Linac Faster Beam Switch!"!!#$%&'()*+,-./0123
456789:;9<5678!=8>?!@AB:CD!>:!!"!!EBF>C
古川和朗1、門倉英一1、佐藤政則1、諏訪田剛1、中村達郎1、三川勝彦1、
Artem Kazakov1,2、草野史郎3、工藤拓弥3、雷革4、徐广磊4
1高エネルギー加速器研究機構、2総合研究大学院大学、
3三菱電機システムサービス、4中国高能研

PASJ2008

Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

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Linac Faster Beam Switch

Continuous Injection at Two/Three Rings!KEK Linac は目的の異なる 4 つの Ring に入射"1 日単位の実験が多く年間 Schedule の厳しい PF"長期の積分 Luminosity が重要な KEKB HER/LER"(PF と運用が近い PF-AR)"切り替えには、20 秒から 2 分 (主に電磁石初期化)!通常 PF の入射は 1 日に 1 - 2 回"PF の性能向上のための Beam 開発 Study#入射頻度が高いと KEKB の Luminosity 調整を阻害"PF も Continuous Injection が必要!KEKB の入射は 2-3 分で LER/HER を切替"安定した Luminosity のためにはさらに頻度を上げたい!全ての Ring が Homogeneous Injection を必要とする"他の実験方法の可能性も広がる
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Linac Faster Beam Switch

Continuous Injection at Two/Three Rings! 50 Hz (高速) の Parameter 変更" 電磁石" rf####

Pulsed Bending Magnet (BM̲58̲1) On/Oﬀ
Pulsed Steering Magnet (PX̲17,21,31,41) 当面 8 台(?)、On/Oﬀ、(磁場強度)
Pulsed Coil On/Oﬀ, Timing Stand-by
他の Magnet は共通磁場設定‒‒ 光学補正の手法の確立、Compatible Optics の同時軌道補正に進展###

高速位相設定変更 （当面 10 ヶ所）
高速 Timing Acc/Stand-by 変更（当面 24 ヶ所）
rf 測定系への同期信号##

Grid Pulser 選択信号
Bias 電圧及び Pico 秒 Delay の高速変更##

高速、同期 BPM 読み出し
Wire Scanner, Streak Camera への Beam 選択信号

" 電子銃" Beam 測定
"
"
"
"
"
""
PASJ2008

Beam 繰り返しの選択 (優先順位付き)
PF-Ring と SHB (Linac rf) の同期 (禁止帯対処 ?)それぞれの Ring の Septum, Kicker 選択、Timing
それぞれの Ring の Bucket selection の連携
Beam 安定化 Feedback 機構Parameter 操作・表示 Software Panel
Logging, Archiving, Safety Interlock

8GeV e‒3.5GeV e+PF e‒
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Linac Faster Beam Switch

Requirement to Control System! Pulse-to-Pulse の制御" 1 km に亘って同期していること" 誤りが無いこと (Energy が異なるため管理上重要) 通常制御では危険" 動的な設定変更が可能であること! Timing 制御の伝送" (1) Beam, rf, Beam-monitor に関連する Timing 信号" (2) Timing 精度を高めるための Clock 信号" (3) 多数の状態を区別する Event/Gate 信号! これまでの KEK Linac Timing 伝送" タイミング信号とイベント情報は別々に分配される。15 ヶ所のタイミングステーションは多数のモジュールから構成され、合計約 150 のタイミング信号を供給している。

! Timing 伝送の更新を計画" ハードウェア設計を FPGA + Rocket I/O
で検討始める …

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Linac Faster Beam Switch

Event System!加速器制御では、速い (~ps) Timing 信号の他に状態を区別するための遅い (~ms) Event 信号の伝達が必要になる" KEKB や Linac ではこれまで組み合わせで行なってきた# 主に速い Timing を TD4/TD4V で供給する$ Timing と rf が必要# Event を別の仕組みで供給する$ Hardware と Software の組み合わせ" Timing と Event を一つの機構で扱おうとする Event/Timing System がArgonne/SLS/Diamond で開発され複数の研究所で使用されている (Event
Generator/Receiver)# 上の Fast Timing, rf, Hardware event, Software Interrupt が一つの機構で扱える、Fiber Cable は 1 本だけ# 特に EPICS 環境下では EPICS Event と直結することができる
Eventgenerator

Event code

FanoutEvent receiver
Event receiver
Event receiver

Coax Cable or Optical fiber link
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Event System! 複数の加速器での経験を元に設計された、情報を伴った Timing 信号の伝送機
構# APS at Argonne (ANL/APS)# Swiss Light Source (PSI/SLS)#DIAMOND#(TRISTAN, KEKB, Linac)" 新しい Event System (EVG/EVR-200/230)# 多数の加速器で採用 (予定)$$

DIAMOND, SLS, BEPCII, LCLS, Shanghai, KEK-Linac, Austraria, …
(SNS), (LANL), (BNL), …

$$

Bit rate 2.5Gbps まで, Event rate (及び 内部 rf) 50-125MHz, 短期 Jitter ~10ps,
さらに 8bit signal, 2kbyte data buﬀer, EPICS support# 高機能

Eventgenerator

Event codeFanout

Event receiver
Event receiver
Event receiver

Optical fiber link
Event !"#$%& Trigger '()-*+,-./0-123456378-event playback RAM 9:;<=> Event ?@ 125MHzPASJ2008

ABC3DEF' (=> Event rate 125MHz)-;<(G Delay/Width 9H-.I0 (14 TTL/NIM)-JKLMNO&PQRS (EPICS record RS)
TU: Event Receiver VWU:RS!X&#'D9Y&Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

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Event System for Fall 2008

KL_B5/B6

SB_B

e– BT (PF)

KL_A1

ARC

Event Receivers
SB_2

SB_3

SB_4

e+ BT (KEKB)

SB_5e+ Targete– BT (KEKB, PFAR)
Cont-3Cont-4Cont-5

Event Generator
CentralPASJ2008

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Linac Faster Beam Switch

Linac - PF-Ring Synchronization!新しい同期回路"114.24 MHz は既に KEKB リングの周長補正のために決定されている。一方、PF リングも同様の周長補正を行うため、その旋回周波数 1.6 MHz は独立に決定される。
"下の回路はこれらの独立の rf 周波数からジッタ 100-700ps を許して同期タイミングを探すもの。この回路自体は通常約 5 kHz 以上の出力があり、商用周波数 50Hz と遅い同期をさせてパルス繰り返し信号を作っている。
#（KEKB は 30ps のジッタしか許さないので、このような仕組みでは無理）KEKB Ring 周長補正により決定
Linac SHB 1

114.24 MHz

50/n Hz
Flip-flop
Flip-flop

PF Revolution

1.6 MHz

Precise-delay

Gun
TimingFlip-flop

PF Ring 周長補正により決定
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Linac Faster Beam Switch

Rf 位相制御

!現在は PLC の DAC/ADC で I!A を制御!速い切り替えは Event System を
Event (割り込み) で DAC/ADC と接続し実現!EPICS では割り込み接続は容易

Event
Generator

Event
Receiver

Timing
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DAC!"#Low-Level rf
I!APLCADC

VME
Event-System
DAC/ADCVME(RTEMS)
VxWorks
EPICSAnalog

llrf
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Fast BPM Read-out!新しい高速 BPM 読み出し

"BPM の読み出しは約 22 のステーションで行われるが、これまで使用してきた測定系（左）では 1 秒に 1 回の測定しかできなかったが、昨年より運用を開始した測定系（右）では 1 秒に 50 回以上の測定が可能となる。また、Oscilloscope (DPO7104) の上で EPICS が動作するので分散処理が容易にななり、Event にも同期する。

Ethernet/IP

Ethernet/IP

VME
Oscilloscope

Oscilloscopewith Windowsand EPICS

BPM x 4~10

BPM x 4~6

GPIB

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Beam Pattern Generation!各 Ring からの要求に合わせ Event List を構成する"当面 Linux 上の EPICS CA Client として準備"長さ可変の Beam Pattern List を作成する!Event Sequence (Playback) Buﬀer で実現"Event Generator 上の Sequence を Pulse 毎に書き替え"EPICS + VxWorks の Realtime 環境#一つの Pulse 内では機器に対応した多数の Event が 114MHz で発生し、Receiver側で遅延信号を発生させたり Analog 出力を書き替えるために利用される!その Pattern は運転の都合により自由に書き替え"それぞれの Ring が期待する Beam 頻度を受け取る#例えば 50Hz 25Hz 10Hz や 21Hz 3.5Hz など"Ring 間の優先順位を事前に決めておく"個々の機器の特性に合わせた Pulse 選択の調停#例えばほぼ 10Hz だが一部の Pulse が抜けているなど

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Present Status!PF-Ring、Linac rf 同期" 要求の許容 Jitter 幅では入射試験済み" 一年以上運用し禁止帯の対応は必要なさそう!Event Module" Hardware の試験は２年前から継続、一部運用中" 新しい Software/Firmware の試験と改造をほぼ終了" 実用 Software/Database の構築中 (TP103)!Rf 位相設定" ADC, DAC 用 Software 運用中!Pulse Magnet/Steering" 試験中!高速 BPM 読み出し

" 新 Oscilloscope ２年前より運用中" EPICS 50Hz Software 試験中

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Linac Faster Beam Switch

GH(!@5T9JB?BFK!@:>:B;F
JUL!V!W!I;X568!WYZ

GH(!I>BF!JB?BFK!@:>:B;F
L!MBFK!(NO(PQRSPASJ2008

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Linac Faster Beam Switch[!\]^_`abcdefgh!"i8F:!j8F8k>:;kl]^ m4no!
"i8F:!j8F8k>:;k"i8F:!M8C8Bi8k!
p<:BC>6!q>F;5:cdr(!@5T9T;;7:8k@:>:B;F!(!66k{!d!U|m}|Umo~!"i8F:!M8C8Bi8k
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WI;X568!stu
WL!YZvwxy/z

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Linac Faster Beam Switch

Beam を使用した Event System 試験!現状"Test Stand での 20ms 切り換えと運転 Beam を使用した遅い切り換えは順調"しかし、運転環境下で問題ないかどうかの確認が必要"また、秋からの Grid emission 回避のため、先延ばしがしにくくなった!試験"大電力 Klystron を加速・待機状態にする (50Hz)"Booster Klystron の位相を変更する (50Hz)"上の 2 つを同期して変更する (距離 200m)

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Linac Faster Beam Switch

加速待機及び位相切り換え!SC̲61̲H での 50Hz Beam の Screen 観測#50Hz 加速待機
#50Hz 100deg-140deg#同時切り替え

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Linac Faster Beam Switch

今後!2008 年秋から同時入射に向けた運用を開始!保守のため CAMAC をやめたい。また VME も TD4から移行して Module 数を 1/10 にする!Gun Pulser と Streak Camera は 1ps 程度の再同期回路を開発中!現在片方向 Local PLL なので温度が変わると Timing
Drift が大きい。短期 Jitter は <10ps (TD4 は ~3ps)、Drift は数十 ps。双方向に Timing を交換し広域 PLL を行えば改善が期待できる"EVG/EVR-230 は送り返しの信号線はもっているが、繰り返し
側 Hardware PLL が無い

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Linac Faster Beam Switch

ありがとうございました

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Linac Faster Beam Switch

制御!制御系のパラメータにビームモードの概念"複数の仮想加速器に対して運転操作を行う"パラメータによっては仮想加速器毎に独立の値"パラメータによっては仮想加速器間の妥協点の値"他のパラメータは共通!モニタ読み出し機構にもビームモードの概念"履歴にも…

!漏れのない監視機構の開発!PF - KEKB Compatible Optics の開発と平行して試験!その他 (Stealth) Beam Diagnosis (例えば Phasing)も可能であれば…
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Linac Faster Beam Switch

Jitter Measurement!Rf to EVG!ﬁber!Delay out
from EVR

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20

Linac Faster Beam Switch

Beam Operation!KEKB と PF-Ring の双方に入射している状態では" 例えば、次の表のうちの一つをまず選びさらにその制限内で KEKB / PFRing （独立に）繰り返しを選んでもらう
KEKB

PF-Ring

KEKB

PF-Ring

KEKB

PF-Ring

50 Hz

0 Hz

50/2 Hz

50/2Hz50/5 Hz

50/5Hz50-1 Hz

1 Hz

50/4 Hz50/4 Hz50/10 Hz 50/10 Hz

50-2 Hz

2 Hz

50/6 Hz50/6 Hz50/20 Hz 50/20 Hz

50-4 Hz

4 Hz

50/8 Hz50/8 Hz50/50 Hz 50/50 Hz

50-5 Hz

5 Hz

50/10 Hz 50/10 Hz…

…

" さらに KEKB e‒ と e+ の繰り返しを選ぶ" Kicker が許せば、将来、不等間隔入射にも対応する" まず 1 秒内の Pulse を自由に選択できる機構ができている
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Linac Faster Beam Switch

Switching Speed!現在は切り替えに 30 秒から 2 分要している!段階的に 50Hz (20ms) まで速度を上げる"まずは Software でも対応可能な、〜10 秒#2008 夏"Hardware (Event System) が必要となる、1 秒程度#できれば 2008 冬"最終的に 20ms 毎#2009 夏"それぞれの段階で前 Page の項目のどこまで達成できるかPASJ2008

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Linac Faster Beam Switch

Orbit Control of Linac End
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PF/HER 同時入射

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Y.Ohnishi
1,Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

24

PF Beam

Linac Faster Beam Switch

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PASJ2008

Y.Ohnishi
1-Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

25

Linac Faster Beam Switch

Frequencies between Linac and KEKB Ring

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Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

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