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)

Development of spill control system for the J-PARC slow extraction
A)

A)

A)

A)

A)

Akio Kiyomichi1 , Hidetoshi Nakagawa , Masahito Tomizawa , Toshikazu Adachi , Hirohiko Someya ,A)
B)
B)
C)
D)
Ryotaro Muto , Takeshi Ichikawa , Koh-ichi Mochiki , Hikaru Sato , Koji Noda
A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)

Musashi Institute of Technology
1-28-1 Tamazutsumi, Setagaya-ku, Tokyo, 158-8557
C)Tsukuba University of Technology
4-3-15 Amakubo, Tsukuba, Ibaraki, 305-8520
D)
National Institute of Radiological Science
4-9-1 Anagawa, Inage-ku, Chiba, 263-8555
Abstract
J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) is a new accelerator facility to produce MW-class high power
proton beams at both 3GeV and 50GeV. The Main Ring (MR) of J-PARC can extract beams to the neutrino beam line
and the slow extraction beam line for Hadron Experimental Facility. The slow extraction beam is used in variousnuclear and particle physics experiments. A flat structure and low ripple noise are required for the spills of the slow
extraction.
We are developing the spill control system for the slow extraction beam. Here we report the construction status of thespill control magnets and the development of the feedback system using Digital Signal Processor (DSP).

J-PARC遅い取り出しビームにおけるスピル制御システムの開発
１．はじめにJ-PARCのメインリング(MR)では加速された陽子ビームを用いてハドロン実験及びニュートリノ実験が行われる。遅い取り出しビームはハドロン実験施設に供給され、原子核や素粒子の様々な物理実験に利用される。取り出しビームの時間構造をスピルと呼ぶが、特に実験側からはスピル波形が平坦で安定するよう求められている。安定したスピル波形の遅い取り出しビームを供給することを目的にスピル制御システムの開発を行っている。

２．スピル制御
J-PARC MRの遅い取り出しでは３次共鳴を利用した方法を採用している。３次共鳴の取り出しでは、６極電磁石の励磁により共鳴を励起してチューン（ ν ） を ３ 次 共 鳴 点 （ 整 数 1/3 、 J-PARC で は ν=22.333）に近づける。これにより安定限界をこえた粒子は、ベータトロン振動の振幅が増大してリング外に取り出される。そして安定限界を徐々に小さくすることにより、振幅の大きい粒子からあたかも果物の皮をむくようにビームを取り出してゆき、約１秒にわたってゆっくりとビームを供給する[1]。
取り出し時のチューン変化を一定にした場合、取1

図１

スピル制御によるビームの時間構造調整り出されたビームのスピル波形はベータトロン振動振幅のばらつきを反映した、ガウス分布に近い形となる。平坦なスピルを得るために、まずこのマクロな時間構造を成形する（図１上）。そして、リングの磁場には電力系を起源とするリップルが存在する

E-mail: akio.kiyomichi@kek.jp-331-

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ため、スピル波形には数百Hzから数kHzの高周波構
RQ磁石はリップル除去に特化した４極電磁石で造が乗る。この高周波成分を除去することがもう一あり、特に数百Hz以上の高い周波数成分の除去を担つの目的である（図１下）。
う。仕様は現在策定中だが、EQと同形状で 0.2T/m
これらを実現するために、スピル制御用４極電磁程度の磁場勾配、そして応答時間を重視した設計と石とその励磁パターンを与えるフィードバック装置している。
から構成されるスピル制御システムを開発している。
EQ磁石の１号機は平成２０年７月に完成した。外観写真を図２に示す。磁場測定などの性能試験を行い、また、メインリングの磁石のリップル測定結果
３．スピル制御用４極電磁石を設計に反映させて、EQ磁石２号機とRQ磁石の製取り出し時のチューン変化に対して、その強弱を作を行う。
調整することによりスピルの制御を行う。フィードバックによる微調整を行うために、メインの４極磁
４．フィードバックシステム
石群とは別に専用の４極電磁石を用意する。電磁石は取り出し用４極電磁石(Extraction Q Magnet: EQ)
EQお よ び RQの 励 磁 パ タ ー ン を 作 る の がス ピ ル
２ 台 と 高 速 リ ッ プ ル 除 去 用 ４ 極 電 磁 石 (Ripple Q
フィードバックシステムである。フィードバック装Magnet: RQ) １台からなる。
置は構成回路の動作時間を決めるゲート信号、リンEQ磁石はビームのマクロ成分の平坦化を担う４極グに設置したビームモニタから得られるビーム強度電磁石である。スピル構造のマクロな成形を主目的信号、取り出し直後に設置するスピルモニタからのとして磁場勾配はMR通常の４極磁石の1/10程度としスピル信号の３種類が入力となる。スピル信号は遅た、また1kHz程度までのリップル除去も行えるよう、 い取り出しビームラインの加速器側とハドロンホー鉄芯材料に0.1mmの薄い積層鋼板を用いて渦電流をル側を仕切る真空遮蔽膜からの散乱粒子をロスモニ極力減らす設計にしている。表１に基本パラメータ
タで計測して作る。取り出し直前の周回ビーム強度を示す。と取り出し時間から理想のスピル強度（Spill Height= Intensity/Time）を求め、それが維持できるようEQ
80 mmにフィードバックをかけてスピルの平坦化を行う。
ボア半径
また、数百Hz〜数kHzといった高い周波数成分に対22ターン数しては、その逆位相の信号をRQに与えてリップル
ST-100 0.1mm
鉄心材料除去を行う。図３にスピルフィードバックのシステ
2.60 T/m@301A
最大磁場勾配ム構成図を示す。
0.69 m
コア軸長8.8 mH
インダクタンス
抵抗（22℃）
80.3 mΩ
表１

EQの基本パラメータ

図３

図２

EQ磁石の外観スピルフィードバックシステムの構成

J-PARCの前身であるKEK-PSにおけるスタディにより、取り出しビームスピルを安定にするためには伝達関数に時間依存を持たせる必要があることが分かっている。具体的には取り出し時間の経過に応じてパラメータの最適化を行うことであるが、アナログ制御で行うことは難しい。これを実現するために高速のDSPを用いたデジタルフィードバックの開発を行い、KEK-PSではスピル制御の運用に大きな改善が見られた。J-PARCの遅い取り出しではこの経験を基にして、DSPを用いたデジタルフィードバックによるスピル制御システムの開発を進めている[2,3]。
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フィードバック装置の心臓部であるDSPボードは高速32ビット浮動小数点演算DSPを搭載したTI社のTMS320C6713 を採用した。このチップを搭載した
DSPキット（C6713DSK）をベースに、まずJ-PARC用フィードバック装置の試作機を製作し、KEK-PSのアルゴリズムを移植した[4]。
データのAD変換はKEKオンライングループ開発のKEK-VME GPIOボードを採用した。GPIOボード
はAD/DA変換・デジタルＩＯ・光転送といった各種ドータカードを２枚装着できるVMEボードであり、フィードバック装置の入出力部や電源へのデータ転送に用いる。DSPボードとはデジタルＩＯカードを介して接続する。これに加えて J-PARC では、遠隔操作によるパラメータ操作を実現するべく通信機能の追加を行う。通信用 IO ボードとして、LAN端子とFPGAを搭載し、OSにLinuxを搭載している小型CPUボードの SUZAKU を採用した。J-PARC の制御システムのベースとなる EPICSによる遠隔操作を行うよう開発を進めている。
DSPボードにデータ入出力用ボード及び通信ボードを組み合わせて開発機として製作した。この開発機を用いてソフトウェアの開発や放医研HIMACでのビームテストを実施している。この開発をベースに実運転用の専用基板の製作に着手している。

ではリップル除去を行っていないので、高周波成分を無視したスピル波形を図の下部に示している。約１秒間の取り出しでフィードバックによるビームスピルの平坦化に成功し、DSPで構築したデジタルフィードバック装置が設計通り動作することを確認した。

図５

HIMACでのスピル制御テスト結果

６．まとめと今後の展望
J-PARCの遅い取り出しビームのスピル制御のために、取り出し用４極電磁石とフィードバック装置の開発を行っている。DSPによるフィードバック装置は、HIMACにおいてその性能が確認された。
フィードバック装置は、遠隔操作のための通信部の開発と、実運転で用いる専用基板の設計・製作を行う。スピル制御用の４極電磁石（EQ,RQ）は平成２１年夏のシャットダウン時にインストールして、平成２１年秋のランよりスピル制御を実施したビームを供給する。これに向けてスピル制御用電磁石およびフィードバック装置の構築を行っていく。

図４

参考文献

フィードバック装置開発機

５．ビームテスト
DSPによるスピルフィードバック装置の検証を行うため、平成１９年より数回にわたって放射線医学総合研究所の重粒子がん治療用加速器HIMACにおいてビームテストを実施した。HIMACはJ-PARCと同じ３次共鳴の遅い取り出しビームであり、J-PARCのEQに相当するQDS電磁石が用意されているため、フィードバック装置の試験環境として適している。
取り出し時のチューン変化を一定とし、フィードバックをオフの場合とオンにした場合でスピルの計測を行った。図５にテスト結果を示す。左図がフィードバック無し、右図がフィードバック運転時のスピル波形である。右図ではフィードバック出力であるQDSの励磁パターンも示している。この試験-333-[1] M.Tomizawa, et al, ”Design and development for slow
beam extraction from J-PARC main ring”, Proceeding of
the 4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Wako, August 1-3, 2007, 91-93[2] A.Kiyomichi, et al, ”The research on the spill feedback
using DSP for J-PARC”, Proceeding of the 4th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Wako,
August 1-3, 2007, 410-412[3] H.Nakagawa, et al, “Development of a Signal Processing
Board for Spill Digital Servo System for Proton
Synchrotron”, Proceedings of International Conference onAccelerator and Large Experimental Physics ControlSystems, Oct.15-19, 2007
[4] T. Ichikawa, et al, “Study of spill feedback using DSP for
the J-PARC slow extraction”, These Proceedings.