Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

縦方向 Bunch-by-Bunch フィードバック用高効率エネルギーキッカーの開発	 
DEVELOPMENT OF A HIGHLY EFFICIENT ENERGY KICKER FOR LONGITUDINALBUNCH-BY-BUNCH FEEDBACK
正木満博#, 中村剛, 小林和生、藤田貴弘、大石真也、小路正純、佐々木茂樹、大熊春夫
Mitsuhiro Masaki #, Takeshi Nakamura, Kazuo Kobayashi, Takahiro Fujita, Masaya Oishi, Masazumi Shoji,Shigeki Sasaki, Haruo Ohkuma
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/SPring-8)

Abstract
A highly efficient energy kicker has been developed for longitudinal bunch-by-bunch feedback to suppress synchrotron
oscillation of a high-current single electron bunch, and to cure possible longitudinal multi-bunch instability if lower
beam energy is to be adopted for emittance reduction and electric power saving in a future upgrade plan of SPring-8.
Through the performance test using a prototype kicker, a new water-cooled copper kicker was designed and fabricated,
and it has been installed in the storage ring. The new kicker consists of three cells with each cavity length of 96 mm, its
resonant frequency of 1.65 GHz, which is 3.25 times of RF frequency of the storage ring, and low Q-factor of 4.2. Inbeam kick test, the synchrotron oscillation amplitude of 0.64 ps was excited by kick voltage with CW modulation atsynchrotron frequency when RF input power was 132 W/3cells. The kick voltage evaluated from the experimental
result is 920 V/3cells. Shunt impedance of each kicker cell is estimated as 1.1 kΩ. As we intended, the shunt impedance
per length is about three times higher than those of widely used waveguide overloaded cavity type kickers.

1.

はじめに

SPring-8 では、蓄積リング高度化の一環としてシングルバンチ電流を増強する取り組みが続けられている。現在、ユーザー利用運転に適用している大電流シングルバンチを含むバンチフィルモードでのシングルバンチ電流は 5mA/bunch である。このバンチ電流を 10mA/bunch まで増強することを目指しているが、バンチ電流の増加とともにシンクロトロン振動の発生が観測されており、これを抑制する必要がある。また、SPring-8 の将来計画において、低エミッタンス化と省電力化のために電子ビームエネルギーを現状よりも下げることが検討されている。これにより、マルチバンチ縦方向不安定性に対する総蓄積電流の閾値が現状よりも下がるため、この縦方向不安定性を抑制する措置が必要となることが予想される。これらの背景を踏まえて、縦方向 Bunchby-Bunch フ ィ ー ド バ ッ ク (BBF)用 の 高 効 率 エ ネ ル
ギーキッカーを SPring-8 で独自に開発し、そのプロトタイプ機を用いた試験を行なってきた [1] 。今回、発熱対策などを講じた水冷式銅製キッカーを実用機として製作し、高周波特性試験を経て蓄積リングに設置した。この実用機のシングルバンチビーム応答、ビームキック試験などの結果とともにキック性能について報告する。

2.

高効率エネルギーキッカー

蓄積リングに設置したエネルギーキッカーは、プ
ロトタイプ機 [1] のデザインに改良を加えて設計・製作された。キッカーの外観を図１に示す。電子ビー
ムおよび入力する高周波パワーからの熱を除去する____________________________________________#

ため、キッカー本体およびパワー入力フィードスルー部を水冷できる構造となっている。また冷却効率を高めるために、電極、空洞などが内蔵されているキッカー本体部を銅で製作している。このキッカーは３セル構成となっている。内部構造を図２に示 す 。 各 セ ル の 空 洞 長 は 96 mm 、 駆 動 周 波 数 は(3+1/4)fRF で 1.65GHz である。ここで、fRF は蓄積リングの RF 加速周波数 508.58 MHz である。この駆動周波数で励振される共振モードによりビームにエネルギーキックが与えられる。このモードは速く減衰する必要があるため低 Q で設計されている。縦方向ウェイクインピーダンスは、図３のようにブロードであり Q 値は 4.2 と見積もられる。駆動パワーは、左右対称に配置された２つのポート(I-port)からタイミングを合わせて入力される。また、不要な高次の共振モードがキッカー内部に蓄積しないように、左右および上下対称にそれぞれ１ペアずつ H-port とV-port を設けて外部に逃がすようになっている。

masaki@spring8.or.jp

Figure 1: Longitudinal energy kicker installed in theSPring-8 storage ring- 735 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

トされているためと考えられる。
400

600

cal.

200

Calculated Voltage (V)300

Measured Voltage (V)800(a) I-port beam signal

400

100

200

00-100-200-200

-400

-300

-600
exp.data-400

Measured Magnitude (a.u.)

300//(ohm)3456-800

54 1054000

3 1053000

2 105200

1 105100(b) FFT

6000

cal.

exp.data

5000

2000
1000
000.5

11.5

22.5

3

Calculated Magnitude (a.u.)400

Z

25 107000

500

0Frequency (GHz)00.5

11.5f (GHz)

22.5

3

Figure 4: Response to a single bunch beam. The beam
signal from the input port (a) and its FFT analysis (b).
Red and green curves show the measured andcalculated data, respectively.

Figure 3: Calculated longitudinal wake impedanceof the energy kicker (red dots). Q-factor of 4.2 isobtained by Lorentzian fitting process (blue line).

4.
3.

1Time (ns)Figure 2: Inner structure of a kicker cell.	  	  	  	  	  One-half part is shown in figure.

00

シングルバンチビーム応答	  設置したエネルギーキッカーのビームに対する応答を調べるために、シングルバンチ(1mA/bunch)を蓄積し、各ポートに出力されるビーム信号波形を観測した。ここでは I-port からの出力波形とその FFTをシミュレーションの結果とともに示す（図４）。
ビームからの信号は、1.65GHz の周波数を主成分に持ち、減衰時間も数 ns となっており、ほぼ設計通りの応答が得られている。計算の波形振幅が実測と比べて大きく、かつ高周波成分を含んでいるのは、実測の波形がパワー入力ラインに挿入されているサーキュレータ（図５参照）を通して観測したものであり、その周波数特性の影響で高周波成分がカッビームキック試験	  エネルギーキッカーのキック性能を評価するため、ビームキック試験を実施した。キッカーは(3+1/4)fRF=1.65GHz の周波数で駆動するため、図５に示す駆動回路により RF 周波数の１周期の間に 3波長存在する３連波を作り増幅して入力する。高速のパルス発生器(Agilent: 81134A) により生成した矩形波（幅 100 ps ~ 300 ps 程度）を Impulse Forming
Network (IFN)を用いてバイポーラーパルスに変換し、これを３つに分割する。３つの信号を、ケーブル遅延により 1.65GHz のちょうど１波長分に相当する時間だけ相対的に時間差をつけて合成することにより３連波を生成する。これをパワーアンプにより増幅した後、２つに分配し、移相器、サーキュレーター

- 736 -

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を経てキッカー入力ポートに入力する。	  ビームにエネルギーキックを与えるには、シンク
ロトロン振動数 fs でキック電圧を変調して共振させる必要がある。励振される振動振幅は、キックによる励起と放射減衰との釣り合いで決まる。パルス生成器の出力を Function Generator により発生させる
sine 波によりミキサーを用いてキック電圧を変調する（図５）。変調周波数と変調振幅は sine 波の周波数と振幅により調整することができる。
MixerEXT.
ClockR

Pulse
Generator

Pre. Amp.
Lク電圧とビームとのタイミングは、この 2fRF + frev +fs のピーク値が最大となるように調整した。	  キック電圧とビームとのタイミングが調整された状態で、キックタイミングを１バケットずつズラし、隣接するバケットのバンチに対してどの程度の残留キックが発生するかを調べた結果が図７である。バケット 0 の標的バンチのキック量を１とした場合、3 バケットに渡る隣接バンチが受ける残留キック量は 1/10 ~ 1/20 程度である。これは、Bunch-byBunch Feedback 用のキッカーとして実用上問題ないレベルであると考えている。

Impulseforming
network-70

I
RF signal508.58 MHz

2f
Magnitude (dBm)

Function
Generator

4!@1.65GHz Cable Delay

Pre. Amp.

Splitter5!@1.65GHz Cable Delay

Combiner

6!@1.65GHz Cable Delayphase shifter
Main Amp.
200W 53dB-80RF+f2f
rev

RF+f

rev+ fs-90-100-110

kicker cell 1
SplitterPowerSplitter

kicker cell 2
kicker cell 3	  	  	  -120

207

Main Amp.
500W 57dB

208

209

210

f - 2f

RF211

212

213

(kHz)	  Figure 6: Spectrum of synchrotron oscillation observed
at frequency of 2fRF + frev + fs.
Input Port
Phase Shifter

1.2

Circulator

Relative Spectrum PeakPower
Splitter

Input PortHigh Power Line (3-sets)
Figure 5:

Diagram of kicker driving circuit

Spectrum @2f + f + fRFrevs

10.8
0.60.4	  実際のビームキック試験の際には、バンチフィル0.2パターンを 84 バンチ等間隔（バンチ間隔：57 ns）とし、全バンチにエネルギーキックを与え、シンク0ロトロン振動を励起した。ここで、変調周波数は frev-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4+ fs とした。ここで、frev はリング周回周波数である。
Kick Signal Timing (bucket)
ビームの時間振動は、直近に設置したボタン型 BPM 	 の 4 電極和信号をスペクトラムアナライザーで観測	  Figure 7: Residual kicks to electron bunches adjacent
することにより計測した。励起されたシンクロトロ
to the target bunch in bucket 0, measured by shifting
ン振動の振幅は、2fRF + frev + fs に現れる励起スペクト
the kick timing in steps of 1 bucket (1.966 ns).
ルのピーク値とキャリア周波数 2fRF におけるピーク値との比から算出した。図６にスペアナで観測したシンクロトロン振動の励起スペクトルを示す。キッ- 737 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

τs =	  	  	 α c eVkick
T0 E 04(ω − ω ) + τ 2 ω 2d	  	 (1)

2 2s

260
Input Port Signal (V)	  最後に、キック電圧の変調周波数をスキャンしながら励起されるシンクロトロン振動数の振幅を測定して共鳴励起曲線を取得した（図８）。強制振動の周波数 ω = 2πf と励起振幅 τs の関係は、

4020kicker cell 1
kicker cell 2
kicker cell 30-20-40-60で表される。ここで、Vkick, αc, T0, E0, τd は、それぞれ、23456789 10
キック電圧（3 セル分の合計）、モーメンタムコン
Time (ns)€パクション因子、リング周回時間、ビームエネル
Figure 9: High power signals driving the kickers
ギー、縦方向の放射減衰時間である。また、ωs= 2πfs
measured at each input port of the three kicker cells.
である。図８の測定データから、式(1)を用いてキッThe peak voltages were about 47 V and the input
ク電圧 Vkick を算出すると 920V/3cells となる。このとpowers were 44 W per cell.
きにキッカー１セルあたりに入力されていたパワー
Pw は、キッカー入力ポートにおいて測定した入力波形（図９）から見積もると 44W/cell となる。ここかまとめ
ら、キッカー効率の指標となるシャントインピーダ 5.
2ンス Rs= (Vkick/3) /Pw/2 を算出すると、ほぼ設計通り 	  縦方向 BBF 用の高効率エネルギーキッカーを開の 1 セル当たり 1.1 kΩとなる。縦方向 BBF で広く 発し、SPring-8 の蓄積リングに設置した。ビーム使われている Waveguide Overloaded Cavity (WOC) キック試験を実施し、ほぼ設計通りのシャントイン型キッカー[2-4]と比較して１セルの長さが半分以下で ピーダンスとなっていることを実験的に確認した。
あるので、単位長さ当たり換算のシャントインピー 長さ当りのキック効率が WOC 型キッカーと比べて約 3 倍高いため、設置スペースが限られている場合ダンスは 3 倍近い値となっている。
や、高いキック電圧が必要な高エネルギーの大型リングに対しては特に有用である。今後、フィード
resonance curve
バック処理回路[5-6]と組み合わせた試験を行い、縦方0.7
向 BBF システムとして完成させる予定である。
0.5

参考文献

sAmplitude ! (ps)

0.6

0.4
0.3
0.2
0.101.9522.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3

f

mod-f

rev(kHz)

Figure 8: Resonance curve measured by scanning themodulation frequency of the kick voltage. Red dots andblue line show the experimental data and fitted curveby the equation (1), respectively.

[1] T.Nakamura, “Resonant Strip-Line Type Longitudinal
Kicker”, Proceedings of IPAC2011, San Sebastian, Spain,Sep. 4-9. 2011, p.493-495[2] W.B.Li, et al., “Digital Longitudinal Bunch-by-Bunch
Feedback System for the HLS II”, Proceedings of IBIC2012,Tsukuba, Japan, Oct. 1-4, 2012, TUPA35[3] N.Heurich, et al., “Longitudinal Kicker Cavity for a Bunchby-Bunch Feedback System at ELSA”, Proceedings ofIPAC2011, San Sebastian, Spain, Sep. 4-9. 2011, p.484-486[4] W.Z.Wu, et al., “Development of a bunch-by-bunch
longitudinal feedback system with a wide dynamic range
for the HIGS facility”, Nucl. Instr. Meth., A632 (2011),
p.32-42[5] T.Nakamura, et al., “Transverse Bunch-by-Bunch Feedback
System for the SPring-8 Storage Ring”, Proceedings ofEPAC2004, Lucerne, Switzerland, Jul. 5-11. 2004, p.26492651[6] 中村剛、“FPGA および高精度 ADC を用いた高分解能
横方向 Bunch-by-Bunch フィードバック”, J. Particle
Accelerator Society of Japan, Vol.1, No.3, (2004), p.199210- 738 -