Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 WEOL10

MTCA.4 規格低電力高周波システムの SPring-8 蓄積リング A ステーションへの導入
UPGRADE OF LLRF SYSTEM AT SPring-8 STORAGE RING USING MTCA.4
STANDARD MODULES大島隆#, A,B), 細田直康 A,B) , 前坂比呂和 B) , 大橋裕二 A), 佐々木茂樹 A), 安積隆夫 A), 福井達 B), 稲垣隆宏 B)
Takashi Ohshima #, A,B), Naoyasu HosodaA,B), Hirokazu MaesakaB) , Yuji Ohashi A),
Shigeki Sasaki A), Takao Asaka A,B), Toru Fukui B), Takahiro Inagaki B)
A)Japan Synchrotron Radiation Research InstituteB)
RIKEN SPring-8 Center

Abstract
The renewal of the low-level RF system for the 3rd generation synchrotron radiation facility, SPring-8, is underway.
The existing RF system of the storage ring is composed with single-function analog modules, which are obsolete and hard
to be maintained. Therefore, the system is being replaced with a modern digital system using MTCA.4 modules. The
amplitude and phase of an RF signal are detected with an under-sampling scheme because of simple composition androbustness to the ambient parameter changes. For this purpose, we developed new MTCA.4 modules: a digitizer AMC
having a sampling rate of 370 MHz and 16-bit resolution, and a signal conditioning RTM. A motor driver controlled
through EtherCAT was newly adopted to the cavity tuner control. After several tests of the system at a high-power RF
test stand since 2016, the digital system was installed to one of the four RF stations of the storage ring in February 2018.
The new system has been working well although some minor troubles were observed. The phase and amplitude stabilities
were 0.06 degree and 0.037 % rms, which satisfied requirements of 0.1 degree and 0.1%, respectively.

1.

はじめに加速器では NIM 規格、CAMAC 規格、VME 規格などのモジュールを組み合わせてシステムを構築してきた。近年、通信分野の大きな進展のおかげで、安価に高機能なモジュールを入手することが可能となってきている。その一方で、古い規格の電子素子は製造中止になって入手が困難となってきている。
建設から 20 年以上が経過した SPring-8 の低電力高周波（LLRF）システム[1]でも、その流れには逆らうことができず、入手性の悪くなった保守部品も見られている。そこで、新しい規格のモジュールを組み合わせたシステムの構築を検討してきた。その候補の 1 つ は MTCA.4[2] で あ る 。 こ れ は 、 Micro
Telecommunications Computing Architecture[3]の 規 格のひとつであり、EuroXFEL の線形加速器にて使用実績がある[4]。この規格はコンパクトなモジュールの組み合わせで高機能なコンピュータシステムを構築することを目的として開発された。使用するモジュールは Advanced Mezzanine Card (AMC)と呼ばれ様々な機能を実現する。AMC はホットスワップが可 能 で あ る 。 入 力 す る 信 号 の 処 理 を 行 う Rear
Transition Module (RTM)を AMC と組み合わせて使用することも可能である。この規格のモジュールを使用したシステムでは、従来のアナログベースのシステムに比べ、使用モジュール数、占有空間の大幅な削減、制御パラメータの細かな制御が期待できる。
また、４レーンの高速シリアルバスを持ち、異常時_________________________________________#

ohshima@spring8.or.jpなどの波形データの保存のような大容量データの取り扱いも可能となる。MTCA のシステムの情報、例
えばどのスロットにどんなモジュールが挿入され、そのモジュールの電源の状態がどうであるかなどはMicroTCA Carrier Hub (MCH)経由で取得することが可能である。
SPring-8 では、まず 2016 年度にテストスタンドにMTCA.4 規格のシステムを導入し、試験運転で問題点の洗い出しを行った[5]。その後、2018 年 2 月に蓄積リングの４つの RF ステーションのうちの１つである A ステーションにこのシステムを導入した。ここでは、MTCA.4 システムの構成、性能を従来システムと比較しながら述べ、今後の予定などについて報告する。

2.

新旧システムの構成

LLRF システムの目的は、加速空洞に作られる電場の振幅および位相を、目標値に保つことである。
従来の SPring-8 の LLRF システムは、基本的に単機能の NIM モジュールを組み合わせて構築していた。
Figure 1 にアナログ回路ベースのシステムのブロック図を示す。それぞれのモジュールに対して、目標値の設定や、現在値の読み取りなどの遠隔制御には、VME 規格のモジュールを用いていた。個々のモジュール間は、SMA やレモコネクタの付いた同軸ケーブル、D-sub コネクタの付いた多芯ツイスト信号ケーブルなどを用いて信号の授受を行っていた。
位相検出器やインターロックなどの一部の信号については、NIM 電源ビンのバスを用いた伝送を行っていた。

- 55 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 WEOL10

Figure 1: A block diagram of an analog module based
LLRF system.

Figure 2: A block diagram of a MTCA.4 based LLRFsystem.

新システムでは、多チャンネルの ADC モジュール ト ル 和信 号 を得 るに は 、各 空 洞の 信号 に 対し てを複数枚使って RF 信号を数値データ列に変換した 0.1 dB 単位のステップアッテネータで振幅を、トロ
のちに、In-phase Quadrature (IQ)変換[6]により、高周 ンボーンで位相を調整した上で、電力合成を行って波信号の振幅・位相を取得する。このようにして得 いた。
新システムでは、８つの空洞のピックアップ信号た測定値からフィードバック制御などを数値演算にを個別にADC に入力し、IQ 検出を行う。蓄積リンて行っている。Figure 2 に MTCA.4 規格モジュール
グのRF周波数（508.58MHz）領域の信号を IQ 検出を使ったシステムのブロック図を示す。ADC モ
する場合、従来は中間周波数にダウンコンバートしジュールのデータは PCIe バスを使って CPU に伝送される。8 つの空洞の RF ベクトル和、空洞の RF 振 て検出することが多かった。この方式の短所として
幅位相の安定化、空洞の共振保持など複数の機能を、 は、非線形素子であり環境の影響を受けやすいミキADC モジュールに実装された FPGA 上で動作する サを使うこと、ローカルオシレータが別途必要となfirmware、または MTCA クレートに実装した CPU 上 ること、また、これらの回路を実装するためにスのプロセスで実現している。また、分散して設置さ ペースが必要となることが挙げられる。そこで我々れた複数の機器に対しては EtherCAT というフィー は、サンプリングクロックよりも高い周波数の RFルドバスを通して制御を行うことにより、省配線を 信号を ADC に入力して検出する undersampling 方式を採用することとした。ADC のクロックを基準信号実現した。
LLRF の主な機能について、新旧システムの違い の周波数の 5/7 倍(~363 MHz)に設定すると、ADC から出力されるデータ列は RF 信号の 2/7 倍(~145 MHz)を以下の節に示す。の中間周波数(IF)を持つ。Figure 3 に示すように、こ2.1 RF 基準信号の伝送のデータ列は、5 クロック中で 2 回振動する波にな蓄積リングの 4 つの RF ステーションに RF 基準信 る 。 ADC ク ロ ッ ク を 元 に 数 値 制 御 し た 発 振 器号を伝送するために、光ファイバシステムが用いら （Numerically Controlled Oscillator NCO）で正弦波、れている[7]。従来システムでは、E 位相調整室から 余弦波を出力し、IF 信号との積の平均を取ることで蓄積リング１周に渡って EO で光に変換された信号を伝送し、光結合器を使ってその信号の一部を取り出し、それぞれの RF ステーションで検出して使用していた。そのため、各ステーションで取り出される光信号強度が低くなり、ノイズフロアが高くなっていた。新システムでは、E 位相調整室からそれぞれの RF ステーションに 1 対 1 で伝送することにより、光信号強度を高くし、ノイズフロアを低減させた。
2.2

加速空洞電圧の位相振幅検出

SPring-8 蓄積リングの従来システムでは空洞のピックアップ信号の振幅検出にはダイオード検波器を、位相検出については、508.58 MHz の基準信号と、ピックアップ信号とを 1 MHz にダウンコンバートし、Figure 3: An input rf signal, NCO sine and cosine signals.
フリップフロップ回路に入力することで位相信号をSampling points of the rf signal are shown with circles.
得ていた。８つの空洞のピックアップ信号からベク- 56 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, JapanPASJ2018 WEOL10

In-phase (I)成分,Quadrature (Q)成分を得る。I,Q の成 2.5 変調アノード電圧制御
分から振幅 r、位相qへの換算式はクライストロンの RF 出力を制御する場合、励振0𝑟 = #𝐼 % + 𝑄% , 𝜃 = 𝑡𝑎𝑛./ 1(1)
入力 RF 電力を変えるだけでなくクライストロンので得る。ベクトル和は 8 組の(I,Q)のベクトルに対し ビーム電流も制御すると、電力効率を大きく損なうて、適切な回転行列(Rot.)、定数倍(Att.)をかけるこ ことなく低出力から高出力まで制御することができとで位相、振幅の調整を行い、加算することで得る。 る。ビーム電流は、クライストロンのアノード電極
これらの演算は AD 変換器を実装している AMC ボー に印加した電圧を変えることにより制御できる。
従来システムでは、ドライバアンプの出力電力をド上の FPGA ファームウェアで実施している。
検出し、その値がターンアップ出力より低い領域でUndersampling 方式での高精度 RF 位相・振幅計測を実現するために、広帯域、高速クロックで動作す は一定のアノード電圧、それ以上ではドライバ電力るデジタイザが必要となる。我々は MTCA.4 規格の に比例して増加するアノード電圧を設定するアナロAMC デジタイザ、このデジタイザに接続される信 グ回路のモジュールが使用されていた。この方式で号処理用 RTM、および、ADC 用クロックを発生す は、ターンアップ出力が高出力時の飽和点を超えてる eRTM を新規開発した。高速デジタイザの分解能 はいけないこと、クライストロンがオーバードライは 16 bit、サンプリングクロックは 370 MHz、10 ブにならない領域であることなどの要請があるため、チャンネル入力の仕様とした。また、基準 RF 信号、 中間出力電力時にはコレクタ損失の大きな領域を通ADC クロック信号を複数の AMC、RTM に供給する 過することになっていた。
ために、RF backplane[8]付きのクレートを採用した。 新システムでは、MTCA.4 の CPU 上で動作するプロセスが、IQ 検出したクライストロン出力を元に予これにより、省配線を実現した。
め登録しておいた数値テーブルに従ってアノード電2.3 ベクトル和の位相振幅の安定化圧を設定する方式をとった。これにより、従来の回従来システムでは、フィードバック制御にオペア 路では困難であった中間出力電力時のコレクタ損失ンプを使った比例制御を行うフィードバックコント 抑制が実現できる。
ローラを使用していた。位相変調には移相器、振幅変調には RF モジュレータを使用している。ベクト 2.6 インターロック動作
高周波加速システムでは、空洞入力カップラでのル和の目標値は VME から与えていた。
新システムでは、クライストロン励振信号の変調 アーク発生、空洞内真空度の悪化、クライストロンは DAC と IQ 変調器の組み合わせを用いており、FIR 電源の異常、空洞冷却水流量の低下など様々な要因や IIR フィルタ、PI 制御利得などを数値で設定し、 で RF スイッチを遮断するインターロック動作を行演算によって制御量を求めている。これらの演算は う必要がある。
従来のシステムでは、NIM 規格のモジュールでイデジタイザに実装された FPGA 上のファームウェアで実施している。加速電圧の設定値は位相・振幅で ンターロック信号を取りまとめ、RF スイッチの制御与えられるが、フィードバックは I、Q の直交座標に を行っていた。
新システムでは、EtherCAT 通信機能を実装したイ分割してそれぞれの軸方向でのフィードバックを行う方式を採用した。フィードバックは、クライスト ンターロックモジュールを新規に製作した。取り合ロン高電圧電源のリップルなどを抑制することを目 いは信頼性と互換性を考慮し、基本的に従来の NIM的とした広帯域のクライストロン系、空洞の温度変 モジュールと同様の Dsub コネクタ、ピン配置、信号化やビームローディングなどを抑制することを目的 レベルとした。インターロックモジュールで集約した異常信号は、クライストロン励振出力を制御してとした狭帯域の空洞系の２段構成とした。
いる AMC モジュールに伝送され、RF スイッチを停2.4 空洞の同調止させる。
空洞の共振状態の維持は、空洞に入力される信号と、空洞のピックアップ信号との位相差を一定に保 3. 新システムでできたこと
つように空洞に取り付けられたチューナーの位置を2018 年 2 月に RF ステーションの一つである A ス制御することにより実現している。
テーションに MTCA システムを導入した。そこで得従来システムでは、2.2 節、2.3 節に示したものと られた性能に関して報告する。
同様のアナログ回路で位相検出、フィードバック制3.1 占有空間の削減御を行っていた。
新システムでは、MTCA.4 の CPU 上で動作するプ
MTCA.4 規格のモジュールを用いたシステムによロセスが、数値データとして取得されている位相値 り、LLRF システムの機器の占有する空間を大幅にを元にチューナーの位置を制御している。チュー 削減することができた。Figure 4 に A 位相調整室のナーを駆動するパルスモータコントローラ、チュー LLRF システムを収めたラックの図を示す。ここにナーのエンコーダ読み取り装置と MTCA 機器との間 は LLRF 用に８台、VME 制御用に１台の合計 9 台のは EtherCAT にて通信し、多数のアナログ配線、制 19”ラックが設置されていた。新しいシステムで使御配線を省略することができた。
用している箇所はおよそ 19”ラック 3 台分程度であり、大幅な空間の節約につながった。また、保守用- 57 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, JapanPASJ2018 WEOL10a)

Figure 4: A photo of the 19” racks at the Low Level RFcontrol room. The occupied space by the new RF system
was indicated by rounded rectangles, which weredrastically reduced compared to the old system.の機器の種類及び数も減らすことが可能となった。
3.2b)

クライストロン アノード電圧の制御

2.5 節で示したように、アノード電圧の制御をMTCA.4 規格のモジュールで行った。Figure 5 にア
ノード電圧を一定とした際のドライバ電力とクライストロン出力の関係を示す。従来の方式では、クライストロン出力が 100〜400 kW 付近でコレクタ損失の大きな領域を通過することとなっている。新しいシステムでは、まだ調整途中の段階であるが、クライストロン出力の増加とともにドライバアンプ出力を下げるパターンも設定することができ、コレクタ損失を低く抑えることができている。

Figure 6: Measured Bode plots of the cavity feedback
control of an open loop (a) and a closed loop (b).
選んだ。一方、クライストロンの閉ループ特性は、高電圧電源のリップルを抑制するために、10kHz 近辺まで帯域を伸ばした設定とした。
100 mA の蓄積電流の通常運転の条件で、加速空洞の位相のノイズ、AM ノイズのスペクトラムを A ステーションで計測した。比較のために、アナログ回

Figure 5: Responses between the drive power and theklystron output power with the analog system (squaresymbol) and the MTCA.4 system (filled circle). Blue dotsshow the response at constant anode voltage.
3.3

フィードバック動作とノイズの大きさ

空洞ピックアップ信号に、小さな振幅変調を外乱として加え、オープンループ特性、クローズドループ特性の測定を行った。結果を Fig. 6 に示す。加速空洞の閉ループ特性の-3 dB 帯域はおよそ 20 Hz 程度である。これは、外乱の対象が温度変動など遅い周波数であること、コヒーレントなシンクとロトン振動などビームに対する干渉を抑えることを考慮して

Figure 7: PM and AM noise spectrum of a cavity pickup
signal measured at the A-station and D-station.

- 58 -

Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 WEOL10路の LLRF システムで動作している D ステーション
でも計測を行った。Figure 7 に結果を示す。10 Hz から 100 kHz まで積分した位相ノイズの大きさは、Aステーションが 342 fs rms、D ステーションが 321 fs
rms で、それぞれ位相換算で 0.0591 度、0.0587 度に対応する。AM ノイズの積分値は、A、D それぞれ0.037%、0.024%であった。A、D ステーションともに、要求値である位相変動 0.1 度以下、振幅変動0.1%以下を満足している。
3.4

異常時の波形収集

MTCA.4 システムの高速通信機能を活かして、インターロック発生前後の進行波、反射波などの波形を自動で収集する仕組みを構築し、原因の究明などに活用している。例として、Fig. 8 に空洞で反射が発生した時の空洞ピックアップ信号(pu)、空洞への入力信号(fwd)、空洞からの反射信号(bwd)の電圧波形を示す。空洞からの反射波が徐々に増加し、20 µs後にインターロックの閾値に達してクライストロン出力が停止している様子がわかる。

極座標で位相、振幅を制御する場合と異なり、IQ座標で独立して制御を行う場合、現在値、目標値、制御値の位相が離れていない場合は安定であるが、制御値の位相が 90 度以上ずれている場合は正帰還となり系は発振する。この状態とならないように位相関係を制御する必要がある。我々は、この機能を実現する位相制御機能をデジタイザの firmware に実装し、現在は安定な動作を行っている。

4.

まとめと今後SR の４つの RF ステーションのうちの１つ A ステーションの LLRF システムをアナログベースの回路から MTCA.4 規格のモジュールに更新した。2018
年 4 月から 8 月現在までの運転で、いくつかのトラブルもあったが、現在は順調に運転が継続されており、その位相安定度は 0.06 度、振幅安定度は 0.037%であり、要求精度である 0.1 度以下、0.1%以下を満足している。
今後、新システムの改良を継続する。また、残りのステーションに対する LLRF システム更新は、2018 年度末に D、2019 年度に B、C を予定している。

謝辞

Figure 8: An example of measured waveforms at anabnormal event. Each line shows waveform of a cavity
pickup signal (open circle), a cavity feeding signal (square)
and a reflected signal from the cavity.

本システムの更新は多く方々の協力なしには実現できなかった。感謝の意を表したい。特に MTCA.4
規格デジタイザ AMC ボードの開発、ファームウェ
ア制作に協力いただいた三菱電機特機システムの漁師氏、岩城氏をはじめとする方々、信号処理 uRTM
モジュール、クロック eRTM モジュールの開発に協力いただいたキャンドックスシステムズの埜下氏、仙石氏、桒原氏、田嶋氏、インターロックモジュールの開発に協力いただいたアイデン門田氏、システ
ムの入れ替えにおいて、配線作業などに協力いただ
いたスプリングエイトサービスの方々に感謝する。

参考文献[1] M. Hara et al., “RF Stations of the SPring-8 Storage Ring”,
Proceedings of the 17th Particle Acc. Conf., Vancouver,
U.S.A, May 12-16, 1997, pp.2971-2973.
新しいシステムを導入して直面したいくつかの事 [2] https://techlab.desy.de項について報告する。
[3] https://www.picmg.org/openstandards/microtca
クレートの電源を投入した際に、挿入されている [4] J. Branlard et al., “The European XFEL LLRF System”,
Proceedings of the 3rd Int. Particle Acc. Conf., New Orleans,
ボードと通信ができない場合があった。また、MCHUSA, May 20-25, 2012, pp.55-57.
はボードを認識しているが、CPU は認識していない[5] T. Ohshima et al., “Development of a New LLRF System
状況も発生することがあった。現状でも完全にはこBased on MicroTCA.4 for the SPring-8 Storage Ring”,の状況を克服することはできておらず、電源のオフ
Proceedings of the 8th Particle Acc. Conf., Copenhagen,Denmark, May. 14-19, 2017, pp. 3996-3999.
オンを数回繰り返す対処を余儀なくされる場合が稀[6] T. Schilcher, “RF application in digital signal processing”,にある。
CERN Accelerator School, Sigtuna, Sweden, 31May-9Jun
8 台の空洞のピックアップ、進行波、反射波、ク
2007, pp. 249-283.
ライストロン関連の信号などの検出には 4 セットの [7] Y. Ohashi et al., "Performance of the Reference and Timing
AMC と RTM が用いられている。電源のオフオンを
System at SPring-8", Proceedings of International
Conference on Accelerator and Large Experimental Physics
行なった後では、4 台の AMC モジュールの NCO のControl System 2001, California, USA, pp. 641-643.
位相関係は一般に不定となる。正しく動作させるた
Czuba, “RTM RF Backplane Extensions for
めにはこれらを同期させる必要がある。このために、 [8] Krzystof
MicroTCA.4 Crates”, 20 Real Time Conference, Padova,
基準 RF 信号を分周した信号を４台の AMC に入力す
Italy, 5-10, June 2016.

3.5

発生したトラブル

thるようにした。

- 59 -