SuperKEKB に向けた電子・陽電子入射器 Linac 用ビーム位置モニターの	
 	
 	
 	
 
読み出しシステム開発	
 DEVELOPMENT OF BEAM POSITION MONITOR READOUT SYSTEM FOR
ELECTRON-POSITRON INJECTOR LINAC TOWARDS 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)
KEK

Abstract
The SuperKEKB accelerator is now being upgraded from previous KEKB accelerator to bring the world highest
luminosity (L=8x1035/cm2/s). In order to archive this, electron/positron emittance has to be 20 mm mrad (5 nC) / 10 mm
mrad (4 nC) respectively. To realize them, accelerating structures have to align within 0.1 mm. To perform Beam Based
Alignment stably, Beam Position Monitors (BPMs) are required to have one magnitude better position resolution thanrequired alignment accuracy. To attain < 10 μm position resolution, we employed narrow band pass filter (BPF),
dedicated readout system with 250 MSa/s 16 bit pipeline ADCs. As the Injector injects two bunches with 96 ns interval,
we optimized BPF to go together position resolution and bunch separation. To correct position offset drift during
operation, a calibration tone generator is implemented. To keep enough timing margin, position/charge calculation is
performed on-board FPGA.
十分な時間を確保するため、位置・電荷演算は読み
1. はじめに出し回路上の FPGA で行い、高速化を図った。ここ
KEK 電子・陽電子入射器(以下入射器と称す)では、 で は 、 こ れ ら 新 BPM 読 み 出 し シ ス テ ム ( 写 真 を
世界最大ルミノシティを目指した SpuerKEKB[1]加速 Figure 1 に示す)の開発の現状について報告する。
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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それぞれ 20 mm mrad (5 nC)、10 mm mrad (4 nC)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)には要求されるアライメント制度よりも一桁高い位置分解能が求められる。しかしながら、これまで入射器で使用してきたストリップライン型
BPM のオシロスコープ読み出し方式 [2-4]で得られる
位置分解能は約 50 μm であり、要求を満足出来ない。
位置分解能 10 μm 以下を達成するため、狭帯域バン
ドパスフィルター(BPF)方式を採用し、250 MSa/s・
16bit パイプライン ADC を用いた専用読み出し回路を新規に設計・開発した。SuperKEKB では 96 ns 間
隔で 2 バンチ入射を行うため、位置分解能を保ちつ
つ 2 バンチを分離して読み出しが出来るよう、BPF
Figure 1: Photograph of BPM Readout System Board.	
  	
  	
  	
 
の構成を最適化した。入射器はエネルギーの異なる
4 リングへ同時入射を行うため、高速切り換え出来る電子アッテネータを実装し十分なダイナミックレ
2. BPM 読み出しシステムの概要
ンジを確保した。また、運転中に様々な理由で計測
SuperKEKB 運転において入射器で用いる 100 台の位置にオフセットが生じうるため、読み出し回路上
BPM
は、大部分は従来設置された BPM(電極内径に校正パルス生成器を設置した。これは、ビーム入
ϕ=27mm,
電極長 l=132.5 mm)をそのまま用いるが、射の間に BPM の電極に対して校正パルスを与える
増強される陽電子ライン用には大口径
BPM(電極内ことにより、チャンネル間ゲイン比のオンライン校
[4]
径
ϕ=63
mm,
電極長は同じ)への置き換えを行う。
正を可能とするものである。オンライン校正を行う
今回の設計で採用した狭帯域 BPF による読み出し#方式[5]は、BPM 内にビームが通過した時に発生する
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心周波数を 300 MHz とした。

31.5 dB の電子アッテネータを 2 段設置した。
運転中には様々な原因でビーム計測位置にオフセットが乗じる可能性がある。それを補償するため、校正パルス生成器を実装した。ビーム入射の間にBPM の電極に対して校正用パルスを打つものである。
BPM 電極はストリップライン構造であり、隣接する電極との間には一定の電磁結合を持つため、それらには誘起電荷が生成される。対向する隣接 2 電極での生成電荷量比を求めることにより、オフセット補㪩㪼㫍㪅㩷㪈㪅㪇㩷㪉㪇㪈㪊㪆㪈㪆㪎 㪜㫅㪾㫃㫀㫊㪿㩷㫋㫉㪸㫅㫊㫃㪸㫋㫀㫆㫆㫅㫄㫆㪻㪼㫃㩷㪈㪏㪢㪈㪉㪃㩷㪉㪄㫇㫌㫃㫊㪼㩷㪙㪧㪤㩷㫊㫀㪾㫅㪸㫃㩷㫇㫉㫆㪺㪼㫊㫊㫆㫉㩷㪹㫆㪸㫉㪻㩷㩿㪭㪤㪜㩷㪻㫆㫌㪹㫃㪼㩷 㪛㫀㪾㫀㫋㪼㫏㩷㪣㪸㪹㫆㫉㪸㫋㫆㫉㫐 㪹㫐㩷㪩㪅㩷㪠㪺㪿㫀㫄㫀㫐㪸㩷㩿㪢㪜㪢㪀
償値を算出する。
㪥㫆㫋㪼㪑㩷㪫㪿㫀㫊㩷㪻㫆㪺㫌㫄㪼㫅㫋㩷㫀㫊㩷㪽㫆㫉㩷㫃㫀㫄㫀㫋㪼㪻㪄㪽㫌㫅㪺㫋㫀㫆㫅㩷㫍㪼㫉㫊㫀㫆㫅㩷㪉㪃㩷㫎㪿㫀㪺㪿㩷㫀㫄㫇㫃㪼㫄㪼㫅㫋㫊㩷㪘㪆㪛㩷㫊㪸㫄㫇㫃㫀㫅㪾㩷㫆㫅㫃㫐㪃㩷㫅㫆㫋㩷㫀㫄㫇㫃㪼㫄㪼㫅㫋㪼㪻㩷㪻㪸㫋㪸㩷㫇㫉㫆㪺㪼㫊㫊㫀㫅㪾㩷㩿㫇㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㪆㪺㪿㪸㫉㪾㪼㩷㪺㪸㫃㪺㫌㫃㪸㫋㫀㫆㫅㪃㩷㪚㪘㪣㩷㪺㪸㫃㪺㫌㫃㪸㫋㫀㫆㫅㪀㪅㩷
これらの校正信号の生成、校正データの生成、䂓㪦㫍㪼㫉㫍㫀㪼㫎㪫㪿㫀㫊㩷㫄㫆㪻㫌㫃㪼㩷㫊㪸㫄㫇㫃㪼㫊㩷㫋㫎㫆㩷㪹㪼㪸㫄㩷㫇㫌㫃㫊㪼㫊㩷㫎㫀㫋㪿㩷㪐㪇㫅㫊㩷㫀㫅㫋㪼㫉㫍㪸㫃㩷㫀㫅㩷㪼㫍㪼㫉㫐㩷㪉㪇㫄㫊㩷㩿㪌㪇㪟㫑㪀㩷㫀㫅㫋㪼㫉㫍㪸㫃㪃㩷㪸㫅㪻㩷㫋㪿㪼㫅㩷㫇㪼㫉㪽㫆㫉㫄㫊㩷㪘㪆㪛㩷㪺㫆㫅㫍㪼㫉㫊㫀㫆㫅㫊㩷㪸㫅㪻㩷㪺㪸㫃㪺㫌㫃㪸㫋㪼㫊㪹㪼㪸㫄㩷㫇㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㪆㪺㪿㪸㫉㪾㪼㪅㩷㪋㪺㪿㪸㫅㪼㫃㩷㩿㪯㪂㪃㩷㪯㪄㪃㩷㪰㪂㪃㩷㪰㪄㪀㩷㫆㪽㩷㫇㫌㫃㫊㪼㩷㫊㫀㪾㫅㪸㫃㫊㩷㪸㫉㪼㩷㪽㪼㪻㩷㫋㫆㩷㪙㪧㪝㩿㪊㪇㪇㪤㪟㫑㪀㪃㩷㪘㫋㫋㪼㫅㫌㪸㫋㫆㫉㫊㩷㪸㫅㪻㩷㪩㪝㪄㪘㫄㫇㫃㫀㪽㫀㪼㫉㫊㪅㩷㪫㪿㪼㫅㪃㩷㫋㪿㪼㫐㩷㪸㫉㪼㩷
ビーム位置・電荷などの演算全ては読み出し基板上㪘㪆㪛㩷㫊㪸㫄㫇㫃㪼㪻㩿㪉㪌㪇㪤㪟㫑㪃㩷㪈㪍㪹㫀㫋㪀㪅㩷㪈㪇㪉㪋㫎㫆㫉㪻㪆㪺㪿㪸㫅㪼㫃㩷㪸㫉㪼㩷㫊㫋㫆㫉㪼㪻㩷㫀㫅㩷㫋㪿㪼㩷㫄㪼㫄㫆㫉㫐㩷㪽㫆㫃㫃㫆㫎㪼㪻㩷㪹㫐㩷㫇㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㪆㪺㪿㪸㫉㪾㪼㩷㪺㪸㫃㪺㫌㫃㪸㫋㫀㫆㫅㪅㩷㪫㪿㪼㫊㪼㩷㫉㪼㫊㫌㫃㫋㫊㩷㪸㫉㪼㩷㪸㪺㪺㪼㫊㫊㫀㪹㫃㪼㩷㫍㫀㪸㩷㪭㪤㪜㩷㪹㫌㫊㪅㩷㪝㫌㫃㫃㫐㩷㪺㪸㫃㫀㪹㫉㪸㫋㫀㫆㫅㩷㪺㪸㫅㩷㪹㪼㩷㪻㫆㫅㪼㩷㫎㫀㫋㪿㩷㫀㫅㫋㪼㫉㫅㪸㫃㩷㪺㪸㫃㫀㪹㫉㪸㫋㫀㫆㫅㩷㫋㫆㫅㪼㩷㪾㪼㫅㪼㫉㪸㫋㫆㫉㪅㩷㪦㫅㪹㫆㪸㫉㪻㩷㪝㪧㪞㪘㩿㪪㫇㪸㫉㫋㪸㫅㪄㪍㪀㩷㫇㫉㫆㪾㫉㪸㫄㩷㪺㪸㫅㩷㪹㪼㩷㫌㫇㪾㫉㪸㪻㪸㪹㫃㪼㩷の FPGA(Xilinx Spartan-6[6])にて行う事により、十分㫍㫀㪸㩷㪸㩷㪡㪫㪘㪞㩷㪺㫆㫅㫅㪼㪺㫋㫆㫉㩷㫆㫉㩷㪭㪤㪜㩷㪹㫌㫊㪅㩷䊶㪺㪸㫃㪺㫌㫃㪸㫋㫀㫆㫅㩷㫆㫌㫋㫇㫌㫋㫊㪑㩷㩿㪈㪀㩷㪹㪼㪸㫄㩷㫇㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㩷㩿㫌㫄㪀㪃㩷㩿㪉㪀㩷㪹㪼㪸㫄㩷㪺㪿㪸㫉㪾㪼㩷㩿㫅㪚㪀
㫃 㫃 㫀
㩿㪈㪀 㪹
㫀 㫀 㩿 㪀 㩿㪉㪀 㪹㪿㩿 㪚㪀䂓㪪㫇㪼㪺㫀㪽㫀㪺㪸㫋㫀㫆㫅㫊に高速な処理時間(<1 ms)を達成した。
䊶㪞㪼㫅㪼㫉㪸㫃㩷㪪㫇㪼㪺㫀㪽㫀㪺㪸㫋㫀㫆㫅㫊㪭㪤㪜㩷㪻㫆㫌㪹㫃㪼㩷㪿㪼㫀㪾㪿㫋㩷㪆㩷㪻㫆㪹㫌㫃㪼㩷㫎㫀㪻㫋㪿㩷㪆㩷㫊㫃㪸㫍㪼㩷㫄㫆㪻㫌㫃㪼㪘㪊㪉㪛㪊㪉㩷㪜㫏㫋㪼㫅㪻㪼㪻㩷㫊㫌㫇㪼㫉㫍㫀㫊㫆㫉㫐㩷㪆㪜㫏㫋㪼㫅㪻㪼㪻㩷㫅㫆㫅㪄㫇㫉㫀㫍㫀㫃㪼㪾㪼㪻㩷㪻㪸㫋㪸㩷㪸㪺㪺㪼㫊㫊㪻	  読み出しのタイミングダイアグラムを Figure 4 に㪠㫅㫋㪼㫉㫉㫌㫇㫌㫋㩷㩿㪠㪩㪨㪀㩷㪸㪽㫋㪼㫉㩷㪺㪸㫃㪺㫌㫃㪸㫋㫀㫆㫅㫊㪅㩷㩿㫅㫆㫋㩷㫐㪼㫋㩷㫀㫄㫇㫃㪼㫄㪼㫅㫋㩷㫀㫅㩷㫋㪿㫀㫊㩷㫍㪼㫉㫊㫀㫆㫅㪀䊶㪠㫅㫇㫌㫋㩷㫊㫀㪾㫅㪸㫃示す。ビーム入射に先だってイベントシステム
㪈㪅㩷㪙㪧㪤㩷㫊㫀㪾㫅㪸㫃㪙㪼㪸㫄㩷㫇㫀㪺㫂㪄㫌㫇㩷㫊㫀㪾㫅㪸㫃㩷㪋㪺㪿㪸㫅㪼㫃㫊㩷㩿㪯㪂㪃㩷㪯㪄㪃㩷㪰㪂㪃㩷㪰㪄㪀㪠㫅㫇㫌㫋㩷㫃㪼㫍㪼㫃㪘㫄㫇㫃㫀㫋㫌㪻㪼㪑㩷㪣㪼㫊㫊㩷㫋㪿㪸㫅㩷㫧㪌㪇㪭㪃㩷㫎㫀㪻㫋㪿㪑㩷㪸㩷㪽㪼㫎㩷㫅㫊㩷㫇㫌㫃㫊㪼㩷㫊㫀㪾㫅㪸㫃㩷㩿㪸㫊㫊㫌㫄㪼㪻㪀㪅㪠㫅㫇㫌㫋㩷㫀㫄㫇㪼㪻㪸㫅㪺㪼㪌㪇㩷㫆㪿㫄
(MRF, EVR)よりビーム種別などの情報が渡され、
㪠㫅㫇㫌㫋㩷㪺㫆㫅㫅㪼㪺㫋㫆㫉㪪㪤㪘㩷㪺㫆㫅㫅㪼㪺㫋㫆㫉㫊㪉㪅㩷㪫㫉㫀㪾㪾㪼㫉㪘㪆㪛㩷㪺㫆㫅㫍㪼㫉㫊㫀㫆㫅㩷㫊㫋㪸㫉㫋㩷㫊㫀㪾㫅㪸㫃㩷㩷㪠㫅㫇㫌㫋㪈㪃㩷㪦㫌㫋㫇㫌㫋㪈
BPM 読み出しシステムは入力アッテネータを適切な㪩㪼㫇㪼㫋㫀㫋㫀㫆㫅㪌㪇㪟㫑㩷㩿㪉㪇㫄㫊㪀㪧㫌㫃㫊㪼㩷㫎㫀㪻㫋㪿㫄㫆㫉㪼㩷㫋㪿㪸㫅㩷㪉㪇㫅㫊㪠㫅㫇㫌㫋㩷㫃㪼㫍㪼㫃㪥㪠㪤㩷㫃㪼㫍㪼㫃㩷㩿㪽㪸㫃㫃㫀㫅㪾㩷㪼㪻㪾㪼㪀
値にセットすると共に、トリガ信号を待つ。トリガ㪠㫅㫇㫌㫋㪆㪦㫌㫋㫇㫌㫋㩷㫀㫄㫇㪼㪻㪸㫅㪺㪼㪌㪇㩷㫆㪿㫄
Figure2:
Waveform example of BPF output
㪠㫅㫇㫌㫋㪆㪦㫌㫋㫇㫌㫋㩷㪺㫆㫅㫅㪼㪺㫋㫆㫉㫊㪣㪼㫄㫆㩷㪺㫆㫅㫅㪼㪺㫋㫆㫉㫊
信号がイベントシステムより与えられると、ADC が䋳䋮㪘㪆㪛㩷㪚㫃㫆㪺㫂㪪㫎㫀㫋㪺㪿㪸㪹㫃㪼㩷㪹㪼㫋㫎㪼㪼㫅㩷㪠㫅㫋㪼㫉㫅㪸㫃㩷㪯㩾㫋㪸㫃㩷㩿㪉㪌㪇㪤㪟㫑㪀㩷㪸㫅㪻㩷㪜㫏㫋㪼㫉㫅㪸㫃㩷㫀㫅㫇㫌㫋㫊㪅㪠㫅㫇㫌㫋㩷㫃㪼㫍㪼㫃 mV/div, 10㪩㪝㩷㫊㫀㪾㫅㪸㫃㩷㩿㪄㪈㪇㪻㪙㫄㩷㫋㫆㩷㪂㪌㪻㪙㫄㪀(200
ns/div). Burst length is about 60 ns.	
  	
  	
  	
 
㪠㫅㫇㫌㫋㩷㪝㫉㪼㫈㫌㪼㫅㪺㫐㪉㪇㪇㪤㪟㫑㩷㫋㫆㩷㪉㪌㪇㪤㪟㫑
動作し、1,024 サイクル(4,096 ns)×4 チャンネルの㪠㫅㫇㫌㫋㩷㪠㫄㫇㪼㪻㪸㫅㪺㪼㪌㪇㩷㫆㪿㫄
BPFの通過域バンド幅やフィルタ特性には、次の㪠㫅㫇㫌㫋㩷㪺㫆㫅㫅㪼㪺㫋㫆㫉㪪㪤㪘㩷㪺㫆㫅㫅㪼㪺㫋㫆㫉
データが FPGA に FIFO 経由で送られる。FPGA は㫇㩿㪀㪒㪃䊶㪩㪝㩷㫀㫅㫇㫌㫋㩷㪪㪼㪺㫋㫀㫆㫅㪋㪺㪿㩷㪙㪧㪤㩷㪩㪝㩷㪬㫅㫀㫋㩷㩿㪪㪸㫅㪄㪢㫆㪄㪪㪿㪸㪀㩷㪒㩷㪽㫆㫉㩷㪻㪼㫋㪸㫀㫃㪃㩷㫉㪼㪽㪼㫉㩷㪸㫅㩷㪸㫅㫆㫋㪿㪼㫉㩷㪻㫆㪺㫌㫄㪼㫅㫋㪅
条件が課せられる:(1)通過信号がADC(fs=250 MHz)㪙㪧㪝㪈㪃㩷㪉
㪟㪼㫃㫀㪺㪸㫃㩷㪽㫀㫃㫋㪼㫉㩷㪽㪺㪑㩷㪊㪇㪇㪤㪟㫑㪃㩷㪹㪸㫅㪻㩷㫎㫀㪻㫋㪿㪑㩷㪈㫊㫋㪅㩷㪊㪋㪤㪟㫑㩿㪉㫅㪻㪅㪀㪃㩷㪉㫅㪻㪅㩷㪉㪏㪤㪟㫑㩷㩿㪊㫉㪻㪅㪀㪩㪝㪄㪘㫄㫇㫃㫀㪽㫀㪼㫉㩷㪈㪃㩷㪉㪃㩷㪊㪉㪇㪻㪙㩷㫏㩷㪊
ビーム位置・電荷演算を行い、完了すると割り込み㪘㫋㫋㪼㫅㫌㪸㫋㫆㫉㩷㪈㪃㩷㪉㪇㪅㪌㪻㪙㩷㫋㫆㩷㪊㪈㪅㪌㪻㪙㩷㩿㪇㪅㪌㪻㪙㩷㫊㫋㪼㫇㪀㩷㫏㩷㪉の第三Nyquist 窓(250MHz ~ 375 MHz)内に収まる事、䊶㪘㪆㪛㩷㪺㫆㫅㫍㪼㫉㩷㪪㪼㪺㫋㫀㫆㫅㪋㪺㪿㪸㫅㫅㪼㫃
㪪㪸㫄㫇㫃㪼㩷㫋㫀㫄㫀㫅㪾㪉㪌㪇㪤㪟㫑㩷㩿㪗㪠㫅㫋㪼㫉㫅㪸㫃㩷㪯㩾㫋㪸㫃㪀㪒㩷㪈㪇㫇㫊㩷㫊㫋㪼㫇㩷㪽㫀㫅㪼㩷㪻㪼㫃㪸㫐㩷㪽㫆㫉㩷㪘㪛㪚㩷㪺㫃㫂㩿㪤㪚㪈㪇㪜㪧㪈㪐㪌㪀(2)通過後のバースト信号の振幅が96 ns 後には十分 信号(IRQ)を VME バスに対して発行する。マスター㪘㪛㪚㪘㪛㪐㪋㪍㪎㪄㪉㪌㪇㩷㩿㪘㫅㪸㫃㫆㪾㩷㪛㪼㫍㫀㪺㪼㫊㪀㩷㪈㪍㪹㫀㫋㪃㩷㪉㪌㪇㪤㪪㪆㫊のシングルボードコンピュータ上の EPICS IOC が割㪘㪛㪚㩷㫀㫅㫇㫌㫋㩷㪛㫀㪽㪽㪼㫉㪼㫅㪺㫀㪸㫃㩷㪘㫄㫇㫃㫀㪽㫀㪼㫉 㪘㪛㪣㪌㪌㪍㪉㩷㩿㪘㫅㪸㫃㫆㪾㩷㪛㪼㫍㫀㪺㪼㫊㪀㩷㪊㪅㪊㪞㪟㫑㩷㩿㪘㫍㪑㩷㪍㪻㪙㪀に収束する事。前者の条件を満たすためには通過域㪠㫅㫇㫌㫋㩷㫃㪼㫍㪼㫃㪄㪈㪉㪌㪇㫄㪭㩷㫋㫆㩷㪂㪈㪉㪌㪇㫄㪭㪥㫌㫄㪹㪼㫉㩷㫆㪽㩷㪪㪸㫄㫇㫃㪼㫊㪈㪇㪉㪋㩷㫎㫆㫉㪻㫊㩷㫏㩷㪋㪺㪿㪸㫅㫅㪼㫃㩷㪒㩷㪼㫍㪼㫉㫐㩷㫀㫅㩷㪉㪇㫄㫊㩷㩿㪌㪇㪟㫑㪀
り込みを検知すると、BPM ボードに対して読み出し
バンド幅は短くする必要があるが、そうするとバー㪘㪺㪺㫌㫉㪸㪺㫐
㫧㪇㪅㪉㩼㩷㫆㪽㩷㪝㫌㫃㫃㩷㪪㪺㪸㫃㪼䇭䊶㪚㪸㫃㪺㫌㫃㪸㫋㫀㫆㫅 㪪㪼㪺㫋㫀㫆㫅䊶㪚㪸㫃㪺㫌㫃㪸㫋㫀㫆㫅㩷㪪㪼㪺㫋㫀㫆㫅䇭㪝㪧㪞㪘 㩿㪪㫇㪸㫉㫋㪸㫅㪄㪍 㪯㫀㫃㫀㫅㫏㪀㪝㪧㪞㪘㩷㩿㪪㫇㪸㫉㫋㪸㫅㪄㪍㪃㩷㪯㫀㫃㫀㫅㫏㪀を行い、データベースレコードを更新する。
スト長が長くなるため、両者の折り合いを付ける必㩿㪈㪀㩷㪩㫆㫆㫋㪄㪤㪼㪸㫅㪄㪪㫈㫌㪸㫉㪼㪃㩷㩿㪉㪀㩷㪧㫆㫃㫐㫅㫆㫄㫀㫅㪸㫃㩷㪺㪸㫃㪺㪅㩷㪒㩷㪺㪸㫃㪺㫌㫃㪸㫋㪼㪻㩷㫀㫅㩷㪊㪉㪹㫀㫋㩷㪝㪅㪧㪅䊶㪭㪤㪜㩷㪦㫌㫋㫇㫌㫋㩷㪛㪸㫋㪸㩿㪈㪀㩷㪩㫆㫆㫋㪄㪤㪼㪸㫅㪄㪪㫈㫌㪸㫉㪼㪃㩷㩿㪉㪀㩷㪧㫆㫃㫐㫅㫆㫄㫀㫅㪸㫃㩷㪺㪸㫃㪺㪅㪃㩷㩿㪊㪀㩷㪘㪆㪛㩷㪺㫆㫅㫍㪼㫉㫋㪼㪻㩷㪻㪸㫋㪸要が出てくる。また、周波数カットオフ特性の良い䊶㪜㫅㪻㪄㫆㪽㪄㪚㪸㫃㪺㫌㫃㪸㫋㫀㫆㫅㩷㪠㫅㪻㫀㪺㪸㫋㫀㫆㫅㪠㪩㪨㩷㫆㫉㩷㫋㪼㫉㫄㫀㫅㪸㫋㫀㫆㫅㩷㪽㫃㪸㪾㩷㫀㫅㩷㫊㫋㪸㫋㫌㫊㩷㫉㪼㪾㫀㫊㫋㪼㫉䊶㪣㪜㪛㪭㪤㪜㪞㫉㪼㪼㫅㪑㩷㪭㪤㪜㩷㪙㫌㫊㩷㪘㪺㪺㪼㫊㫊
Chebyshev
型はバースト信号の収束特性が悪いため、㪘㪆㪛㪞㫉㪼㪼㫅㪑㩷㪫㪩㪠㪞㩷㪜㫅㪸㪹㫃㪼㪻㪃㩷㪰㪼㫃㫃㫆㫎㪑㩷㪘㪆㪛㩷㪺㫆㫅㫍㪼㫉㫋㫀㫅㪾
50Hz
㪫㪩㪠㪞
㪞㫉㪼㪼㫅㪑㩷㪫㪩㪠㪞㩷㪻㪼㫋㪼㪺㫋㫀㫆㫅
周波数カットオフ特性が緩やかなものの収束特性の㪚㪘㪣㪞㫉㪼㪼㫅㪑㩷㪚㪘㪣㩷㪼㫅㪸㪹㫃㪼㪻㪃㩷㪰㪼㫃㫃㫆㫎㪑㩷㪚㪘㪣㩷㫎㫆㫉㫂㫀㫅㪾㪝㪧㪞㪘㪞㫉㪼㪼㫅㪑㩷㪝㪧㪞㪘㩷㪦㪢㪃㩷㪩㪼㪻㪑㩷㪝㪧㪞㪘㩷㪙㫆㫆㫋㩷㪼㫉㫉㫆㫉㪘㪣㪘㪩㪤㪩㪼㪻㪑㩷㪠㫅㫋㪼㫉㫅㪸㫃㩷㫄㪸㫃㪽㫌㫅㪺㫋㫀㫆㫅㪃㩷㫊㫌㪺㪿㩷㪸㫊㩷㫊㫌㫇㫇㫃㫐㩷㫍㫆㫃㫋㪸㪾㪼㩷㫆㫌㫋㩷㫆㪽㩷㫉㪸㫅㪾㪼㪅
良い Bessel型を採用した。ヘリカルフィルタにてバ㪘㪆㪛 㪦㪭㪜㪩
㪘㪆㪛㩷㪦㪭㪜㪩
㪩㪼㪻㪑 㪘㪆㪛 㪩㪸㫅㪾㪼 㫆㫍㪼㫉 㪘㪛㪚 㪼㫉㫉㫆㫉 㫏㪋㪩㪼㪻㪑㩷㪘㪆㪛㩷㪩㪸㫅㪾㪼㩷㫆㫍㪼㫉㪃㩷㪘㪛㪚㩷㪼㫉㫉㫆㫉㩷㫏㪋A/D)䊶㪚㪸㫃㫀㪹㫉㪸㫋㫀㫆㫅㩷㫋㫆㫅㪼㩷㫆㫌㫋㫇㫌㫋㪋㪺㪿㩷㪙㪧㪤㩷㪩㪝㩷㪬㫅㫀㫋㩷㩿㪪㪸㫅㪄㪢㫆㪄㪪㪿㪸㪀㩷㪒㩷㪽㫆㫉㩷㪻㪼㫋㪸㫀㫃㪃㩷㫉㪼㪽㪼㫉㩷㪸㫅㩷㪸㫅㫆㫋㪿㪼㫉㩷㪻㫆㪺㫌㫄㪼㫅㫋㪅ンド幅
34 MHz の
2 次 Bessel 型と、28 MHz の 3 次㪊㪇㪇㪤㪟㫑㩷㪩㪝㩷㫄㫆㪻㫌㫃㪼㪻㩷㫊㫀㪾㫅㪸㫃㩷㪸㫉㪼㩷㫆㫌㫋㫇㫌㫋㩷㫋㫆㩷㪼㪸㪺㪿㩷㪺㪿㪸㫅㫅㪼㫃calc. IRQ䊶㪜㪜㪧㪩㪦㪤
㪪㫋㫆㫉㪼㫊㩷㪛㫐㫅㪸㫄㫀㪺㩷㪞㪸㫀㫅㩷㪝㪸㪺㫋㫆㫉㩷㫇㪸㫉㪸㫄㪼㫋㪼㫉㫊㪒㩷㪣㫆㪸㪻㪼㪻㩷㫀㫅㫋㫆㩷㪝㪧㪞㪘㩷㪸㪽㫋㪼㫉㩷㫉㪼㫊㪼㫋㪅
Bessel型のカスケードにする事によりバースト長䊶㪝㪣㪘㪪㪟㩷㪩㪦㪤㪪㫋㫆㫉㪼㫊㩷㪝㪧㪞㪘㩷㪺㫆㫅㪽㫀㪾㫌㫉㪸㫋㫀㫆㫅㩷㪻㪸㫋㪸㪃㩷㪺㪸㫅㩷㪹㪼㩷㫌㫇㪻㪸㫋㪼㪻㩷㫍㫀㪸㩷㪡㪫㪘㪞㩷㪸㫅㪻㩷㪭㪤㪜㩷㪹㫌㫊㪅
60䊶㪪㫌㫇㫇㫃㫐㩷㪭㫆㫃㫋㪸㪾㪼㩷㩿㪭㪤㪜㩷㪂㪌㪭ns, Nyquist 窓端で-45
dB の遮断特性を得た。
㪓㪍㪘

To)do

More)noise)reducUon)to)get)higher)posiUon)
read record)
esoluUon.)(including)ADC)input)analogue)ﬁlter)
update)arameter)tune,)decision)if)RF)amp.)remove)or)not.))
valuate)posiUon)resoluUon)using)calibraUon)pulse,) trigger) BPM) SBC)
xternal)pulsar)and)beam.))system(IOC))
	  	 valuate)dynamic)range)and)linearity.)(by)adjusUng)Figure 4: Timing Diagram of BPM Readout
System diagram of BPM readout system
mplitude)of)test)pulse))4.
性能評価試験
eam)test)at)KEK)Linac.)(3$BPM)method))Figure 3: A block diagram of BPM readout system
4.1 パルサ試験
全体のブロックダイアグラムを Figure 3 に示す。
mplement)EPICS)IOC.)ADC は 250 MSa/s のパイプライン ADC(AD9467- 	  まず BPM の代わりに、1 kV モノサイクルパル
250)を採用し、図 3 に示すように４台の ADC 毎に サー(Kentech Instruments, Model SPS/V/L, パルス幅
etermine)calibraUon)constants.)
10 ps ステップでサンプリングクロックの遅延を調 1 ns, ユニポーラ(正))出力に 60 dB の減衰器を通し、nal)design)for)mass)producUon.)
整出来るようにした(MC10EP195)。
4 分配(-6 dB)して、BPM 読み出し回路に入力する事
㩷㪂㪈㪉㪭
㩷㪄㪈㪉㪭

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䉰䊮䊒䊦ᢙ
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入射器は 20 ms 毎にエネルギーの異なる 4 リングに入射を行い、PF 向けには 0.1 nC、陽電子プライマ
リ向けには 10 nC と入力電荷のダイナミックレンジが大きいため、パルス毎に切り換えが出来るにより模擬パルス試験を行った（Figure 5 参照）。
このセットアップ 300 イベントのデータを取得し、データ解析をした結果、位置分解能は 1σ として、
δx=11.9 μm, δy=9.8 μm(暫定値)が得られた。

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㪛㪊㪉㪹㫌㫊

進めることにより、より良い位置分解能を安定して得られるよう進めていく。

5.

Figure 5:

4.3

現在進められている SuperKEKB 加速器プロジェ
クトのための入射器高度化において、そのコミッ
ショニング時においても、本 BPM 読み出しシステ
ムが必要とされる。そのため、2014 年夏の入射器
シャットダウン時の導入に向けて現在開発を進めている。現時点では、最初の試作 BPM 読み出し基板を用いた試験の結果、位置分解能 10 μm 以下を達成出来る事を確認した。
今後は、ビーム位置や角度などのパルス毎の変動
を 抑 え る た め 、 連 続 す る 3 台 の BPM を 用 い た	  	
 3-BPM 試験[4]を行い、実際のビーム計測条件にて十分な位置分解能が得られるかどうかの確認を行う予定である。また、この試作 BPM 読み出し基板にて得られた知見を元に、量産準備用 BPM 読み出し基板の設計・製作を行い、量産に向けた最終的な性能
評価と仕様確定を行っていく。

Pulsar Test setup of BPM Readout System

ビーム信号を用いた試験

Figure 6 のように実際の BPM からの信号を 2 分配する事により、ビーム信号を用いて BPM 読み出しシステムにビームジッターの無い原点を通る信号を模擬して入力した。また、X 入力に関しては、20 mの遅延線を用い、約 96 ns 離れたダブルパルスをエ
ミュレートした。

6.

Figure 6:2013June19 @3-2 run1 X

2013June19 @3-2 run1 Y
nameh140

謝辞

本 BPM 読み出しシステムの開発にあたっては、
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きました。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・製造を行って頂きました。深く感謝致します。

Beam Test setup of BPM Readout System

45

まとめと今後の計画

nameh2

Entries

300

Mean

192.5

RMS

9.146

Underflow

Entries

60

0

300

Mean

-7.778RMS

13.22

Underflow

参考文献

0[1] M. Masuzawa, in Proceedings of the First International
Particle Accelerator Conference (IPAC’10), Kyoto, 2010,
pp. 4764–4768.
[2] M. Satoh et al., “Development of a Fast BPM DAQ System
Using Windows Oscilloscope-based EPICS IOC”,
Proceedings of the 4th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan and the 32nd Linear
Accelerator Meeting in Japan, Wako, Aug, 2007
[3] K. Furukawa et al., “Beam Feedback Systems and BPM
Read-Out System for the Two-Bunch Acceleration at the
Figure 7: Position Measurement Example of
KEKB Linac”, in Proceedings of the ICALEPCS2001, San
Beam Test (0.3nC)
Jose, November 2001, pp.266-268 (2001).
[4] T. Suwada et al., “Stripline-type beam-positionmonitor
system for single-bunch electron/positron beams”, Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research A 440,
KEK 入射器の 3T 熱電子銃からの電荷を１バンチ
pp.307-319 (2000).
あたり 0.3 nC に調整して 300 イベントのデータを取 [5] S. R. Smith et al., “LCLS Stripline BPM System
in Proceedings of the 23rd Particle
得 し た と こ ろ 、 位 置 分 解 能 は 1σ と し て 	  	  	  Commisioning”,
	  	
 Accelerator Conference (PAC’09), Vancouver, Canada,δx(1st)=11.9 μm, δx(2nd)=14.4 μm, δy=14.4 μm (暫定2009, pp4027-4029.
値)を得た。(分布を Figure 7 に示す)
[6] Spartan-6
FPGA
Family,XilinxInc.
さらに１バンチあたりの電荷を 0.45 nC に増加さ
http://www.xilinx.com/products/silicondevices/fpga/spartan-6/
せ、100 イベントのデータを取得したところ、位置Overflow

35
30

0

50

Overflow

40

25

30

20
15

20

10

10

5

0
50

100

150

200

250

300

350

0
-150

-100

-50

0

50

100

150

分解能は 1σ として δx(1st)=5.7 μm, δx(2nd)=8.2 μm,
δy=5.1 μm (暫定値)を得た。
今後、回路の最適化や測定パラメータの最適化を0