SuperKEKB に向けた高位置分解能 Linac BPM 読み出しシステムの開発
DEVELOPMENT OF HIGH POSITION RESOLUTION LINAC BPM READOUT SYSTEMTOWARDS THE SUPERKEKB
一宮 亮#, A), 諏訪田 剛 A), 佐藤 政則 A) , 宮原 房史 A), 古川 和朗 A)
Ryo Ichimiya #, A), Tsuyoshi SuwadaA), Masanori SatohA) , Fusashi MiyaharaA), Kazuro FurukawaA)
A)
KEKAbstract

The SuperKEKB accelerator is now being upgraded to bring the world highest luminosity (L=8x10 35/cm2/s). In order
to archive this, electron/positron emittance has to be 20 mm mrad for each beams. To realize them, acceleratingstructures have to align within 0.1 mm. To perform Beam Based Alignment effectively, Beam Position Monitors(BPMs) are essential instruments and required to have one magnitude better position resolution than required alignment
accuracy. To attain <10 μm position resolution, we employed band pass filter (BPF), dedicated readout system with
250 MSa/s 16 bit pipeline ADCs.
This BPM readout system has to have not only high position precision (σ <10 μm), but also precise position accuracy,
which have to be within position precision range. There are many error source of position accuracy; BPM input channel
gain drift during operation is one of the major error sources. To compensate this, a calibration tone generator isimplemented. System linearity is also essential parameter; non-linearity is dominant error source for both precision andaccuracy. Therefore, we designed the system has non-linearity within ±0.02 dB and set an appropriate operation point.
Based on these design, we have fabricated a prototype BPM readout (named 18K12A) and performed several tests
including 3-BPM measurement.

1.

はじめにゲイン比の変動をモニターし、位置演算にフィードバックするものである。

KEK 電子・陽電子入射器(以下入射器と称す)では、世界最大ルミノシティを目指した SpuerKEKB[1]加速器に向けて高度化を進めている。L = 8x1035 /cm2/s を達成するためには、電子及び陽電子エミッタンスをともに 20 mm mrad にする必要がある。これを実現するためには、ビーム光学設計上、0.1 mm 以内に加速管をアライメントしなければならない。安定してBeam Based Alignment を行うためには、ビーム位置モニター(Beam Position Monitor: 以下 BPM)には必要なアライメント精度よりも一桁高い位置分解能が求められる。位置分解能 10 μm 以下を達成するため、バンドパスフィルタ(Band Pass Filter: 以下 BPF)方式[2]を採用し、250 MSa/s・16bit パイプライン ADC を用いた専用読み出しシステムを新規に設計・開発した。
BPM 読み出しシステムは高い位置精度(σ < 10 μm)を確保するだけではなく、同時に位置精度と同程度以上の位置確度を持たなければならない。位置確度 Figure 1: BPM calibration scheme is illustrated.の誤差要因としては様々な理由が考えられるが、各 Calibration tone is provided to the top electrode andBPM からの入力チャンネルゲインの時間的ドリフト induced pulses are generated on both adjacent electrodesによるものは主要な要因の一つである。この効果を with coupling capacitance.
補償するため、校正信号発生装置を読み出しシステ
一方で、BPM 読み出しシステム全体には高い線形ム内に実装した。これは、ビーム入射の間に BPM性が求められる。非線形性は位置確度とともに位置の一電極に対して校正パルスを与えることにより、それに隣接する一対の対向電極に電極間容量を通じ 精度にも影響を及ぼす枢要なパラメータである。て均等な模擬パルスを誘起させ(Figure 1 参照)、その 従って我々は系全体の非直線性を±0.02 dB 以下にな出力パワーをそれぞれ算出する事で、チャンネル間 るように設計し、適切な動作点を設定した。
これらの設計に基づき、新 BPM 読み出しシステ#___________________________________________

ryo@post.kek.jp

ムのプロトタイプ(写真を Figure 2 に示す)を製作し、 前 章 で 議 論 し た よ う に 、 目 標 と す る 位 置 精 度
3-BPM 試験を含む評価を行った。
(σ < 10 μm)を達成するためには歪みなく線形に信号を伝送する必要がある。開発の過程でその支障になっていたのは以下の点である事が分かった。
まず、ヘリカルコイルは微妙な調整が必要であり、高線形性を要求する用途には向かない。従って透過中心周波数を 180 MHz に下げ、通常の LC フィルタにした。LC フィルタの構成としては、Figure 3 に示すように 2 段構成にした。後段の C 結合 Bessel フィルタにて、帯域(22 MHz)、バースト長(約 60 ns)など特性を出し、Bessel フィルタの緩やかな遮断特性を補うために前段の広帯域(60 MHz)な Butterworth フィルタで裾を切った。これにより Bessel フィルタによる良好な群遅延特性を保ちつつ、ADC(fs=250 MHz,AD9467-250[4])の 2nd Nyquist window(125 MHz –250 MHz)端では 40 dB 以上の遮断特性を確保し、折り返し雑音を抑制した。
また、BPF 回路での後段増幅器は ADC に入力する信号レベルを決定するものであり、その線形性が全体の線形性を支配する事が分かっている。そのため、Table 2 に示すように 3 種類の高周波 Amp 素子を試験した。結果、Figure 3 に示すように OIP3 の高いAnalog Devices (AD)が最も高い線形性を示すものの、

Figure 2: Photograph of prototype of BPM readout board(called 18K12A) is shown. This is double width module.
BPF-Amp board is attached on bottom of the main(ADC) board. The output from BPF-Amp is fed to mainboard via four coaxial cables.

2.

ハードウェアの実装

ハードウェアの基本設計については昨年度の本学会で報告 [3]した通りなので、ここでは昨年度の一次試作からの変更点について主に記す。
Table 1: Design Difference
変更点

一次試作(18K12)

二次試作(18K12A)

BPF 周波数300 MHz

180 MHzBPF 構成ヘリカルコイルによる Bessel フィル
タ+アンチエイリ
アシングフィルタ

LC による狭帯域
Bessel フィルタと広帯域 Butterworth
フィルタの組み合わせ

校正装置出力

36 dBm 以上

40 dBm 以上ADC ClockAT カット

SAW 型(低ジッタ)

Clock delay

有り無し(を評価)

ADC Input

RF Amp によるアクティブ方式。

トランスによるパッシブ方式

Figure 3: Block diagram of Band Pass Filter circuit(shown 1 channel). It equips calibration tone input
selector. First Butterworth filter (60 MHz) cut tails thatexceed ADC’s Nyquist window (125 MHz – 250 MHz)and second Bessel filter (22 MHz) forms total bandwidthand burst length (60 ns). Each stage has an electricalattenuator and an amplifier to set an adequate level.

Figure 4: Amplifier linearity curve in the BPF circuitry
is shown. AD shows wide linearity but has rapid dropout
at high level. Avago shows moderate characteristics.

Table 2: Amplifier comparisonDevice
SBB5089Z (RFMD) [5]
ADL5536 (AD)[6]

MGA-30689 (Avago) [7]

P1dB

Gain

OIP3

NF

Note

20 dB

20.8 dB

37.5 dB

4.3 dB

Measured at 200 MHz InGaP HBT.

19.6 dB

19.8 dB

45.0 dB

2.6 dB

Measured at 190 MHz GaAs HBT.

22.4 dB

14.3 dB

43.0 dB

3.0 dB

Measured at 900 MHz GaAs pHEMT.

1ns

1V200 mV

20 ns(a) Beam waveform from BPM (0.8 nC single bunch).

(b) BPF output waveform.

Figure 5: BPF input waveform (a) and output waveform (b) are shown.
2.
同じ理由により、ADC に供給するクロックのあるレベル以上で急激に低下する特性であった。こ
位相を微調整する遅延チップをバイパスさせれは、ビームが想定範囲(±5 mm)以上に大きく変位て試験した。
して通過した時に過大な位置確度の劣化をもたらす
最後に、校正信号発生装置の出力を増加させ、通可能性があり、そのため AD より特性は劣るものの 常 BPM(電極内径 ϕ = 27 mm, 電極長 l = 132.5 mm)よ
穏やかな特性を示す Avago を選定した。これを用い り も 内 径 の 大 き い 陽 電 子 用 BPM( 電 極 内 径て実際のビームを通した特性を Figure 5 に示す。 ϕ = 63 mm, 電極長は同じ)[8]であっても、良好な S/N
BPF の LPF 特性により約 60 ns の長さにビーム信号 を得られるようにした。
が引き延ばされており、これにより 96 ns 間隔 2 バ
性能評価試験
ンチ入射に対応しつつ、250 MSa/s の ADC で多くの 3.
サンプル点を確保する事が出来る。
また、ADC の入力回路は当初 RF Amp を用いた 3.1 線形性・分解能チェック
BPM 読み出しシステムの線形性及び分解能を評価パッシブ回路にしていたが、これが ADC 入力のダイナミックレンジを制約している事が分かり、二次 するため、Figure 6 のようなセットアップにて試験
試作ではトランスを用いたパッシブ方式に変更した。 を行った。信号源としてビームを模擬したインパル
さらに、16 bit ある ADC の出力ビット数のうち、 スジェネレータの代わりに SG からの 180 MHz 正弦
有 効 と な る ビ ッ ト 数 (Effective Number Of Bits: 波を用いた。これは信号源由来のノイズやジッタをENOBs)を増やす事が高位置分解能に寄与するため、 可能な限り低減するためで、パルス入力をした時と同じ条件となるよう、ADC 出力を 96 ns の Hanning
次のような対策を採った。
1.
ENOBs にはクロック信号源のジッタが大きく 窓で切り出して用いた。信号レベルの正確性はこの影響する事が知られている。そのため、ADC 測定の肝であり、そのために 0.03 dB の再現性のあに供給する 250 MHz クロック源を通常の AT る Agilent J7211B Step Attenuator をネットワーク・アカットの水晶発振子から、低ジッタの SAW 型 ナライザで校正して用いた。
水晶発振子に変更した。

3.2

Figure 6: Linearity / Resolution test setup. SG output isequality divided to four channels to emulate ideal beampass through center of BPM. Agilent J7211B step
attenuator has 0.03 dB insertion loss repeatability. We
calibrated it with a network analyzer.

Figure 7: Upper plot shows BPM readout system
resolution at ideal condition. Lower plot shows systemlinearity: we have 11 dB of ±0.02 dB linearity range.
Figure 7 に示すのはこの方法で取得した位置分解能(上)と各チャンネルの線形性(下)である。理想的な条件においては、最大で 1 μm 程度の位置分解能が得られている事が分かる。しかしながら、実際にはビームは BPM 中心から外れて入射しうるため、対向電極のうちビームが近い側の信号レベルが高くなり、反対側は低くなる。そのため、動作点としては条件を満たす範囲の中心付近に設定する事が必要となる。我々が必要とする条件は、1.
位置分解能が 10 μm 以内の領域
2.
線形性が 0.02 dB の領域である。Figure 7 においてその領域は 11 dB 確保されており、その時の分解能は約 2 μm である。

温度係数について一般に電子回路を構成する能動素子・受動素子ともに温度による特性変化を示す。特に増幅器は比較的大きな負の温度係数を持つ事が知られている。
BPM 読み出しシステムで求めるパラメータ

ビーム位置

ビーム電荷のうち、ビーム位置は算出式にて概ねチャンネルパワーW(各チャンネルのビームパルス信号を ADC したものを二乗和平方根したもの;ビームパワーに比例する)の影響をキャンセルしてくれるが、ビーム電荷はそのまま影響を受ける。そのためその影響を見積もるため、チャンネルパワーの温度係数を測定した。
Figure 7 に測定結果を示す。各チャンネルともチャンネルパワーの絶対値に違いがあるものの、ほぼ等しい温度係数を持つ。
ここから求まる温度係数は、-0.3% / ℃であった。
BPM 読み出しシステムが設置されるクライストロン
ギャラリーでの温度変動が最大でも 0.5 ℃であるので、電荷量の変動は 0.15%となる。これは運転上全く問題ないレベルである。

Figure 7: Temperature coefficient of channel power W
is shown. Vertical axis is channel power W and horizontal
axis is temperature. DUTs were stored in a thermostaticchamber. Measurements were done from low temperature
to high temperature.
3.3

3-BPM 試験

これまでの測定で実験室においては、本 BPM 読み出しシステムが目標とする特性を示す事が確認された。本システムを量産しインストールするための決断を下すためには、実際に用いられる加速器において、ビームを用いた試験を行う必要がある。

Figure 8: Left plot shows estimated position vs. event number. Center plot shows estimated position vs. actualposition. Right plot shows histogram of estimated position – actual position.
そこで、KEK Linac にて 3T 熱電子銃からのビーム(0.8 nC)を用いて、3-BPM 試験[9]を行った。使用した BPM は、下流部の連続する 3 個(SP52-4, SP54-4,SP56-4)を用いた。
線形ラティスを仮定すると、任意の 3 箇所の BPM
位置 x1, x2, x3 はと与えられる。ここで、N 回の試行により N 組の(x1, x2, x3)より重回帰分析により(A, B, C)を求める事が出来る。従って各測定点との残差の二乗平均は、(∑)と与えられる。(Figure 8 の右図に対応)
これから位置分解能は 3 台の BPM の位置分解能が一定と仮定すれば、位置分解能は、√と与えられる[9]。
この原理を用い、3 台の BPM の上流のステアリン
グマグネットの磁場を変化されてビーム位置を y 方向に振り(Figure 8 の左図参照)ながら、12.5 Hz にて3500 イベントのデータを取得した。
結果、上式により位置分解能は 3.25 μm を得た。

4.

まとめと今後の計画

位置分解能及び位置確度が 10 μm 以下であり、経時位置ドリフトを校正信号発生器により補償する
BPM 読み出しシステムを開発した。目標を達成するためには高い線形性と安定性が必須であり、様々な工夫でこれを克服した。

今年度中に約 100 台の量産を行い、来年夏の長期Shutdown にて投入予定である。

謝辞
SLAC の Steve Smith 氏、Andrew Young 氏、KEKの飛山 真理氏には詳細なアドバイスと助言を頂いた。
また、デジテックス研究所の山田 恭介氏と三光社の土屋 文武氏、青山 森繁氏には基板設計・製造を行って頂いた。ここに深く感謝する。

参考文献[1] M. Masuzawa, in Proceedings of the First International
Particle Accelerator Conference (IPAC’10), Kyoto, 2010,pp. 4764–4768.
[2] S. R. Smith et al., “LCLS Stripline BPM SystemCommissioning”, in Proceedings of the 23rd Particle
Accelerator Conference (PAC’09), Vancouver, Canada,2009, pp4027-4029.
[3] R. Ichimiya et al., “SuperKEKB に向けた電子・陽電子
Linac 用ビーム位置モニターの読み出しシステム開発”,
第 10 回日本加速器学会年会プロシーディングス, 名
古屋大学東山キャンパス, 2013, pp191-193.
[4] Analog Devices, 16-bit, 200 MSPS/250 MSPS Analog-toDigital
Converter
AD9467
DataSheet:
http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD9467.pdf[5] RFMD, 50 MHz to 6000 MHz, Cascadable Active Bias
InGaP HBT MMIC Amplifier SBB5089Z Data Sheet:
http://www.rfmd.com/CS/Documents/SBB5089ZDS.pdf[6] Analog Devices, 20 MHz to 1.0 GHz, IF Gain Block
ADL5536
DataSheet:
http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ADL5536.pdf[7] Avago Technologies, 40 MHz to 3000 MHz, Flat Gain
High Linearity Gain Block MGA-30689 Data Sheet:
http://www.avagotech.co.jp/docs/AV02-1876EN[8] T. Suwada et al., “Stripline-type beam-position monitor
system for single-bunch electron/positron beams”, NuclearInstruments and Methods in Physics Research A 440,
pp.307-319 (2000).
[9] 諏訪田 剛, “ビーム計測 I”, OHO 2002 (2002).