Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP084

SPring-8 でのビーム位置モニタ長期安定化に向けた新たな取り組み
RECENT ACTIVITIES AT SPRING-8 TO IMPROVE THE LONG-TERM STABILITY OF THE
BEAM POSITION MONITORS
藤田貴弘#, A), 高野史郎 A), 正木満博 A),前坂比呂和 B), 松原伸一 A), 出羽英紀 A), 佐々木茂樹 A), 大竹雄次 B)
Takahiro Fujita#,A), Shiro TakanoA), Mitsuhiro MasakiA), Hirokazu MaesakaB), Shinichi MatsubaraB), Hideki DewaA),
Shigeki SasakiA), Yuji OtakeB)
A)
Japan Synchrotron Radiation Reserch Institute (JASRI/SPring-8)
B)
RIKEN SPring-8 Center XFEL Division

AbstractLong-term stability of the Beam Position Monitor are quite important for the following reasons, (1) beam position at
the BPM determine both position and angle at the synchrotron radiation source point, (2) in a very low-emittance ring,typically represented by SPring-8 upgrade plan, position stability for long-term must be improved to 10 μm which isless than 1/10 of present stability. In this paper, we report recent status of BPM stability and activity of survey for BPM
stabilization.
気的な変動が考えられるが、3 電極法は、上記のうちの後者について評価できる手法である。3 電極法とは、4 電放射光源リングでは、アンジュレーターの光軸安極の内、3 電極を選択して水平/垂直方向のビーム位定化が必須であり、そのために必然的に電子ビーム置を計算する際、3 電極の選び方が４通りあること軌道に対しても長期間の安定性が求められる。
から、水平/垂直位置が４通り得られ、これら位置
SPring-8 蓄積リングには、1.4km の周長にわたっての矛盾が最小になるように各電極のゲイン補正係数288 ケ所にビーム位置モニタ(BPM)が設置されておを決めるものである。計算には、BPM 電極のマッり、BPM のデータは周期的な軌道補正に使用されピング計算から得られた電極の非線形性も考慮されている。BPM 信号処理回路は 1997 年のコミッショている。この 3 電極法を用いると、ユーザー運転中ニング時から使用されていたものを 2006 年に更新の定常状態（一定のビーム軌道）の４電極データかすることで、軌道補正の高分解能化、短周期化を実ら、バランスのずれの最大値（インバランス）を見現し、短時間の軌道安定度を向上させてきた[1]。一積もることができるため、ユーザー運転中の BPM方で、放射光源として軌道の長期間安定性、または運転サイクル間で高い再現性を得ることについては、 インバランス変動を監視している。また、ビーム調整時には、ステアリング電磁石を用いて意図的に軌BPM がその大半の責任を担っており、BPM の安定道振り、その応答からゲインバランスのずれを求め、性については現在においても課題があるため、改善年に数回の頻度でバランス補正を行っている。我々の試みを継続しているところである。
は、この BPM ゲインのインバランスの長期ドリフ
SPring-8 では、1997 年のコミッショニング後に、ト量を、3 電極法で電気中心を補正している最大量
BPM ケーブル中の定在波の影響が除去できていな
100μm の 1/10 である 10μm 以下に抑えることを目かったため、4 電極間の信号のゲインバランスが崩標にしている。そのための調査状況と検証についてれ、その影響が BPM の電気中心をミリメートル程報告する。
度ずらしていた。これを補正するため、3 電極法[2]1. はじめにが考案され、バランスのずれによる電気中心のオフセットを~50μm 以下に補正した。この補正値は１度 2. BPM ケーブル内の定在波の影響補正した後は、一定であることが期待されたものの、 一般に、ボタン電極に誘起されたビーム信号は長
実際は長期間にわたってこのインバランス量が変動 い同軸ケーブルを使って処理回路まで接続される。
する(もっとも大きな BPM で 100μm 程度)ことが観 この時、ケーブルの湾曲部や、コネクタのかしめ部測されている。そのため、運転サイクルごとの軌道 分でのインピーダンス不整合によって反射波がわずの再現性などが大きな問題となっている。
かに生じる。多くの場合、電圧反射率で 0.1 の数分
BPM のドリフトの要因としては、の１程度である。こういった不整合によって生じた
 BPM チェンバー、またはそのサポートの温 反射波はボタン電極まで戻るが、ボタン電極ではほ度変動などによる機械的な変形
ぼ全反射されるため、元の信号とのベクトル和とし BPM 処理回路、またはビーム信号自身の電 て、再度信号処理回路に入力される。こういった構成は、両端が 50Ωに近い通常の同軸線路とは違って___________________________________________# tfujita@spring8.or.jp
反射の影響を受けやすい。

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SPring-8 蓄積リングの BPM の場合、ボタン電極
か ら 信 号 処 理 回 路 ま で 、 a-cable(2.5m)、 b-cable(約20m～30m)、c-cable(5m)の３本の同軸ケーブルを用いている。これらのケーブルのコネクタの内、a, ccable はケーブルメーカー工場でアセンブルされたものだが、b-cable の処理回路側コネクタは現地でアセンブルされたためか、比較的この部分の不整合が大きい。また、b-cable は何度も湾曲しながらケーブルラダーに敷設されているため、複数個所に信号の反射源が存在する。ケーブル全体でみると、電圧定在波比(VSWR)は 1.2 以内と常識的なケーブルの伝送特性に収まっているが、処理回路が実際に感じる電圧は BPM 電極ごとに 10%程度ばらついていることになる。この定在波による 10%のばらつきは両端を測定器に接続した測定では較正することができない。また、この 10%のばらつきは SPring-8 の BPM部のチェンバー断面形状から、ビーム位置に焼き直した場合約 1mm の電気中心の誤差につながる。この量は 1997 年に最初に 3 電極法を用いてバランスを補正した量と矛盾しない。
定在波の場合、観測する周波数によって合成波の振幅が変わって見える。Figure 1 はシングルバンチを蓄積した際に 508MHz 周辺の各周回周波数の整数倍のピークを測定したものである。振幅の強弱の周波数間隔から２点の反射間の距離が～35 m である
ので、電極と b-cable の回路側とで定在波が生じていると考えられる。

Figure 1: BPM spectrum when single bunch beam arestored in the ring. Blue points: Isolator was attatched tobutton electrode side, red points: without isolator.
Table 1: Specification of the Isolator
周波数範囲488MHz-529MHz
挿入損失< 0.5 dB(±0.1dB/20℃～30℃)
リターンロス(S11,S22)< -25 dB
アイソレーション> 25 dB
部品表面での漏れ磁場< 50 Gauss

3. アイソレータによる定在波の低減
こういった反射波が時間を経ることによる劣化や温度などで変化したものが BPM のドリフトとして観測されているのではないかと考え、b-cable からの反射が処理回路に戻って入力されないように a-cableと b-cable の接続部にアイソレータを順次追加している。アイソレータは加速器収納部内に設置するため、厚さ 3 mm の鉛シートで遮蔽を行い、また、アイソレータ内の磁石から磁場が漏れていると、設置場所の環境（比透磁率）によってアイソレータ内部の磁場に影響を及ぼしたり、アイソレータのドリフトの原因となったりすることを懸念して、鉄性の筐体で磁気遮蔽を施した。アイソレータの典型的な高周波特性を表１に示す。この長期変動の解消のため、まず、ＢＰＭケーブル中の定在波を低減するために収納部内にアイソレータを設置して定在波の抑制を進めてきた。Figure1 の青線はアイソレータを設置した場合の 508MHz 近辺の周回周波数のピークを測定したものであり、定在波の影響が改善できていることが分かる。このアイソレータの設置により、バランスのドリフトが改善した BPM もあり、また、明確な効果はないものもあった。定在波の低減では対策は十分ではないことが分かった。

4. バランス変動と BPM 処理回路の関係
SPring-8 蓄積リングには 30m の長直線部がリングの４か所に対称にあり、この長直線部の BPM については、バランス変動が比較的大きな BPM と比較的小さい BPM が近接しているものがある。そこで、これらの特徴的な BPM のバランス変動と相関があるものを調査したところ、信号処理回路のダウンコンバートに使用しているローカルオシレータのレベルと強く相関していることが分かった。ローカルオ
シレータ信号は蓄積リングのマスターオシレータから分岐した信号を E/O、O/E の光アナログリンクを用いて２４台の信号処理回路に配信しているものであり、ボタン電極からの 508.58MHz の周波数コンポーネントを 250kHz の IF 信号にダウンコンバートするために使用している。Figure 2 に BPM 信号処理回路のブロック図を示す。回路は加速周波数である 508.58 MHz を 250 kHz の IF にダウンコンバートして 8 倍のオーバーサンプルでデジタイズし、Discrete Fourier Transformation (DFT)によって加速周波数成分を検波する構成である。また、FET スイッチによる multiplex 方式であり、１台のラックに全く同じ構成の回路が４系統設置されており、１系統あたり 3BPM 分(=12 電極分)処理している。つまり、3BPM は全く同じ処理回路で処理されている。
長直線部のバランス変動が特徴的な BPM(C05-5と C05-6)についての例をそれぞれ Figure 3, Figure 4に示す。この２つの BPM は全く同じ RF アンプ、ミキサー、IF アンプ、ADC で処理されている。図には DSP が検波した IF 電圧と 3 電極法で求めたインバランス（バランスの最大のずれ）をプロットしている。まず、C05-5 は IF 電圧の変動が小さく、インバランスの変動も小さい(おおむね< 5 μm)。それ- 1220 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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に対し、C05-6 は IF 電圧の変動が大きく、IF 電圧の変動とインバランスの変動が同時に起きていることが分かった (～50 μm)。さらに、C05-6 については、インバランスの変動とローカルレベルの変動に強い相関が確認された。
前述の通り C05-5 と C05-6 は全く同じ回路で処理されている上に、ローカルレベルは IF 電圧に影響しない設計になっている。また、改めてオフラインでビーム信号を模擬して行った測定でもローカルレベル変動に対する IF 電圧の変動はユーザー運転中に観測されている量の 1/20 以下であった。よって、現状では、ローカルレベルの変動とバランスの変動は因果関係の無い現象だと考えている。

Figure 2: Block diagram of the BPM electronics. BPM electronics employs multiplex-method. A frequency componentof 508.58MHz from button electrodes is down-converted to 250 kHz IF signal. IF signal is digitized by 2 Msample/sADC. Signal voltage is detected on DSP applying DFT.
き起こしていることである。まず、前者について調5. BPM バランスドリフト源の加速器収納 べるため、BPM C05-5 と C05-6 の直近にボタン電極には接続しないダミーの同軸ケーブルを敷設し、保部内探索守通路側で放射線によるノイズを測定した。またそバランス変動の原因が処理回路よりも上流にあると れとは別に、ボタン電極に接続する４本のケーブル考え、収納部内で原因の探索を行っている。
に対して、厚さ 3mm の鉛管による遮蔽を施した。
結果、ダミーケーブルに関しては、508MHz に同期
5.1. 放射線の影響するノイズはほとんど観測されなかったし、バラン収納部内の BPM ケーブルの調査を行ったところ、 スのドリフトと相関は認められなかった。508MHz
ドリフトの大きな C05-6 の BPM ケーブルには激し の 3 倍にあたる周波数に比較的強いピークが確認さい放射線損傷と思われるインピーダンスの変化、 れたが、3 倍高調波は回路の入力段のフィルタで十ケーブル被覆の劣化が認められた。Figure 5, 6 に 分除去されているので、影響することは考えにくい。
TDR で測定した BPM ケーブルの電圧反射係数を示
次に、後者のケーブルのダメージがバランスのドす。そして、放射線照射量を確認するために、ケー リフトと関係しているかどうかを調べるために、ブルにラドカラーを貼付したところ、C-5-6 に貼付 ケーブルの交換を行った。Figure 9 にケーブル前後したラドカラーは著しく赤色に変色した。C05-6 の のバランスドリフトとローカルレベル変動について
直近には上流の偏向電磁石からの放射光を受けるア 示す。ケーブル交換前に顕著であった、バランスのブソーバーが設置されており、その受光体からの散 ドリフト、ローカルレベルの変動、IF 電圧の変動が、
乱 X 線が C05-6 の BPM ケーブルに照射しているこ 交換後には大きく改善されている。とが分かった。また、Figure 7, 8 に BPM とアブソーバーの位置関係、ラドカラーの着色状況を示す。 5.2. 湿度の影響
Figure 6 の電圧反射率の波形に１部インピーダンス
Figure 3,4 で見られた BPM バランス変動には、加の劣化が低減されている部分があるが、ケーブルの 速器収納部および保守通路の湿度に強く相関してい敷設状況から、アブソーバーとケーブルの間にある ることが最近分かってきた。Figure 9 に BPM バラサポートが影を作っている部分に対応する。
ンスの変動に加えて、蓄積リング収納部内に設置さこれらから次の２項が考えられる。(1) BPM ケー れた空調機の排気湿度の履歴を示す。図では線の重ブルに X 線が照射されることでノイズが生じてい なりを避けるため、湿度のデータに 20 ポイントのる。または、(2) X 線の照射によりケーブル内誘電 オフセットを加えている。また、加速器収納部の温体の誘電率が変化、それに伴う局所的な特性イン 度変動は 0.1℃程度で非常に安定であり、湿度につピーダンスの変動が BPM バランスのドリフトを引 いては加速器収納部と保守通路とでほぼ同様の変動- 1221 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2015 THP084になっている。Figure 9 から湿度でローカルオシ ルの特性インピーダンスの変動に何らかの形で関わレータのレベル変動と非常に強い相関が見えている。 ることで発生しているものと推定される。偶然にも、また、湿度の変動が短い停止期間(6/6～6/7)を境に BPM ケーブルの遮蔽作業と同時に湿度が安定に小さくなるのと同期して、ローカルレベルが一定に なったため、どれが原因なのか、現時点でははっきなり、C05-6 のバランス変動が 10μm 以下に安定し り切り分けられていない。原因とそのメカニズムについては、今後も継続する調査の中で明らかにしてた。
これらから、BPM C05-6 のバランス変動は、ケー いくつもりである。
ブルへの放射線照射、環境湿度の変動などがケーブ

Figure 3: (top) IF voltage of BPM C05-5 detected byDSP.
(middle) Trend of Local Oscillator power.

Figure 4: (top) IF voltage of BPM C05-6 detected by
DSP. (bottom) Trend of Local Oscillator power.

Figure 5: TDR waveform of the BPM cable (C05-5).

Figure 6: TDR waveform of the BPM cable (C05-6).

X-ray

変色したラドカラー

Figure 7: Layout of
BPM C05-5. Color othe RADCOLOR wasstill yellow.

Figure 8: Layout of BPM
C05-6. RADCOLOR attachedto the BPM cables are colored
to red due to the scattered Xray from the absorber.

Figure 9: BPM imbalance, LO power and humidity in
SPring-8 accelerator tunnel. For Humidity, 20 point areadded to the data for elimination overlap with otherlines.

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まとめ
現状の SPring-8 の光軸安定化のため、また、SPring8 アップグレード計画に十分見合う BPM システムを実現するため、BPM のバランス変動対策を進めている。3 電極法で得られる BPM ゲインのインバランスを指標として、BPM ケーブル内の定在波の低減を進めている。また、最近の取り組みとして、バランス変動が大きな BPM に着目し、ドリフトの原因が収納部内のケーブルへの放射線照射、周囲の湿度変動、ローカルオシレータのレベルと強い相関があることが分かってきた。今後、調査を継続し、原因究明を進め、ドリフトが 10μm 以下の BPM システムを実現したい。

参考文献[1] S. Sasaki, T. Fujita et al., Proc. of the DIAPC 2007, Venice,Italy, (2007) p. 114.
[2] M. Masaki et al., Proc. of the 11th Symp. on Accel. Sci.
and Technol., (1997), p.83.

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