Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 THOB6

KEK-PF リング用ローレベル RF 系更新の進捗
PROGRESS REPORT ON THE UPDATE OF THE LOW-LEVEL RF SYSTEMAT KEK-PF RING
内藤 大地*, 山本 尚人, 高橋 毅, 本村 新, 坂中 章悟
Daichi Naito ∗ , Naoto Yamamoto, Takeshi Takahashi, Arata Motomura, Shogo Sakanaka
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract
We are replacing the low-level RF (LLRF) system at the KEK PF-2.5-GeV ring. The new LLRF system is composed of digitalboards based on the MTCA.4 standard. For RF detection, we adopted the direct sampling method with non-IQ technique. Its
sampling clock was set to be 8/13 (307.75 MHz) of the RF frequency, where the denominator (13) is the divisor of the harmonic
number (312) of the storage ring. For the RF control, we adopted the amplitude and phase feedback loops. Production of thenew system has been completed and we are in the high-power testing with the RF system of the KEK PF-2.5-GeV ring. In thispaper, we report on the status of the high power tests.

1.

はじめにKEK Photon Factory (PF) の 2.5 GeV リングでは現在、2023 年秋の運転に向けて low-level RF (LLRF) システムの更新を進めている。更新ではアナログ回路群で構成れた LLRF [1] を、MTCA.4 規格のデジタル回路群に置き換える。本発表ではインストール状況と、デジタルLLRF と RF ハイパワー系を組み合わせた大電力試験の進捗について報告する。

2.

RF システムの概要

Figure 1 に LLRF 更新後の PF 2.5 GeV リングの RF システムの概要を示す。また Table 1 に RF システムの基本パラメータを示す。システムは空洞の真空やクライストロンの温度等を監視する低速インターロック、RF反射信号を監視する高速インターロック (FITL)、RF 制御を行う LLRF、ハイパワー系に分かれている。低速インターロックは PLC のモジュール群で構成され、高速インターロックと RF 制御は MTCA.4 規格のモジュー
ル (1 組の AMC ボードとμ RTM ボード) で構成される [2]。高速インターロックは 1 つのモジュールで 2 系統分の低速インターロック信号と反射信号を監視する(Fig. 1 中の FITLA、B)。インターロックが発報した場合は RF 制御部からの RF 出力を即座に停止させる。RF制御は 1 つのモジュールで 1 系統のハイパワー系を制御する (Fig. 1 中の LLRF 1, 2, 3, 4)。
次に Fig. 2 に示した RF 制御とハイパワー系の取り合いについて簡単に説明する。RF 制御部では空洞への入力 RF 信号を使った PI 制御でハイパワー系を制御する。またこの PI 制御のリファレンスには空洞のピックアップ信号を使った PI 制御の出力を用いており、ダブルループ構造となっている [2]。空洞電圧の安定性については振幅が ±0.1 %、位相が ±0.1 ◦ を目指している。
この RF 制御部には下記 4 点の特色がある。
• ADC での RF 検出に Non-IQ ダイレクトサンプリ
ング法を導入。

Figure 1: The schematic view of the RF system including thenew LLRF system for the KEK PF-2.5-GeV ring.
Table 1: The Principal Parameters of the RF System for thePhoton Factory Storage Ring

∗ daichi.naito@kek.jp- 190 -Parameter

Value

Number of cavities

4Radio frequency

500.1 MHz

Harmonic number

312

Cavity voltage per cavity

0.425 MV

Beam current

450 mA

Klystron power per cavity

72 kW• ADC のサンプリングクロックを 307.75 MHz(RF 周
波数の 8/13 倍) に設定。
• RF 信号を IQ 値から振幅位相に変換してフィードバック制御。
• 任意の振幅/周波数の FM 変調及び AM 変調を RF

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Figure 3: The phase shift of the electron bunch measured by
the digital LLRF and the iGP. The fill pattern consisted of 250
bunches and 62 empty RF buckets.

Figure 2: The schematic view of the RF control part.

信号に重畳可能。
このうち Non-IQ ダイレクトサンプリング法と振幅位相によるフィードバックは既に SPring-8 で導入されており [3]、我々のデジタル LLRF はこれらを踏襲している。我々のシステムの特筆すべき特徴は 312(リングのharmonic 数) の約数である 13 を分母に持つ、(8/13)×(RF周波数) を ADC のサンプリングクロックに設定したことである。これにより IQ 値を 24 回取得するタインミングと電子バンチがリングを 1 周するタイミングが一致し、いつもバンチトレインの同じ位置の振幅/位相が測定可能になった。
Figure 3 に PF 2.5 GeV リングで実際に測定したバンチ変動を示す。黒線が新規 LLRF システムでビームポジションモニターの信号を取得してバンチ位相を計算した結果を、赤線が PF 2.5 GeV リングで bunch by bunch
feedback に用いている iGP [4] でバンチ位相を測定した結果である。なお、LLRF での測定の際には専用のバンチ位相モニター用ファムウェアを用いた。iGP が40000 ターン分のデータからバンチ位相を再構成しているのに対して、デジタル LLRF システムではわずか100 ターン分のデータからバンチ位相を再構成できており、既存のシステムに比べて非常に高速なバンチ位相の再構成ができている。また PF 2.5 GeV リングでは将来計画として再構成したバンチ位相から空洞電圧の補正パターンを作成し、各バンチの位相変動をリアルタイム補正することを検討している。

3.

幅 50 MHz のバンドパスフィルターを介して各ボードに入力される。またシェルフの下部には RF 制御部から出力したチューナー用信号を絶縁して 3V から 5V に変換するモジュールが置かれている。新規 LLRF システ
ムとハイパワー系との接続については既存のアナログLLRF とハイパワー系の接続用タッチパネルを再利用する。接続用タッチパネルと新規 LLRF までの配線は既に完了しており、いつでもアナログ LLRF から新規LLRF に切り替えが可能な状態になっている。現在は 1系統ずつアナログ LLRF からデジタル LLRF に切り替えて試験及び調整を行っている。

Figure 4: Photo of the new LLRF system.

新規 LLRF のインストール状況

PF 2.5 GeV リングでは 2022 年度にデジタル LLRF 系実機の製造を行った。2023 年 8 月現在、デジタル LLRFシステムは全て現場に設置済みとなっている。Figure 4にデジタル LLRF システムの写真を示す。LLRF シス
テムは 19 インチラックに収められており、外部からの入力信号及び出力信号は天井のタッチパネルに集約されている。高速インターロック及び RF 制御部は写真中央部の MTCA.4 規格のシェルフに収められている。
タッチパネルからの入力信号は写真に示されたバンド

4.

新規 LLRF のハイパワー試験

2023 年 4 月に LLRF が納入されてから 6 月まではLLRF 単体での性能評価を行ってきた。本発表では紙面の都合上これらの結果については省略し、7 月から行っている大電力試験のうち、クライストロンフィードバック試験、アナログ/デジタル LLRF 安定性比較試験、デジタル LLRF 系遅延測定、ダブルループフィードバック試験、安定性試験について報告する。

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4.1 クライストロンフィードバック試験
Figure 5 に示すように空洞の替わりにダミーロードを繋いでクライストロン単体の制御試験を行なった。ク
ライストロンの制御は Fig. 2 中の制御のうち、空洞ピックアップ系を切り離して空洞入力系のフィードバック単体で行なった。この時、PI 制御手前の IIR フィルターのカットオフ周波数は 10 kHz に設定した。また PI 制御の目標値は Fig. 5 中のパワーメーターでのモニター値がビーム運転時と同じ 80 kW になるように設定した。
そして PI 制御の設定値を変更していき、ADC で観測される RF 信号の安定性を評価した。ADC で取得した振 Figure 7: Unstability of the klystron-output phase with respect
幅と位相は 26 µs おきにサンプルし、4096 点分を 1 波 to the parameters of P gain and I gain.
形として記録した。

ラムアナライザーで比較した。この測定ではどちらのLLRF 共にクライストロン出力パワーが 20 kW になるように制御を行なった。またデジタル LLRF のフィードバックでは比例/積分ゲインの設定値をそれぞれ 2 とFigure 5: Experimental setup of the klystron control test with 750 に設定して行なった。狭い周波数領域で比較したスペクトラムを Fig. 8、広い周波数領域で比較したスペ
the digital LLRF.
クトラムを Fig. 9 に示す。どちらの図でもアナログ/デジタル LLRF でフィードバックをオフした時のスペク
Figure 6 にクライストロン出力の振幅の安定性、Fig. 7
トラムが黒線と緑線、フィードバックをオンした時のに位相の安定性を示す。いずれのグラフも横軸が比例スペクトラムが赤線と青線となっている。またグラフ
ゲインの設定値、縦軸が積分ゲインの設定値を示す。振が見やすいようにアナログ LLRF のスペクトラムには幅の安定性については 1 波形分の分散の平方根を σA 、40 dB のオフセットをつけている。
振幅の平均を MA とおくとFigure 8 で見えているピークは主に 60 Hz(商用周波σA数) の高調波で、中でも 600 Hz と 1.2 kHz の成分が大U nstability =× 100 [%](1)MA
きかった。これらのピークはフィードバックをオンするとこでアナログ/デジタル LLRF ともに大きく減衰でとした。位相の安定性は 1 波形分の分散の平方根としきており、アナログ LLRF でのフィードバックの方がた。いずれの分布も比例/積分ゲインの設定値がそれぞ
3 dB 程度減衰量が大きいという結果になった。
れ 2 と 5000 程度の時が最も安定という結果になった。
Figure 9 ではアナログ LLRF でフィードバックオンす◦
この時の安定性は振幅が ±0.01 %、位相が ±0.05 とな
ると 22 kHz 付近にピークが発生することが判明した。
◦り、目標とする振幅安定性 ±0.1 %、位相安定性 ±0.1
PF 2.5 GeV リングのシンクロトロン周波数は約 23 kHzを十分満たす結果となった。
であり、このピークがビーム運転中に誘起されているシンクロトロン振動の原因の可能性がある。またアナログ LLRF でフィードバックをオンにすると 15 kHz 以上でノイズフロワが上昇しており、こちらもシンクロトロン振動を誘起する原因となりうる。これらの比較結果よりデジタル LLRF に置き換えることで安定性の向上が見込めると結論した。
4.3

Figure 6: Unstability of the klystron-output amplitude withrespect to the parameters of P gain and I gain.

4.2 アナログ/デジタル LLRF 安定性比較試験
アナログ/デジタル LLRF それぞれでクライストロン単体を制御した際のクライストロン出力を、スペクト

デジタル LLRF 系遅延測定

Figure 10 に示すように通常通りクライストロンを空洞に接続した状態でデジタル LLRF 系の RF 信号 遅延量を測定した。測定は Fig. 2 中のダブルフィードバック制御ダイアグラム通りに信号を接続し、フィードバック自体はオフにして行なった。そして Fig. 2 中の極座標/IQ 変換 直下の FF 入力を用いて、DIO からの外部信号をトリガーとした幅 1 µs のインパルス信号を DACから出力した。インパルス信号の強度は空洞への入力パワーがベースラインで 21 kW、インパルスのピークで 25 kW となるようにした。遅延量の測定はデジタルLLRF に備わった内部波形記録機能を用いた。制御の各- 192 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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でフィードバックする必要が出てきた場合には、遅延を減らす工夫が必要になってくる。

Figure 11: The result of the delay measurements in the digital
LLRF system.
Figure 8: The narrow-span power spectrum of the Klystron
output controlled by the analog LLRF and digital LLRF, respectively.

Figure 9: The wide-span power spectrum of the Klystron output controlled by the analog LLRF and digital LLRF, respectively.

4.4

ダブルループフィードバック試験

空洞での損失パワーがビーム運転時と同じ 25 kW になるようにダブルフィードバックで制御し、空洞ピックアップ信号の振幅/位相 安定性を評価した。試験では
空洞入力信号と空洞ピックアップ信号用の IIR フィル
ターのカットオフ周波数をそれぞれ 10 kHz と 20 Hz に設定した。また空洞入力制御系の比例/積分ゲインの設定値をそれぞれ 2 と 3000 に固定し、空洞ピックアップ制御系の比例/積分ゲインのスイープを行なった。
Figure 12 に空洞ピックアップの振幅の安定性、Fig. 13に位相の安定性を示す。いずれのグラフも横軸が比例ゲインの設定値、縦軸が積分ゲインの設定値を示し、振幅/位相の安定性の定義は Sec. 4.1 と同じである。いずれの分布も比例ゲインが大きいと安定性が低下し、比例/積分ゲインの設定値がそれぞれ 2 と 100 程度が最も安定という結果になった。この時の安定性は振幅が ±0.01 %、位相が ±0.04 ◦ となり、目標とする振幅安定性 ±0.1 %、位相安定性 ±0.1 ◦ を十分満たす結果となった。

ブロックでの波形を外部信号をトリガーに記録し、ブロック間でのインパルスの到達時間差を遅延量とした。

Figure 10: Experimental setup of the RF high-power test withthe digital LLRF.
Figure 11 に測定結果を示す。デジタル LLRF の出力がハイパワー系を伝送され、空洞のピックアップ信号としてデジタル LLRF に到達する時間は 1.33 µs であった。デジタル LLRF 内での遅延は ADC から FPGA へデータ転送して IQ 値を計算する部分が 0.55 µs と一番大きかった。また次いで CORDIC アルゴリズムを用いた IQ から振幅位相への変換／逆変換が 0.34 µs と大きかった。RF システム全体の遅延としては 2.73 µs という結果になった。これらの遅延量は PF リングでの使用では問題になっていない。しかし KEK 将来光源において振幅/位相を安定化するためにより速い周波数成分まFigure 12: Unstability of the cavity-pickup amplitude with respect to the parameters of P gain and I gain.

4.5

ダブルループ安定性試験

前節で決定したダブルループのパラメータを設定し、空洞ピックアップ信号の安定性の時間依存性を評価した。この測定では参考のために eRTM から出力したマスターオシレーターの信号も ADC で測定した。それぞれの振幅/位相の値は 1 秒毎に更新される EPICS レコー
ド値を 10 分毎に記録した。
Figure 14 に空洞ピックアップの振幅の安定性、Fig. 15に位相の安定性を示す。安定性の定義は各時刻の振幅- 193 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 13: Unstability of the cavity-pickup phase with respect
to the parameters of P gain and I gain.

Figure 15: Time dependence of the cavity phase stability controlled by the digital LLRF.

を A(t)、位相を P (t) とおくと変動が測定可能という特徴を持つ。2023 年 4 月にデジタル LLRF が納入されてから性能評価及びデバッグを進めており、ソフトウェアの問題点は今のところ全て解決できた。現在は 1 系統のみ RF ハイパワー系とデジタル LLRF を組み合わせた調整が完了している。試験段階では空洞電圧の振幅/位相の安定性はそれぞれ±0.01 %、±0.04 ◦ となっており目標性能を十分満たす結果となった。今後は順次残りの 3 系統の調整も行っていき、11 月のビーム運転に向けて自動立ち上げシーケンスの開発/動作試験を進めていく。

A(t) − A(0)× 100 [%](2)A(0)
P hase unstability = P (t) − P (0) [◦ ](3)Amplitude unstability =とした。振幅安定性の時間変動の RMS は ±0.01 %、位相安定性は ±0.04 ◦ となり目標を十分満たす値となった。次にマスター信号は非常に安定だと仮定し、ADCで測定したマスター信号から ADC 自身の変動による影響を大まかに見積もった。見積もりではマスター信号の変動の RMS を ADC の変動と等価と仮定し、空洞の振幅/位相の RMS との２乗和の平方根を計算した。
ADC の変動を加味した振幅安定性は ±0.03 %、位相安定性は ±0.09 ◦ となり、この場合でも目標性能を満たす事が分かった。ADC で観測されたマスター信号の変動は eRTM や途中の伝送経路での変動を含むため ADCの安定性は別途評価が必要だが、この結果より十分な安定性が期待できると結論づけた。

謝辞
PF デジタル LLRF 開発にご協力、アド バイスいただ
いた KEK 加速器研究施設の小林鉄也 氏、杉山泰之氏、二ツ川健太氏、松本利広氏、三浦 孝子氏、日本原子力研究開発機構の田村文彦氏、SPring-8 の大島隆氏に謝意を述べる。またデジタル LLRF の製作及びデバッグにご尽力いただいた三菱電機ディフェンス＆スペーステクノロジーズの岩城孝志氏、北川隆太氏、寺田晃氏、張替豊旗氏、山崎伸一氏、漁師雅次氏に謝意を述べる。

参考文献Figure 14: Time dependence of the cavity amplitude stability
controlled by the digital LLRF.

5.

まとめ

PF 2.5 GeV リングでは 2023 年度秋の運転に向けてLLRF システムの更新と調整を行っている。LLRF シス
テムは MTCA.4 規格のデジタルボード群で構成され、ビームの周回に同期した RF 電圧変動やバンチ位相の[1] M. Izawa, S. Sakanaka, T. Takahashi, K. Umemori, “Presentstatus of the Photon Factory RF system”, Proceedings ofthe Asian Particle Accelerator Conference (APAC) 2004,
Gyeongju, Korea, Mar. 2004, pp. 389-391.
[2] D. Naito et al., “The upgrade status of the KEK-PF
low-level-RF system and performance test of their prototype”, in the Proceedings of the19th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, Online, Aug.
2022, WEP044. https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2022/proceedings/PDF/WEP0/WEP044.pdf[3] T. Ohshima et al., “Upgrade of LLRF system at SPring8 storage ring using MTCA.4 standard modules”, inthe Proceedings of the15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Nagaoka, Japan, Aug.
2018, pp. 55-59. https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2018/proceedings/PDF/WEOL/WEOL10.pdf[4] R. Takai et al., “Bunch by Bunch Feedback System using iGp at KEK-PG”, in the Proceedings of DIPAC09,
Basel, Switzerland, May 25-27, 2009, pp. 59-61. https://accelconf.web.cern.ch/d09/papers/mopd08.pdf- 194 -