Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

MULTI-HARMONIC RF ACCELERATION SYSTEMFOR ION SYNCHROTRONA)

H. Nishiuchi A)1, K. Saito A), K. Masui B) and K. MoriyamaB)
Power & Industrial Systems R&D Laboratory, Hitachi, Ltd.
7-2-1 Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki-ken, 319-1221
B)
Information & Control System Division, Hitachi, Ltd.
5-2-1 Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki-ken, 319-1293

Abstract
We have developed an RF acceleration system for ion synchrotron. In order to reduce the beam loss by space-charge
effect in a low energy domain, the multi-harmonic RF acceleration method is effective, in which the second and thethird harmonic signals are superposed on the fundamental signal. It is necessary for the RF acceleration system tosuppress the synchrotron oscillations by high-speed feedback control as well as to control these higher harmonic signals.
The digital control system to perform this processing is realized by hardware. The digital control system is divided into
three units based on the contents of processing, it carries out parallel processing of the function, and it can realize
flexible accelerator control and high-speed signal processing. We have succeeded in the frequency feedback control
and the acceleration control by the multi-harmonic RF acceleration method.

多重高調波印加法によるイオンシンクロトロン用高周波加速制御システム
１．緒言

波数フィードバック制御を実現可能な高周波加速制御システムを開発し、この開発したシステムを用いたビーム加速試験を筑波大学陽子線医学利用研究センターの加速器システムを用いて実施し、多重高調波印加法によるビーム加速制御の有用性を確認した。

当社では陽子線治療システムを中心とした小型イオンシンクロトロンシステムを開発し、福井県若狭湾エネルギー研究センターおよび筑波大学陽子線医学利用研究センターへ納入してきた。これらのシス
２．システム構成
テムでは、システムの小型化を実現するため、シンクロトロンへの入射エネルギーが10MeV以下と低い。 図1に高周波加速制御システムの構成を示す。高
一般に低エネルギー領域のビームでは空間電荷効果
周波加速制御システムは、Bクロック発生システム、による発散力によるビーム損失が生じることが知らデジタル信号処理装置、アナログ信号処理装置、電れている。そこで当社では、加速空胴に印加する高力増幅器および、加速空胴から構成される[2]。
周波信号として、基本波信号に高調波信号を重畳しTiming
Timingsignals System RF Serverた合成波信号による加速制御法（高調波印加法）を
B-monitor適用してきた[1]。
B-clock
B-clock
Bending
DIDICPU
Generator
Magnet
高調波印加法とは、加速空胴に印加する基本波信
B-clock
system号に二倍、三倍高調波信号を重畳した合成波信号をMemory
DAC
Amplitude data
印加することで高周波バケット面積を広げ、バンチ
DAC
RFDigital
ビームのピーク電荷密度を低下する制御手法である。
DAC
AmplifierAVCSynthesizers
加速終了時のビーム強度を理論値で比較すると、基3f
3f
2f
2f
本波信号のみの印加法に対して、二倍高調波印加法
ffCombiner RFRF signalsにより1.4倍、多重高調波印加法により1.6倍が見込
CavityADC
まれる。ビーム加速試験の結果、二倍高調波印加法
RF2fs
Correction data
ADC
MonitorPD
により理論値通りの1.4倍の増加に成功したが、多ADC∆φ
重高調波印加法では、理論値までのビーム強度の増Radial beam position dataDAC∆R加は得られなかった。この試験の結果、多重高調波
Digital control system
Analog control system
印加法で所望の合成波信号を得るためには、基本波
Beam
信号の周波数変化に対する高調波信号の位相・振幅
Monitor制御を精密に制御する必要があることが分かった。
Beam
そこで、基本波信号の周波数の変化に合わせて高Fig.1: Block diagram of RF acceleration system
調波信号の位相と振幅を精密に制御可能でかつ、周1

E-mail: hideaki_nishiuchi@pis.hitachi.co.jp507

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380mm

高周波加速制御システムは、上位制御システムか(Master Controller, MC)、タイミング信号に基づく運ら伝送されるタイミング信号により、運転制御を実転 制 御 を 担 当 す る 運 転 制 御 コ ン ト ロ ー ラ (DPU施する。Bクロック発生システムは、偏向磁場強度Controller, DPUC)、高周波信号処理を担当するRF制の変化を検出し、偏向磁場強度の単位変化毎にパル御コントローラ(Digital Processing Unit, DPU)から構ス信号（以下、Bクロック信号）を出力する。デジ成される。
タル信号処理装置は、このBクロック信号に基づき、 MCは上位計算機システムから伝送される加速制デジタル発振器に設定する基本波周波数を更新する。 御パラメータ（プリセットデータ、パターンデー
本制御システムには、5種類のフィードバック制
タ）を受信し、DPUおよびアナログ信号処理装置に御機能を実装している。基本波周波数のフィード設定するとともに、高周波加速制御システムの状態バック制御機能として、ビーム位置フィードバック信号を上位計算機システムに伝送する処理といった、制御(∆R)とビーム位相フィードバック制御(∆Φ)が挙
リアルタイム性能が要求されないソフトウェア処理げられる。また振幅フィードバック制御機能として、 を担当する。MCにはCPUにSH-4 (240MHz)を採用し基本波信号、二倍・三倍高調波信号にそれぞれ独立た当社のコントローラHISEC 04/R600CHを採用した。
したAVC回路を設けた。更に高調波位相の目標値にタイミング信号に基づく加速制御を管理する
対するずれを検出し補正する高調波位相フィード
DPUCは、MCと同様にCPUにSH-4 (240MHz)を採用
バック制御(PD)とバンチ形状フィードバック制御した加速制御コントローラである。DPUCはタイミ(2fs)を設けた。これらのフィードバック信号処理は、 ング信号に対して10µsの応答を実現するため、MCアナログ信号処理装置で補正量を演算し、デジタルとは独立して用意した。またDPUCは、DPUの運転信号処理装置でフィードバック演算処理を実施する。 状態を監視する機能を有し、MCからDPUメモリへ
デジタル信号処理装置は、Bクロック信号による周のデータ設定は、DPUの運転状態を確認しながら波数更新制御と上記のフィードバック制御を並列にDPUC経由で実施する。そのため、DPUとDPUCの処理する必要がある。特にビーム位相フィードバッ間はFPGA (Field Programmable Gate Array)を介したク制御では、制御システムでの処理遅延時間として専用バスで接続する。
5µs以下が求められ、うちデジタル信号処理装置で高周波加速制御の主要機能である高周波信号処理の遅延時間は2µs以下が要求される。そのため、デを担当するDPUは、2µs以下のフィードバック演算
ジタル信号処理装置には高速なフィードバック演算処理の遅延時間を実現するため、パターンメモリア処理と並列して、基本波・二倍・三倍高調波信号のクセス処理および高調波位相フィードバック制御の周波数・振幅・位相制御をリアルタイムで処理しな補正量演算を実施するDPU1と、周波数フィードければならない。そこで、当社のコントローラ技術バック演算処理および高周波信号出力を実施するを適用したデジタル信号処理装置を開発した。
DPU2に分けて実装した。これら二つのユニットでの信号処理は全てFPGAにて実装した。
図3にデジタル信号処理装置の外観、表1にデジタ
３．デジタル信号処理装置
ル信号処理装置の主な仕様を示す。
高周波加速制御システムは、先に示した高周波信号の制御の他に、タイミング信号に基づく運転制御
DPU2
DPUC機能や、上位計算機システムからの制御データ伝送機能が求められる。デジタル信号処理装置では、これらの制御レベルに合わせて３つのコントローラに機能を分散・並列化し、高速信号処理を実現した。
図2にデジタル信号処理装置のシステム構成を示す。
Timing System

Central Control System
Ethernet

Timing signals

Digital Control System

MCDPU1Master Controller
(MC)
480mm

DPU Controller(DPUC)
Hardware bus
B clock signals
Correction data
RF out (3ch.)

Fig.3: Photo of digital control system

Digital Processing Unit
Memory Controller(DPU1)RF Controller(DPU2)

Table 1: Specification of the RF digital control system
Frequency Range
1-10 MHz
Frequency Resolution
24 bits (4.2Hz/LSB)
Phase Resolution
12 bits (0.08deg/LSB)
Amplitude Resolution
16 bits (0.02V/LSB)
Pattern Memory Capacity 16 Mbytes (SRAM, ECC)
Synthesizer Clock Frequency 80 MHz

Fig.2: Outline of digital control system
デジタル信号処理装置は、上位計算機システムとの通信制御機能を担当する通信制御コントローラ
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ために生じていると推測される。今後、より精度の高い高調波信号の位相データの生成方法を検討して開発した高周波加速制御システムを筑波大学陽子いく必要がある。
線医学利用研究センターの加速器システムに実装し、図6に多重高調波印加法による加速制御中のビービーム加速試験を実施した。以下に結果を示す。
ム強度の変化を示す。ビーム強度の変化を比較する
4.1 ビーム位相フィードバック制御試験と、基本波信号のみの印加法に対して、二倍高調波印加法で40%の増加、多重高調波印加法で65%の増
高周波加速制御システムにおいて、最も高速な信加を確認した。
号処理が要求されるビーム位相フィードバック制御

４．ビーム加速試験

試験の結果を以下に示す。図4に∆Φフィードバック制御による加速制御中のシンクロトロン振動の変化を示す。

Acceleration

Multi harmonic
Dual harmonics
Enhancement ofbeam intensity by 65%

Extraction
Acceleration∆Φ Feedback : off∆Φ Feedback : on

Fig.4: Suppression of instability by ∆Φ feedback control∆Φフィードバック制御を有効とすることで、加速制御区間で生じていた2.4-3.4kHzのシンクロトロン振動の抑制に成功した。
4.2

多重高調波印加法による加速試験

Single harmonicFig.6: Beam intensity under acceleration

５．結言
小型イオンシンクロトロンにおける低エネルギー領域での空間電荷効果によるビーム損失を抑制する、多重高調波印加法を適用した高周波加速制御システムを開発した。ビーム加速試験により、ビーム位相フィードバックによる2.4-3.4kHzのシンクロトロン振動の抑制と、加速終了時のビーム強度を多重高調波印加法により基本波信号のみに比べ65%増加を観測した。以上の結果から、小型シンクロトロンにおける多重高調波印加法によるビーム加速制御は、空間電荷効果によるビーム損失の抑制に有効であることが確認できた。

本システムを用いて多重高調波印加法によるビーム加速試験を実施した。試験を実施するに当たり、予め基本波信号に対する高調波信号の周波数特性を補正する位相データをサンプルし、パターンデータを生成した後にビーム加速を実施した。図5に多重高調波印加法による高周波信号とバンチ波形を示す。 ６．謝辞

RF signal

ビーム加速試験の実施においてご協力戴いた、筑波大学陽子線医学利用研究センターの関係各位に感謝申し上げます。

参考文献

Bunch shape[1] K. Saito et al., “RF Accelerating System for a Compact Ion
Synchrotron” Proc. of PAC 2001, Chicago, pp.966-968.
[2] H. Nishiuchi et al., “Multi-harmonic RF acceleration systemthfor medical proton synchrotron” Proc. of the 13Symposium on Accelerator Science and Technology, 2001,
Osaka, pp.238-240.

Fig.5: Multi harmonic RF signal and bunch shape(At 100 ms after the start of acceleration)
多重高調波印加法による合成波信号が周波数更新処理に基づいて変化することを確認し、バンチ波形も形状を保ちながら加速していることを確認した。
図5におけるバンチ波形の傾きは、高調波信号の周波数特性を補正する位相データが微妙にずれている
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