Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP093

SuperKEKB 用アボート・トリガー・システムの開発
DEVELOPMENT OF ABORT TRIGGER SYSTEM FOR SUPERKEKB
佐々木信哉#, A), 秋山篤美 A), 岩崎昌子 A), 内藤孝 A), 中村達郎 A)
Shinya Sasaki #, A), Atsuyoshi AkiyamaA), Masako IwasakiA), Takashi NaitoA), Tatsuro NakamuraA)
A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract

We have develoed the new abort trigger system for SuperKEKB. The abort trigger system collects more than 130
abort signals and issues the abort kicker trigger signal. Since the response time of the system is required to be less than
20 μs, the abort signals are transmitted as optical signals. The system also has the timestamp function to record the abort
signal received time with a 0.1 μs time resolution. Based on the performance tests, the response time of the modules isconsidered to be much shorter than cable delay. In the new system, the timestamp information gives the order of thereceived abort signals. This paper describes the design and the result of the performance test of the new abort triggersystem.

1.

はじめにタンプによってアボート信号を検出した順序関係を明らかにすることが出来るようになるため、ビームアボートがトリガーされた原因の究明に役立てることができる。
本稿では、開発中のアボート・トリガー・システ
ムの詳細と試験結果について報告する。

現在建設が進められている SuperKEKB 加速器はKEKB 加速器の 40 倍のルミノシティの実現を目指す電子・陽電子衝突型加速器である[1]。
SuperKEKB は 7 GeV の電子リング（HER）と 4
GeV の陽電子リング（LER）により構成される。加アボート・トリガー・システムの構成
速器の構成機器や Belle II 測定器を保護する加速器 2.
保護システム（MPS） として、それぞれのリング 2.1 システム構成モジュールにはビームアボートシステムが備え付けられている。
アボート・トリガー・システムは主に 2 つのモ
ビームアボートを要求するアボート信号の数は 130ジュールから構成される。
点を超え [2]、アボート・トリガー・システムはそれ
1 つは、電気的なアボート信号を光信号に変換すらのアボート信号を集約し、アボートキッカーへ送る 2ch ビームアボート光出力回路（1424）である。
信する役割を果たす。
1424 は TTL・RS-422・接点信号のアボート信号入
KEKB 初期のアボート・トリガー・システムは力を光変換して出力を行う。入力信号の種類切り替ローカル制御室（LCR）と中央制御室（CCR）の間え、極性の切り替えはスライドスイッチによって行をツイストペアケーブルで繋ぎ、アボート信号の伝う。1424 の写真を Figure 1 に示す。
達をしていた。ノイズ除去のため入力にはローパス
もう 1 つは、光信号となったアボート信号を集約フィルター（LPF）を入れていた。LPF の影響によし論理和出力として光信号を出力する 8ch ビームアり、アボート・トリガー・システムの応答時間はボート光入力回路（18K15）である。18K15 はア100 μs 程度であった。その後、KEKB でも光信号にボート信号を検出したチャンネル入力をラッチしてよってアボート信号の伝達を行うように改良を行い、保持するため、瞬間的なアボート信号であってもどシステムの応答時間はケーブル伝送時間による遅れの信号が作動したか確認できる。また、18K15 がリとモジュールのゲート遅れ時間のみに依存するようセットされるまでラッチした入力は解放せず、論理に な り 、 20 μs 程 度 で 動 作 す る よ う に な っ た 。
和をとったアボート信号を出力し続ける。18K15 はSuperKEKB の ア ボ ー ト ・ ト リ ガ ー ・ シ ス テ ム もアボート信号入力をラッチした時間を内部クロック
KEKB 後期と同様に光信号でアボート信号を伝達すのカウンタと外部クロックのカウンタによってタイることで、システムの応答時間を極力短くするようにしている。
また、SuperKEKB のアボート・トリガー・システ
ムでは、アボート信号を受信した時間をタイムスタンプとして記録する機能を持たせている。タイムスタンプの時間分解能は 0.1 μs である。このタイムス___________________________________________# shinya.sasaki@kek.jp

Figure1: 2ch beam abort optical output module (1424).

- 1267 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP093

ムスタンプを付与する機能も備えている。タイムスタンプの機能については 2.2 で詳解する。以上のモジュールの動作にはソフトウェアが介在せず、基板上の FPGA によって処理される。また VMEbus により計算機からアボート信号の読み取り、タイムスタンプの読み取り、リセット信号の送信、入力チャンネルごとの Enable/Disable が可能である。18K15 の写真を Figure 2 に示す。

トを開始する。カウンタのタイミング図を Figure 3に示す。
外部クロック入力は 18K15 のモジュール間でのカウンタの同期のために利用される。アボート計数カウンタは外部クロック入力によって 0 クリアされるため、全ての 18K15 が 1 つの信号源からの外部クロックを受信するように構成することで、システム全体のカウンタの同期をとることが出来る。
このタイムスタンプの機能はソフトウェアを介さずに実装されており、アボート計数カウンタが 10MHz でカウントするため、0.1 μs の分解能を実現することができる。一方で、18K15 が保持するタイムスタンプ情報のみではアボート信号を検出した相対的な時間差を知ることはできるが、絶対的な日時を算出することは出来ない。絶対的な日時を算出するためには、信号原が外部クロックを発信した日時を記録するといったソフトウェア的な処理を必要とする。

Figure 2: 8ch beam abort optical input module (18K15).
2.2

タイムスタンプ機能

アボート信号が単独で発生することは極めて稀であり、通常は複数のアボート信号が連鎖的に発生する。連鎖的に発生した信号の順序関係はビームアボートがトリガーされた原因を究明する際に有益な情報となる。したがって、SuperKEKB におけるアボート・トリガー・システムでは、検出したアボート信号に対してタイムスタンプの付与を行う。付与されたタイムスタンプを参照することにより、発生した複数のアボート信号の順序関係を明らかにすることが出来る。
アボート信号の集約を行う 18K15 は、アボート信号を検出・ラッチした時間をタイムスタンプとして保持しておく機能が入力チャンネルごとに備わっている。
タイムスタンプとして保持するのは 2 つのカウンタの値である。1 つは 18K15 内部に備える 10 MHzクロックをカウントするアボート計数カウンタ。もう 1 つは、18K15 に入力される外部クロックをカウントするトリガーパルス計数カウンタである。それぞれのカウンタは 32 ビットで構成される。アボート計数カウンタは外部クロック入力を検出するたびに 0 クリアされる。また 18K15 がリセットされた場合、アボート計数カウンタ・トリガーパルス計数カウンタがともに 0 クリアされる。リセット後、外部クロックを受信して初めて 2 つのカウンタがカウン

Figure 3: Timing diagram of two counters for abort
timestamps.
2.3

システム全体構成

システムの全体構成を Figure 4 に示す。機器から発信される電気的なアボート信号は 1424 により光信号に変換され送信される。光信号として送信されたアボート信号は周長 3 km の加速器リングに点在する LCR に置かれた 18K15 で一度集約される。各LCR で集約されたアボート信号は再び光信号としてCCR に置かれた 18K15 で集約され、アボートキッカーへトリガー信号を送信する。LCR から CCR までの伝送距離は最長で 2 km であり、その伝送時間は 10 μs である。
システムには他に 18K15 のタイムスタンプの同期をとるための外部クロックが必要になる。外部クロックの発信には KEKB の頃から使用されているイベントシステム [3]を採用することにした。このイベン ト シ ス テ ム は 各 地 に 点 在 す る 機 器 や IOC（Input/Output Controller）の同期に利用されており、タイムスタンプの同期をとるための外部クロックの- 1268 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP093

Figure 4: Schematic diagram of abort trigger system for SuperKEKB.
ボート信号（CH2）は 1424 で光信号に変換され出力されている（CH1）。1424 で光信号に変換されたアボート信号は 18K15 で受信され論理和光出力として出力されている（CH3）。以上の結果より、パル
ス幅 50 ns の瞬間的なアボート信号であってもアボート・トリガー・システムが作動することが確認できる。また、FUNCTION GENERATOR によって3. 動作試験
TTL のアボート信号が発信されてから 18K15 の論理和信号が出力されるまで 150 ns かかっている。こ3.1 応答試験の時間の遅延はケーブル伝送時間による遅れとモ
アボート・トリガー・システムがアボート信号をジュールの処理時間によるものであると考えられる。
受信し、アボートキッカーへのトリガー信号を発信
LCR から CCR までのケーブル伝送時間が最長 10 μsするまでの応答を確認するために figure 5 に示す構であることを考えると 150 ns という遅延時間は十成で試験をおこなった。1424、18K15 にはともに光分 小 さ い た め 、 1424 ・ 18K15 は ア ボ ー ト ・ ト リ
信号の出力の他にテスト用の TTL 信号の出力がある
ガー・システムとして使用するのに十分な応答速度ため、オシロスコープではその TTL 信号を観測した。
であるということが出来る。また、システム全体の1424、18K15 はアボート信号を検出した場合、出力応答時間はケーブル伝送時間に大きく依存するといが Hi から Lo に切り替わる。また、1424 の入力はうことが出来る。
Hi Active の TTL 信号に設定した。信号を伝達するための各ケーブルは数 m の長さのものを使用した。
FUNCTION GENERATOR によってパルス幅 50 nsの瞬間的なアボート信号を生成し、出力した結果をfigure 6 に示した。生成されたパルス幅 50 ns のア分配に適している。タイムスタンプの絶対的な日時の算出のために、CCR に置かれたイベントシステムの EVR が外部クロック出力のイベントを受信した日時を IOC が取得するようにしている。取得した日時は IOC が EPICS レコードとして読み出せるようにする。

Figure 5: Schematic diagram of response timemeasurement of abort trigger system.

Figure 6: Response of abort trigger system to 50 ns
abort signal input.

- 1269 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP093
3.2

タイムスタンプ機能の動作確認

SuperKEKB の制御システムでは EPICS[4]を採用しているため、IOC を通じて 18K15 の監視・制御を行う シ ス テ ム を 構 築 し た 。 ま た 、 制 御 画 面 は CSS（Control System Studio）[5]によって構築した。
構築した制御システムで 18K15 のタイムスタンプ機能の動作確認を行った。動作確認では、1 枚の18K15 に複数のアボート信号を任意のタイミングで入力し、ラッチされるタイムスタンプの結果を確認した。チャンネルごとにラッチされたカウンタのタイムスタンプを Figure 7 に示した。ラッチされたカウンタの値によって、アボート信号を受信した順序関係が理解できる。

Figure 8: Timestamps of time and date format
calculated by software process.

4.

まとめと今後の課題

各機器が発信するアボート信号を集約するアボー
ト・トリガー・システムの開発を SuperKEKB に向けて進めている。システムの応答時間はケーブル伝送時間に大きく依存し、SuperKEKB の場合は最大10 μs ～20 μs 程度になる見込みである。本システム
ではアボート信号を受信した時間をタイムスタンプとして記録することで、発生した各アボート信号の順序関係を把握することが出来るようになる。
今後の課題として、2 つの課題が挙げられる。
1 つは各地に点在する 18K15 のタイムスタンプのFigure 7: Hardware timestamps of each abort signal同期である。同期に使用しているイベントシステム
input.
を用いた外部クロックは伝送距離に応じた遅延が発CCR に置かれた EVR が外部クロック出力のイベ 生するため、18K15 が外部クロックを受信する時間ントを受信した日時を基準にしてタイムスタンプを にはばらつきが生まれる。したがって、場所によっ日時表示にした結果を Figure 8 に示した。このタイ てどれだけの遅延が発生するかを事前に測定しておムスタンプの日時はソフトウェア処理によって取得 き、ソフトウェアにより補間する必要がある。
もう１つはタイムスタンプの精度の測定である。
した日時を使用する。そのため、実際の日時からはタイムスタンプの精度はカウンタクロックである
10数 ms の誤差が発生することが想定される。しかし、それぞれのタイムスタンプ間の相対時間の精度は MHz の精度と、外部クロックによる同期の精度に18K15 がラッチしたカウンタのタイムスタンプの精 依存する。したがって、外部クロックの伝送時間の度に依存する。ラッチしたカウンタのタイムスタン 遅延の測定・補間がどれだけの精度で可能であるかプの精度はアボート計数カウンタのカウントクロッ を含めて検討する必要がある。
クである 10 MHz の精度、各 18K15 に分配した外部参考文献
クロックによる同期の精度に依存する。したがって、タイムスタンプ間の相対時間の誤差は数 μs である [1] Y. Ohnishi et al., "Accelerator design at SuperKEKB", Prog.
Theor. Exp. Phys., 2013, 03A011.と考えられるが、実際どれほどの精度で測定できる [2] H. Fukuma et al., "Progress in KEKB beam instrumentation
かは今後試験する必要がある。
systems", Prog. Theor. Exp. Phys. 2013, 03A007.
[3] T. Naito et al., "Performance of the timing system for KEKB", ICALEPCS’99, Italy, Oct. 4-8, 1999.
[4] http://www.aps.anl.gov/epics/[5] http://www.aps.anl.gov/epics/eclipse/- 1270 -