Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

多チャンネルデジタイザを用いた J-PARC RCS マルチワイヤプロファイルモニタのデータ取得系の開発
DEVELOPMENT OF DATA AQCUISITION SYSTEM OF J-PARC RCS MULTI-WIRE
PROFILE MONITOR USING MULTI-CHANNEL DIGITIZER
畠山衆一郎 ∗A), B) 、吉本政弘 A)
Shuichiro Hatakeyama ∗ A), B) , Masahiro YoshimotoA)
A)
JAEA J-PARC Center, B) MELCO SCAbstract
In J-PARC RCS (Rapid Cycling Synchrotron), in order to perform transverse orbit matching of the injection beam, it
is used a total of 7 sets of multi-wire profile monitors (MWPMs) which consists of 3 sets of MWPMs installed before
and after the charge stripping foil on the circumference ring, 2 sets on the L3BT line, and 2 sets on H0 dump line. It isconsidered that beam loss around the equipments of injection beam line will be increased significantly because it is planed
the beam power from the LINAC will be enforced in this fiscal year. So we will install a new MWPM on the H0 dumpline to measure the injection orbit and the charge conversion ratio more precicely. In this time, we have developped a newdata acquisition system using multi-channel digitizer. As the feature, it is improved the S/N ratio as compared with thepresent system using a multiplexer. Also the cost of the new system is estimated to be lower than the present system. In
this report it is described the peformance of the new DAQ system by using real beam with the existing MWPM2.

1.

はじめに

J-PARC RCS(Rapid Cycling Synchrotoron) では、入射ビームの軸合わせを行う為に 7 台の MWPM [1] を設置している。今年度には LINAC からのビームパワーが増強され、入射機器付近のロスがより深刻になると考えられる。そこで入射軌道と荷電変換効率を詳細に測定することを目的として、H0 ダンプラインに 8 番目の MWPMを設置する予定である（Fig 1 参照）。今回、そのデータ処理系として多チャンネルのデジタイザーを用いたシステムを開発し、その性能をビーム試験で確認した。のだが、±1 倍の 2 系統の差動信号となっており、同相のノイズを極力減らすようにしてある。プリアンプの信号は、制御室の積分器によって 500µs のゲート幅で積分されパルスの電荷量に比例した波高を持った矩形波となる。全てのワイヤの矩形波は、マルチプクレクサ(MPX) によってワイヤ番号の順に時系列で並べられた一つのアナログ信号となり、Wave Endless Recorder(WER)の ADC によってデジタルデータに変換される。WERのバッファに蓄積されたデータは、LAN 経由で IOC によって収集され、ユーザ端末上の解析プログラム [2] によってビームプロファイルとして再構成される。通常はプロファイルの形を細かく取るために、0.1mm ずつワイヤを移動させながらワイヤの間隔分（約 10mm → 100ショット相当) スキャンして、重ね合わせる手法を用いている。Fig. 3 に例として MWPM2 のワイヤー軸（u, v座標）上に再構成したプロファイルを示す。
preamp(8ch/module)

MWPM headwire 0diff. ampsig.

Figure 1: MWPM8 will be installed between MWPM6 andMWPM7 in the H0 dump line.

noise sig.

analog signal

integrator

GND

wire Nsig.

beam sig.

beam sig.
amplitude

ADC

MPX+

buffer-beamGND~2mnoise sig.
sig.

+

GND

2.

現行の DAQ システム

~30m

Fig. 2 に現行の DAQ システムの概略図を示す。この図ではモニターヘッドを移動させるモーター駆動系やマシンプロテクション用のインターロック系は省略している。Fig. 2 の左から見ていくと、ビームがワイヤーに当たって発生した電荷信号は地下 2 階の加速トンネルから地下 3 階のメンテナンストンネルまでツイストペア線で伝送され、差動入力のプリアンプで電圧信号として約 20∼200 倍に増幅される。プリアンプの出力は約150m 離れた地上の制御室にツイストペア線で送られる∗ hatake@post.j-parc.jp

WER

wire Nwire 0+Accelerator
Tunnel (B2F)~150m
Maintenace
Tunnel (B3F)

LAN

MPX (8ch/module)
IOCgate (500us)

Control Room (1F)

Analysis
OPI

Figure 2: A schematic of present MWPM DAQ system using multiplexer.

3.

新しい DAQ システム

新しく設置する MWPM8 は、水平、垂直合わせて合計94 本のワイヤで構成されており、これまで設置されたどの MWPM よりもチャンネル数が多い（Table 1 参照）。

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用的な多チャンネルのデジタイザーを用いて、ワイヤ毎に波形をデジタル化しソフトウェアで積分することにした。(3) のコストに関しては、現行システムでは、専用設計のプリアンプ、MPX それぞれ ∼80k yen/ch、シャーシがそれぞれ ∼800k/yen、WER と波形取得用計算機が∼1M /yen で、total ∼17.6M yen くらいに見積もられていた。新システムでは、プリアンプ (現行モデルを NIM規格に変更) が ∼51k yen/ch、PXI デジタイザが ∼10kyen/ch、NIM, PXI シャーシがそれぞれ、∼300k, ∼160kyen、PXI CPU カードが ∼330k yen で、total ∼6.5M yenと見積もられ、およそ 1/3 のコストとなる（ケーブルの敷設や端末処理を含めるとその差はもっとある）。Fig. 4に新しい DAQ システムの概略図を示す。
preamp(8ch/module)

MWPM headwire 0noise sig.

digital data(EPICS record)

ADC

wire Nsig.

CPUGNDwire Nbeam sig.

sig.

Figure 3: Reconstructed beam profile by using present
DAQ system. (a) in u-axis, (b) in v-axis.

beam

MWPM1

scan-dir.

21627y+MWPM282836x−

MWPM3411051y−

MWPM4411051y−

MWPM5411051y−

MWPM6264571x−

MWPM7154863x+

MWPM8841094y−

Analysis
OPI~150msig.

Table 1: Number of channels of MWPMs in injection area.
totalLANnoise sig.

~30mv (ch)IOC(Linux)

GND

GNDu (ch)PXIbuswire 0Accelerator
Tunnel (B2F)~2m

Multi-ch-digitizer(16ch/module)

Maintenace
Tunnel (B3F)

triggerdatastrage

Control Room (1F)

Figure 4: A schematic of new MWPM DAQ system using
multi-channel digitizer.

4.

MWPM8 の DAQ システムは、当初は現行の設計をそのまま使用することを考えていたが、以下の問題により、新しいシステムの導入を検討することとなった。

性能評価

新しい DAQ システムの性能評価として試験用に購入した多チャンネルデジタイザー (ADLINK PXI-2022,16bit, 250kS/s, 16ch)×3 枚 (48ch) を既存の MWPM2 に接続して実際のビームを用いた波形測定、ビームプロファイルの再構成を行なった。Fig. 5 はビーム試験時のセットアップの写真である。尚、ビーム試験では、現行(1) 配線が複雑でメンテナンス性が良くない。
(2) 信号処理回路が専用設計で汎用性がない。
(3) (1), (2) の理由で増設には予想外のコストがかかる。
(1) の問題に関しては、現行ではモニターヘッドからWER まで 5 種類（MS-65pin, MS-35pin, Dsub-15pin,Dsub-37pin, BNC）のコネクタで、9ヶ所で中継されており、接続ミスの特定、信号の反射、減衰などを考慮すると経路の短縮化を図ることが望まれた。そこで、プリアンプからの出力をメンテナンストンネルで直接デジタイザに接続し、制御室までの約 150m にわたる信号伝達は LAN で行なう事とした。(2) の問題については、現行ではプリアンプ、MPX は共に VME シャーシに専用のバックプレーンの配線を施した特殊なモジュールとなっている。そこで、プリアンプは NIM モジュールにして、MPX は無くし、代わりに PXI バス1 を使った汎
1 PCI バス機能を CompactPCI のモジュール式 Eurocard パッケージと組み合わせたもので、専用の同期バス等が追加されている。高性能・低コストで航空宇宙/防衛、工業用テスト等で実績がある。

Figure 5: A setup of beam test with 48ch of multi-chdigitizer(ADLINK PXI-2022) and CPU card(PXI-3950).
DAQ システムと比較するために Fig. 2 の MPX モジュー
ルのモニタ信号出力からプリアンプの波形を分岐させて PXI-2022 に接続し、同時に二系統で測定できるようにした。Fig. 6 は PXI-2022 で取得した波形で、それぞれ (a) ビーム信号、(b) ビームに同期したノイズである。
MWPM のプリアンプは LINAC からの最大 500µs のパルス幅のビームがワイヤに当たって生成された電荷をτ ∼1ms の時定数で増幅しており、ビームの信号が 0 付近まで減衰する時間は約 4ms である。ノイズの起源は- 1083 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

6000
5000

(a) beam hit signal

4000
3000

Nomalized Amplitude(a)present DAQ : N/S=0.09

1

new DAQ : N/S=0.006-110-210275

280285290295300

305

U axis (mm)(b)

present DAQ : N/S=0.07

1

new DAQ : N/S=0.008
1010-1-2-1102000-105-100-95-90-85-80

V axis (mm)

1000
00500

1000

150020002500

3000

3500

Figure 8: Comparison of beam profile at MWPM2 between
present and new DAQ with log-scale. (a) u-axis, (b) v-axis.

4000

Time (µs)800(b) noise signal

600
400Fig. 9 は MWPM2 ヘッドのオフセット位置 (x 方向で165, 170, 175mm) とビームプロファイル中心値の相関を直線でフィットしたものである。現行・新システムとも直線の傾きのずれはほぼ 1%以下であり同等である。

2000-200-400
0500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Time (µs)

Figure 6: Preamp waveform signals taken by PXI-2022 :(a) beam hit signal, (b) noise signal.

MWPM2 Wire Offset .vs. Measured Center
0.3132E-02/ 1139.00.9920

314
312x (mm)Amplitude (a.u.)

MWPM2 Beam Profilex (mm)Amplitude (a.u.)

MWPM2 pre-amp signal

されているのが分かる。

Nomalized Amplitude

入射ビームと同期したシフトバンプ、ペイントバンプ電磁石から来ており、入射から ∼600µs まで大きなノイズが乗る。新 DAQ システムではソフトウェアで波形を積分しているため、積分範囲を解析時に任意に決めることができる。Fig. 6-(b) を見てもわかるようにノイズ波形はバンプ電流がゼロになった後に長いアンダーシュートがみられるため、積分範囲を 4ms までに伸ばすことによってノイズ成分はほぼ相殺される。また積分範囲を伸ばすことは、ビーム信号の波形のテイル部分の情報も得られる利点もある。

P1
P2310

312

P1P2310308308306306(a)304304302302
165

170(b)

175165present DAQ :: wire offset (mm)430.3902E-01/ 1
4.277-0.2593E-01

P1P22(c)175

430.1340E-03/ 1
1.554-0.9299E-02

P1P221(d)100-1-1-2170

new DAQ :: wire offset (mm)y (mm)y (mm)

Fig. 7 に例として新システムで MWPM2 のワイヤー軸（u, v 座標）上に再構成したプロファイルを示す。このデータは Fig. 3 のものと同時に測定された。x, y 座標に焼き直したプロファイルの中心値は、x は現行 (307.72mm)、新 (307.62mm)、y は現行 (-0.24mm)、新 (-0.05mm) とよく一致している。

0.5547E-03/ 1137.90.9980314165170

175

present DAQ :: wire offset (mm)

-2

165

170

175

new DAQ :: wire offset (mm)Figure 9: Linearity of wire offset and measured beam center. (a) present x, (b) new x, (c) present y, (d) new y.

5.

まとめJ-PARC RCS に新しく設置される MWPM 用の DAQとして多チャンネルデジタイザを用いたシステムを開発した。新システムではコストを現行の約 1/3 に抑えることができる上、ビーム試験での性能評価ではノイズ対信号比が約 1/10 となり大幅に改善されることが分かった。

参考文献
Figure 7: Reconstructed beam profile by using new DAQ
system. (a) u-axis, (b) v-axis.
Fig. 8 は、現行・新のプロファイルの中心の高さを 1で規格化し log スケールで重ね合わせたもので、新システムではノイズ対信号 (N/S) 比が ∼1/10 と大幅に改善[1] S.Hiroki, et al., “MULTI-WIRE PROFILE MONITOR FOR
J-PARC 3GEV RCS”, Proceedings of EPAC08, 2008, Genoa,Italy.
[2] H.Sako, et al., “AN APPLICATION FOR BEAM PROFILE RECONSTRUCTION WITH MULTI-WIRE PROFILE MONITORS AT J-PARC RCS”, Proceedings ofEPAC08, 2008, Genoa, Italy.

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