KEK/JAERI 統合‫ڐ‬画 400MeV ຨ子リニアック用‫ݗ‬周波基準信号分配システム
小林鉄也1,A)、千代悦司 A)、穴見昌三 B) 、山口誠哉 B) 、道園真一གྷ B)A)

日本原子力研究所〒319-1195 茨城県జ珂郡東海村白方白根 2-4B)‫ݗ‬エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

KEK/JAERI 統合‫ڐ‬画のຨ子リニアックでは，加速஢場（324MHz および 972MHz）の位相，振幅変動をそれぞれ±1°，±1%以内に抑えなければならない．
ゆえに，その基準信号の分配においても‫ݗ‬安定なものが要求される．12MHz の基準信号は光伝送によって約 50 台の各クライストロン駆動システムへと分配される．このため光コンポーネント（位相安定化
光ファイバ，E/O，O/E 等）の特性は೪常に重要で性能評価・検討を行った．既製のものでは要求される性能に対して不十分であり，E/O，O/E に関しては新たに開発を行っている．その性能評価結果と，提案される‫ݗ‬周波基準信号分配システムを報告する．

（<400MeV）972MHz のクライストロン 23 台（ACS用）により加速஢力が供給される（図１参照）．‫ݗ‬周波加速஢場の安定性はビーム品ࡐを決める最も重要な要素の１つとۗえる．そのため加速஢場の位相誤差，振幅誤差はそれぞれ±1°，±1%以内が要求されていて，各空洞間の位相関係を決定する絶対基準が十分に‫ݗ‬安定であることが必要となる．‫ؼ‬年における他の加速器同様，この基準信号は位相安定化光ファイバを用いた光伝送によって分配される．クライストロンギャラリーの温度が 27±2°C に制御される
中 で ， 基 準 信 号 安 定 度 と し て 位 相 変 動 ±0.3°（±1ps@972MHz）以内を目標値とする．厳しい要求のため光伝送コンポーネント（E/O，O/E，光ケーブル）においても詳しい評価が必要である．

１．はじめに２．‫ݗ‬周波基準信号分配システム‫ݗ‬エネルギー加速器研究機構（KEK）と日本原子力研究所（JAERI）の共同による大強度ຨ子加速器
建০の建০が進められている[1]．線形加速器の‫ݗ‬周波加速については，前半（<191MeV）324MHz のク
ラ イ ス ト ン 20 台 （ RFQ,DTL,SDTL 用 ） ， 後 半

図１に RF 基準信号の分配システム構成図を示す．
周波数は 12MHz を用い，マスターオシレータの信号は各ローレベル RF 制御（LLRF）ステーションへ光伝送によって分配される．光信号にするメリットには，（1）伝送損失が೪常に小さい，（2）஢磁的概要

図１：基準信号分配システム・レイアウト
1

E-mail: koba@linac.tokai.jaeri.go.jp

ノイズの影‫؜‬がない，（3）位相安定化同ࡃケーブ（TDS8000）を用いて直接ૺ延時間を測定する２種
ルと比Ԕして１桁以上温度係数が小さい，などがあ་の方法で行い，どうちらもほぼ同じ結果を得た．
り，特に（3）の特徴が重要となる．
この結果では目標（位相変動±0.3°以内）を達成でおよそ 50 ヶ所ある LLRF ステーションへの分配きない．ただし現在は，住友஢工は PSOF の製造をについては，クライストロン 4 台分（‫ݗ‬圧 DC ஢源
中止しており，実機で使用するのは古河஢工製のも1 台分）に対して 1 本の光ケーブルで伝送し，‫ ڐ‬14のである．古河஢工製については温度係数 0.4ppm/°C本の光ケーブルにより分配することにした．マスタなどが報告されている[4]．しかし，メーカーが保証ーオシレータの基準信号は O/E により光信号（波ସするのは 1ppm/°C 以内であり使用温度によっても異1550nm とする）に変換され，直後に光スターカプなる．またケーブルの敷০の仕方によっては期待通ラにより 14 分岐される．それぞれの伝送先においりの特性が得られないこともある．て更に 4 分岐され，すべての LLRF ステーションが以上のことから，必要な 0.3ppm/°C を得るのは೪
基準信号を光信号で受け取る． 12MHz の光変調は，常に困難と判断し（時間的にも予算的にも新たに開安定化のため速い立ち上がりを持った方形波とする． 発する余裕はない），今回は，水冷により光ケーブ
将来的にはマスターオシレータの代りに，リングかルの温度を±0.1°C に制御することにした．これによら 12MHz の信号をもらい，それを基準に PLL 発振
り光ケーブルにおける位相変動を±0.05°程度に抑えさせる．
る．光ケーブルは床下ピットに敷০される予定で，各 LLRF 制御ステーションでは，この 12MHz を断熱加工された専用のケースを用意し冷却水配管と基準として位相ロックをかけ加速 RF 等の必要な信伴にその中に入れる．
号を発生させる．また空洞の位相変動およびビーム
現在，古河஢工製 PSOF の特性評価を行っている．
ローディングに対して，I/Q 変調器を用いディジタ
ルフィードバック制御を行い振幅・位相の安定化を
４．光トランスミッタ／レシーバ
図る[2]．これら信号の発生およびフィードバック制
光トランミッタ（E/O）およびレシーバ（O/E）の御システムは cPCI のモジュールとして製作する．
安定性も೪常に重要となる．要求される性能を満たす E/O，O/E として，Spring-8 など幅広く使われସ
３．位相安定化光ケーブル
い実績もある AgereSystems（旧オーテル）社製のも位相 安定 化光 ファ イバ （Phase Stabilized Opticalのが第１候補として考えられる．しかし周波数帯域
Fiber，PSOF）は，その名の通り温度変化に対するが 10MHz 以上である．12MHz ではその下限に‫ؼ‬く，伝送ૺ延時間の変化を小さくしたもの（1ppm/°C ª
安定性等が心配される．また整った方形波が得られ5ps/km/°C 以下）で，その温度特性は通常の光ファない．その他，1）೪常に‫ݗ‬価，2）O/E は約 50 台
イバより６倍以上優れている．心線の２次被覆に負必要で，かつ cPCI ボードに内蔵させる必要がある，の膨張係数を持った材ࡐを用いることでファイバ自3）今後の市場の展望，光アンプの使用等を考慮し，身による温度係数をキャンセルさせている[3]．
波ସを 1550nm としたい
（AgereSystems の波ସ 1550nm
現在 PSOF は，住友஢工製と古河஢工製の２社には更に‫ݗ‬価）,などの理由により，今回新たに最適なよるものだけである．Spring-8 等で住友஢工製が使E/O，O/E を開発することにした．そこで，グラビ用されており，KEKB では古河஢工製のものが採用
トン社[6]に対応してもらい，波ସ 1550nm の E/O をされている．文献[4,5]などで，その特性が報告されࠟ作した．現在実機用を製作中である．ているが，住友஢工製の PSOF は 25°C 付‫ؼ‬から温ところで，今日の光通信技術は目紛しく発展して度係数が急激に悪くなる特徴を持つのに対し，よりいるが，SDH/SONET 等のディジタル通信֩格に限‫ݗ‬い温度でも小さな温度係数を保つように改良されられ，‫ݗ‬安定かつ任意の波形で変調できる光伝送機たものが古河஢工製である．ただし現在では，住友器を扱う所は AgereSystems 以外にほとんど見当たら஢工は撤退し，世界的に見ても古河஢工のみが製造ないとۗって良いのが現状である．
している．
温度係数が 1ppm/°C の場合，972MHz では，空調±2°C の変化に対して 300m 伝送において約±1°の位相変動になる．基準信号の位相変動±0.3°以内を目標とするとケーブルの温度係数を 0.3ppm/°C 程度にしなければならない．
今回我々は住友஢工製 PSOF を入手し特性を測定することができた．6 心ケーブル（約 300m）をドラムに巻き恒温室に入れて測定を行った．結果を図２に示す．空調範囲 27±2°C において，温度係数が約1ppm/°C である．６心中３心について測定し一致した結果を得た．波ସ（1.310nm と 1550nm）による違いは見られなかった．また，測定方法として I/Q 復調器による位相検出法と，サンプリングオシロ図２：住友製 PSOF 温度特性

波ସ 1550nm での光ケーブルにおける伝送損失，E/O
Opt Link Jitter (rms) [ps]
分 散 は ， 300m 程 度 の ‫ ״‬離 で あ れ ば 無 視 で き る
Graviton (100kHz~2GHz)
5.5（1.310nm の方が低分散）．ただし光源（E/O）と3510A (0.01~3GHz)
7.6
して分布帰還型（DFB）レーザー等，波ସ（縦モー3540A (0.1~3GHz)
11.0ド）の選択性がありスペクトルが十分狭いことが必要である．
表１：E/O の相対的ジッタ評価．サンプリングオ
シロ(TDS8000)による測定．信号源として 12MHz
今回グラビトン社がࠟ作した E/O（波ସ 1550nm），パルス（立ち上がり時間 500ps）用いて測定した．
および オーテル製の E/O（3540A），O/E（4511A）
測定系のジッタ（約 7ps）を差し引いた値である．
について特性評価を行った．12 時間の位相変動，および温度特性の測定結果を，それぞれ図３，図４に示す．O/E はオーテル製 4511A で共通に用い，E/Oアンプによる２値検出方式で低ジッター化を図る．
だけを変更して比Ԕした．図３から，ସ期の安定性
将来的に光アンプ導入によるジッター増加を考慮し，についてはグラビトン製の E/O を使用した場合の方できるだけ E/O，O/E は低ジッターにしておきたい．
がやや良い結果となり，安定なところで変動が±0.04°
性能比Ԕのためジッター評価の結果を表１に示す．
（972MHz で±0.12°）と目標達成が期待できる．温時間ジッターの絶対的な値はパルスの立ち上がり時
度特性においてもグラビトン製の E/O が良い結果で， 間等の条件によって変わるので，ここでは問題にし温度係数 0.5ps/°C である．しかし空調±2°C に対しない．現在グラビトン社によって製作を進めているては不十分で，E/O，O/E それぞれ温度制御が必要
E/O，O/E では 1ps 以下のジッターを目差す．となる．E/O は恒温槽に入れて運転する．
基準信号 12MHz（クロック）は位相安定化のため５．まとめと今後のӀ題速い立ち上がり時間（<200ps）が要求されるので，
本ຨ子リニアックの‫ݗ‬周波加速では，12MHz の RF
現在実機用に新たに開発している E/O ではパルスド基準信号を光伝送によって分配し，位相変動±0.3°以ライバを内蔵させ光信号をパルス変調させる（入力内を目標とする．光コンポーネントの性能評価を行は 12MHz の sin 波とする）．
った結果，位相安定化光ケーブルは温度制御が必要
O/E については各 LLRF システムで受けるため約であることが分かり，水冷により±0.1°C に制御する．
50 台必要で，実機用に cPCI モジュール内蔵型の温E/O，O/E においても既製品のものでは十分に要求度制御付のシステムを製作中である．O/E の変換はを満たしているとはۗえず，新たに開発を進めていトランスインピーダンスアンプ及びリミッティング
る．E/O ではパルスドライバ内蔵によるパルス変調でジッター1ps 以下を目差す．O/E は温度制御付のcPCI モジュール内蔵型を製作中である．
今後の予定として，古河஢工 PSOF の特性ࠟ験を行う．また，現在グラビトン社により製作中の E/O，O/E の性能評価を行う．研究会当日では結果を報告する予定である．さらに，分配システム全体の安定性を確認する必要がある．また，光伝送以外の変動が大きな問題になるであろう．場合によってはフィードバックによる位相の制御が必要になることが考えられ，光移相器を用いたフィードバックシステムも検討している．
また E/O の出力強度が不十分で S/Nが悪い場合は光アンプの導入を考えている．その場合のジッター等の評価が必要となる．
図３：光リンクସ期安定性

ࡤ辞システムに関する多くのࡐ問・要求に対して快く対応して下さった KEK の内藤孝氏，海老原清一，末武聖明氏に深く感ࡤ致します．

参考文献

図４：光リンク温度特性[1] URL: http://jkj.tokai.jaeri.go.jp/[2] S. Michizon, et al., Proc. of the 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan, pp.85-87, 2001.
[3] T. Kakuta, S.Tanaka, Proc. of International Wire & Cable
Symp., pp.234-240, 1987.
[4] T. Naito, et al., Proc of PAC2001, pp.791-793, 2001.
[5] H. Suzuki, et al., Nucl. Ins. and Meth. A431, pp.294-305,
1999[6] URL: http://www.graviton.co.jp/