 Hz50/10 Hz 50/10 Hz

50-2 Hz

2 Hz

50/6 Hz50/6 Hz50/20 Hz 50/20 Hz

50-4 Hz

4 Hz

50/8 Hz50/8 Hz50/50 Hz 50/50 Hz

50-5 Hz

5 Hz

50/10 Hz 50/10 Hz…

…

v さらに KEKB e– と e+ の繰り返しを選ぶ
v Kicker が許せば、将来、不等間隔入射にも対応する
v まず 1 秒内の Pulse を自由に選択できる機構ができている
Linac

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Linac Faster Beam Switch

Switching Speedu現在は切り替えに 30 秒から 2 分要している
u段階的に 50Hz (20ms) まで速度を上げる
vまずは Software でも対応可能な、〜10 秒³2008 夏vHardware (Event System) が必要となる、1 秒程度³できれば 2008 冬v最終的に 20ms 毎³2009 夏vそれぞれの段階で前 Page の項目のどこまで達成できるか
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Linac Faster Beam Switch

現在の Sub-Timing Station

現在の Main Timing Station

Linac

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Linac Faster Beam Switch

5 月から(試験)運用している Event Generator

昨年秋から(試験) 運用している
3 Sector Sub-booster
Station の llrf 用 DAC/ADC,と Event Receiver
5 月から(試験) 運用
している 1 Sector
Timing Station のEvent Receiver

Linac

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Linac Faster Beam Switch

将来
uすべての CAMAC をやめたい。TD4 を使用停止して Module 数を 1/10 にする
uGun Pulser と Streak Camera は 1ps 程度の再同期回路を開発する
u現在片方向 Local PLL なので温度が変わるとTiming Drift が大きい。短期 Jitter は <10ps(TD4 は ~3ps)、Drift は数十 ps。双方向にTiming を交換し広域 PLL を行えば改善が期待できる
vEVG/EVR-230 は送り返しの信号線はもっているが、繰り返し側 Hardware PLL が無い
Linac

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Linac Faster Beam Switch

Beam を使用した Event System 試験
u現状
vTest Stand での 20ms 切り換えと運転 Beam を使用した遅い切り換えは順調vしかし、運転環境下で問題ないかどうかの確認が必要
vまた、秋からの Grid emission 回避のため、先延ばしがしにくくなった

u試験
v1 Sector 大電力 Klystron を待機状態にする³(ちなみに、秋は 1 Sector の高速切り替えは行わない)

v3 Sector Booster Klystron の位相を変更する
v上の 2 つを同期して変更する
Linac

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Linac Faster Beam Switch

加速、待機 Mode 切り換え
uSC̲61̲H での 50Hz Beam の Screen 観測³待機なし³1Hz 1 台待機 (第 1 Sector)³1Hz 2 台待機³25Hz 2 台待機

Linac

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Linac Faster Beam Switch

位相切り換えuSC̲61̲H での 50Hz Beam の Screen 観測³25Hz 100deg-120deg 切り換え
³1Hz 100deg-120deg³1Hz 100deg-140deg³25Hz 100deg-140deg

Linac

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Linac Faster Beam Switch

位相切り換えuSC̲61̲H での 50Hz Beam の Screen 観測³50Hz 100deg-140deg-160deg 切り換え

Linac

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Linac Faster Beam Switch

加速待機及び位相切り換え
uSC̲61̲H での 50Hz Beam の Screen 観測³50Hz 加速待機
³50Hz 100deg-140deg³同時切り替えLinacKazuro Furukawa, KEK, Jun.2008.

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