Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

The Development of New Automatic Bunch Current Sensitive Fast Attenuator
for RF front-end of Bunch-by-Bunch Feedback System at SPring-8
Kazuo Kobayashi1 1 , Takeshi Nakamura
JASRI/SPring-8
1-1-1, Kouto, Sayo, Hyogo, 679-5198

Abstract
We are currently developing a new bunch current sensitive automatic attenuation system for the RF front-end of thebunch-by-bunch feedback system in the SPring-8 storage ring. It controls the attenuation of the signal from high current
bunch to avoid the saturation of RF front-end and for equalization of the feedback gain of hybrid beam filling modes
consist of few-mA singlet bunches and sub-mA bunch trains. To achieve more attenuation level and more flexible
operation, we are now developing a new attenuation system with a voltage variable and a digital controlled attenuator
devices combined a modified DC-outputs of Bunch-by-Bunch Feedback Signal processor. This paper describes the newattenuation system and its test results under developing.

Bunch-by-Bunch Feedback 用新規バンチ電流感応型自動アッテネータシステ
ムの開発
1.

与してきた。その後も、デジタル信号処理回路（Feedback Signal Processor）の更新、パワーアンプの増強等、改良を重ね現在の構成は図１のようになっており水平・垂直それぞれに対し 4 本のス
トリップラインキッカー、4 台のパワーアンプにより横方向ビーム不安定性を抑制している。

はじめに

SPring-8 蓄積リングでは、様々なバンチフィリングパターンを実現し、放射光ユーザーに供している。その中で一様ではないバンチ電流から構成されるハイブリッドフィリングでは、既に開発したバンチ電流感応型自動アッテネータにより、シングル部、トレイン部双方において適切なBunch-by-Bunch Feedback（BBF）システムの RF信号入力になるよう BPM からの位置信号強度を自動制御し、BBF システムによりビーム不安定性を抑制している。しかしながら現在使用している自動アッテネータシステムの対応範囲としては電流強度比にして 15dB 程度が限界であるので、
例えば 10mA/0.05mA のバンチ電流が混在するようなフィリングには対応できない。このようなフィリングに対応するため、目標としてダイナミックな可変範囲 50dB を持つアッテネータシステムを開発中である。数 10nsec の早い応答速度を持つ電圧制御デバイスと応答速度は劣るが高い入力耐性を持つデジタル制御デバイスを組合せたものをアッテネータとして選定した。これらのデバイスの制御には SPring-8 開発の BBF システム用信号処理回路の出力を DC 結合にしたものを用いることとした。本報告では、開発中のシステムの概要とその制御、特性評価結果について述べる。

2.

図１：SPring-8 蓄積リング BBF システム
2.1

現状

SPring-8 蓄積リングでは 2004 年から横方向ビーム不安定性抑制のため、BBF システムを導入[1]、同年に開始されたユーザータイムでの Top-up 入射運転の実現に貢献し、安定したビーム運転に寄
1 kkoba@spring8.or.jp-301-

バンチ電流感応型自動アッテネータ

BBF システムの入力となる BPM からの信号はビーム（バンチ）の位置情報とその電流強度に比例した大きさを抱合しており、抑制する振動の減衰時間もそれらに比例することになる。信号処理
回路への入力信号レベルは全てのフィリングモードの中で最小であるマルチバンチフィリングの0.05mA/bunch に最適化されているが、他のフィリングでは 1 桁程度、これよりバンチあたりの電Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)流が大きい。このためフィリングパターンに合わせて手動切替制御により、予め 20dB の固定アッテネータを入力に挿入し、入力信号の飽和を避けている。また、一様のバンチ電流から構成されないハイブリッドフィリングでは同一フィリングの中でもその電流強度比が 1 桁程度あるので、シンプルな RF ミキサーを用いたバンチ電流感応型自動アッテネータを開発[2]、インストールし、ユーザー運転に供してきた。
2.2

表１におけるフィリング hybrid-I とＶでのアッテネータ切替について図 2 に示す。

運転モード（フィリング パターン）

表 1 に SPring-8 での代表的な運転モードを示す。
SPring-8 は 2436 の RF バケットを有し、通常のユーザー運転では 100mA 蓄積、Top-up 入射により蓄積電流を維持している。
Mode

Train
160

multi(x12)203

hybridBunch current(mA)

SingletTrain

SingletInput Att.
Level(dB)-0.05-0# of bunch

-

203

-

0.50

20I

348

50.24

3.00

20/32

II

168

26

0.38

1.40

20/32

III

174

12

0.46

1.60

20/32

IV

168

53

0.28

1.00

20/32

V

1392

10.06

10.000/45

図 ２：要求されるアッテネータレベル

表１：運転モード（Total current is 100mA）
表 1 において hybrid-V は、より大強度、広いバンチ間隔（≒4.8μsec）を持つシングルバンチを有する 100mA 蓄積運転用の候補フィリングの一つであるが、未だ実現できていない。この理由として、
ａ）10mA のシングル部自体の不安定性を抑制しきれていない。
ｂ）10mA と 0.06mA ではその電流強度比が45dB 程度あり、BBF システムの入力部の飽和のため、同時に双方の入力を受け付けることができない。という問題がある。上記のうちａ）についてはキッカー用パワーアンプの増強、高効率キッカーの開発及びインストールでユーザー運転時への対応の目途が既についている。ｂ）については現行の自動アッテネータの対応範囲がダイナミック（ビーム蓄積中切替）には 15dB 程度（20dB のアッテネータの ON/OFF には msec 単位の時間がかかりビームがある状態での切換えは不可）であるので、新たなシステムの開発が必要となっている。

3.

開発システムと評価

3.1

要求仕様と使用デバイス-302-

このようなアッテネータ切替に対応するため、約 80nsec のバンチ間隔に対応できる切替の早いアッテネータデバイスとして電圧可変 RF アッテ
ネータ HMC346MS8GE[3]を、これだけでは 45dB相当のアッテネーションの実現（単体では最大32dB である）、及びこのデバイス自体が大入力に耐えられないので、160nsec 相当の切り替えが可 能 な デ ジ タ ル 可 変 ア ッ テ ネ ー タ のHMC470LP3E[3] をその前段に配置することにより、要求されるアッテネータを実現することとした[4]。
3.2

制御方法

デジタル・アナログ双方の可変アッテネータのレベルコントロールをバンチ間隔に応じた速度で行うために、BBF システムの信号処理で用いている SPring-8 開発の信号処理回路の出力段を DC結合に改造した回路を採用した。入力信号としては不安定性抑制のために用いているビーム振動検出用の BPM の差信号（位置×強度）ではなく、その和信号（強度）を入力とし、バンチ電流強度に応じて各アッテネータの制御に必要な電圧及び、デジタル値を必要な間隔、タイミングで生成している。この DC 結合信号処理回路の出力応答特性を図４に示す。
3.3

ベンチテスト

図５にアッテネータ切替時の応答、図６に実際の 1/7-fill+5bunches(hybrid-I)ビーム運転時にアッテネータを挿入するタイミングを模擬した様子を示す。

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

図６：1/7-fill+5bunches でのアッテネーション用ウィンドウ模擬生成の様子、上：信号処理回路サンプリング出力、下：アッテネータコントロール用ウィンドウ出力

図３：アッテネータ（NIM 左）と信号処理回路

3.4

ビーム試験

開発中のアッテネータとその制御回路を試験的に組んでビーム試験を実施した（2010 年 5 月）。
その時の結果では、目標としている 10mA シングレットを含むフィリングの蓄積リングへの蓄積自体は成功した。しかしながら、開発中の制御回路の完成度不足と、フィードバックループのゲイン不足によって、ID を閉めた状態での安定したTopUp 入射運転を確認するまでには至らなかった。

4.

今後

出力を DC 結合化した BBF 信号処理回路を用いてのアッテネータ制御を完成させる。具体的には、0/20/35/45dB の各アッテネーション値への切換えを任意の電流閾値で実行できるようにする。
現行のアッテネータシステムとの入れ替えを行い、再度 10mA シングレットを含むフィリングでのビーム試験を実施する予定である。
このシステムを実現することにより、柔軟にフィリング要求に応えることができる。

図４：BBF 信号処理回路 DC 結合出力応答（10～500MHz、入力は AC 結合）

参考文献[1] T. Nakamura, K. Kobayashi, “FPGA Based Bunch-bybunch Feedback Signal Processor”, Proc ofICALEPCS’05, Geneva, Switzerland, PO2.022-2 (2005)[2] T. Nakamura, T. Fujita, K. Fukami, K. Kobayashi, C.
Mitsuda, M. Oishi, S. Sasaki, M. Shoji, K. Soutome, M.
Takao and Y. Taniuchi, Z. Zhou, “Filling of High
Current Singlet and Train of Low Bunch Current inSPring-8 Storage Ring”, Proc of EPAC08, Genoa, Italy,
THPC127, (2008)p.3284[3] http://www.hittite.com/[4] K. Kobayashi, T. Nakamura, “New Automatic Bunch
Current Sensitive Fast Attenuator for RF Front-end of
Bunch-by-Bunch Feedback System at SPring-8”, Proc of
ICALEPCS’09, Kobe, Japan, THB006

図５：508MHz 正弦テスト波のアッテネーション（≒40dB）の様子、上：切替用アナログ出力、
下：テスト用 508MHz 正弦波（デジタル切替を含む）-303-