Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

PERFORMANCE OF LLRF SYSTEM AT STF IN KEK
Shinichiro Michizono1, Hiroaki Katagiri, Toshihiro Matsumoto, Takako Miura, Yoshiharu Yanoand Shigeki Fukuda
High Energy Accelerator Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801
Abstract
ILC (International Linear Collider) requires the rf stability of 0.07% in amplitude and 0.24deg. in phase,respectively. Since STF is a test facility aiming for ILC, final goal of the llrf stability is the ILC specification. In orderto satisfy these requirements, we have developed the digital llrf feedback system. The system consists of high-stable
master oscillator, FPGA board with 10 16bit-ADCs and 2 14bit-DACs, downconverters and an IQ modulator. The
stabilities of 0.05% (rms) and 0.02deg.(rms) are obtained during rf operation (without beam).

STFにおける低電力高周波源の性能
１．はじめにKEKの超電導高周波テスト施設(STF)では，国際リニアコレイダー（ILC）に向けた超伝導空洞の試験が行われている．ILCでは，空洞加速電界の安定度として振幅安定度0.07％，位相安定度0.24度が要求されている[1] ．これまで，Cavity Simulator等を利用してソフトウエア開発やシステム性能を評価してきた [2] が，昨年7月から超伝導空洞を利用した高周波運転が始まった [3] ．これまで，STFの実空洞を使ったLLRFに関するいくつかのスタディをおこなっている．一つは，KEK独自の計測手法であるIF-Mix法の実証である．この手法を使えば多チャンネルの信号をたとえば1/4のADCで計測することができる．
今回の試験期間中に，1空洞の信号を4分割したうえでIF-Mix法を使ったフィードバックが問題なく動作することを実証した[4] ．また，中間周波数信号が高くなると，πモード以外の空洞のモードもデジタルLLRF系に混入し，そのためフィードバック条件によっては不安定なるとされており，実際にLPFを抜いた状態でのフィードバックの安定度の評価や，その不安定の周期からフィードバックのループ時間を図1：1算出する試みも行っている[5]．このほかに，1.3GHzまで帯域のある高速ADCを高速処理可能なFPGA評価ボードに接続し，1.3GHzの空洞信号を270MHzのサンプリングでミキサーを経由せず直接ADCに入力するダイレクトサンプリングの試験も行っている[6]．ダイレクトサンプリングでは，ジッターの影響を受けやすくなるが，高速サンプリングによりビーム誘起波等の中間周波数以上の高速信号を検出できるほか，ミキサーを使わないことから構造がシンプルとなりミキサーの非線形性等を考慮する必要がなくなる等の利点がある．今回は，これまで得られたデジタルLLRF系の試験結果について報告する．

２．フィードバックシステムの構成
STFの低電力高周波（LLRF）系はFPGAを使ったデジタルフィードバックシステムにより構成されている．筺体としては，J-PARCリニアックのLLRF系と同様のcPCIを採用し，安全系も含めてJ-PARCリニアッ
クの仕様[7] を基本的には踏襲している．ただし，最大8空洞のベクターサム制御をおこなう必要がある
ため，16ビットADCを10チャンネル備えたFPGAボー

デジタルフィードバック系を含めたシステムの模式図

E-mail: shinichiro.michizonoi@kek.jp-861-Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

図2：cPCIと外部サーバ，クライアントとの関係

Spectrum Inc.）が挿入されており，このDSPボードのドータカードとしてFPGAボードが接続されている．
フィードバックのパラメータ設定は外部のクライア
ントPCからcPCIのCPU，DSPボードを経由してFPGA内部に設定される．また，逆に高周波波形はFPGAボードからDSP,CPU経由でクライアントPCに表示される．
Linuxのサーバーでは，cPCIの状態，波形の定時保存等を行っている．外部とcPCIとの通信プロトコルとしてはJ－PARCと同様にCORBAを利用している．
cPCIのCPUには最新の１パルスのほかに，150波形が保存されており，5Hz運転の場合30秒間に蓄積された波形を取り出し評価することができる．これらの波形は，各チャンネルのIQ成分それぞれについて16ビットで長さ2048のデータ列である．通常は1us毎のデータ（全部で2.048ms）を記録するが，外部からの設定により，最大で40MHzサンプリングのデータ（この場合は約50usの幅のデータとなる）を取り込むことができる．外部からの変更や波形取り出しはMATLABを経由しても行うことができるため，MATLABを使ったリアルタイムの解析も可能である．

ドを採用した．図1にデジタルフィードバック系を含めたシステムの模式図を示す．FPGAボード中の2チャンネルのDAC出力は，空洞中のπモード以外のモードの励振を避けるため[5]400kHz以下を透過するローパスフィルタを経てIQ変調をおこなう．その変調出力は500Wアンプ，大電力クライストロン（最大 ３．デジタルLLRF系の性能5MW）を経て超伝導空洞を励振する．空洞は地下にフィードバックの際の空洞電界の振幅，位相波形配置されており，空洞からの高周波検出信号は同軸を図3に示す．設定は，空洞のQ値に対応する時定数ケーブルで伝送され，ミキサーで中間周波数（IF）で増加させ，一定時間後に設定値になるというものに変換されたのち，FPGAのADCで直接検出する．
である．このときのフィードバックは比例制御で，フィードバックは単純な比例積分（PI）制御をによ
また，フィードフォワードは使用していない．空洞り行っている．の帯域はフィードバックを行う場合も100kHz程度以
図２にcPCI筐体と外部サーバ，クライアントとの下に限られる．振幅のサグは，主としてアンプおよ関係を示す．cPCI筺体にはWindowsが動作するCPUと，びクライストロンの時間的なサグによるもので，適cPCI バ ス 上 に 市 販 の DSP ボ ー ド （ バ ル セ ロ ナ ，切なフィードフォワードを印加すればキャンセルで

図3：システムの安定度．(a)振幅，(b)振幅（拡大），(c)振幅の150パルス（30秒間）のパルス内平均値のドリフト，(d)位相，(e)位相（拡大），(f)位相のパルス内平均値のドリフト．
-862-

Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

図4：空洞のRFオフ前後の位相変化(左上，破線は最小二乗法によるフィッティング)および減衰曲線（左下，破線は最小二乗法によるフィッティング），求められた空洞離調の30秒間の変化（右上）とそのヒストグラム（右下）．
き る ． 振 幅 の サ グ を 含 め たパルス内安定度は，0.05%rms，0.02度rms程度である．30秒間のパルスの振幅および位相のパルス内平均値のドリフトを図
3 の (c),(f)に示す．この間のドリフトは0.01%，0.02度程度であった．

４．LLRF系のソフトウエア利用

５．まとめ
STFでは超伝導空洞を使った運転が行われ，いく
つかのLLRF関連の試験評価が進められている．今年の秋には4空洞の試験が行われる予定で，ベクターサム制御等，多空洞運転での試験が行われる予定である．

空洞への高周波入力停止後は，空洞に蓄積されたエネルギーは空洞自身の共振周波数（運転周波数との差を離調と呼ぶ）により減衰するため，空洞電界 参考文献の減衰の時定数から空洞のQ値を，減衰時の位相の時間変化から離調を算出できる．図4に高周波停止 [1] http://www.linearcollider.org/cms/?pid=1000437[2] 松 本 利 広 他 , “KEK-STF で の LLRF 系 の 現 状 ”,後のRF波形の位相（左上）および振幅の対数（左Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle下）を示す．高周波停止後の減衰について，最小二Accelerator Society of Japan And the 31st Linear
乗法でフィッティングし，離調およびQ値を求めた．
Accelerator Meeting in Japan, August 2-4, 2006, Sendai,
フィッティングした直線が赤の破線で示している．
Japan.
このときの結果は離調が-138Hz，Q値が1.49e6であ [3] 福田茂樹 他，“KEK超電導RF試験装置（STR)のRFる．このときの運転はフィードフォワードのみで，源の開発”, These proceedings.
フィードバックは行っていない．空洞電界は8MV/m [4] 松本利広 他, “複数の中間周波数を用いたディジタ程度であった．30秒間のパルス（合計150パルス）
ル低電力RF制御系”, These proceedings.
での，離調の変化をFig.4の右上に示す．この離調 [5] 三浦孝子 他, “KEK-STFにおける TM010モードのパの変化は主として空洞のマイクロフォニックスによスバンドによるRF不安定性”, These proceedings.
るものと考えられる． ヒストグラムを図4の右下 [6] 片桐広明 他, “LLRF計測制御のためのFPGAを利用に示す．このときの標準偏差は4.7Hzである．DESYした高速データ収集”, These proceedings.のTTFにおける測定値は，1時間で4Hz程度であった． [7] 道園真一郎 他, “デジタル低電力高周波系の開発”,
このときは10分程度の周期の遅い変化も含んでいる
加速器学会誌,5（2007）, to be published.
が，今回の測定は30秒間のもので，短時間の変動のみである．ただし，10分程度のゆっくりした離調については，フィードバックにより補正が可能であり，問題は少ないと思われる．
-863-