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)

Timing and low level RF system toward XFEL
Takashi Ohshima

1,A)

,A)

HIrokazu Maesaka , Naoyasu Hosoda
Mitsuru MushaB)

and Yuji OtakeA)A), Kenji Tamasaku ,A)A)

RIKEN, 1-1-1 Kouto, Sayo, Hyogo, 679-5148

B)

Institute of Laser Science, Univ. of Electro-communications
1-5-1 Chofugaoka, Chofu-shi, Tokyo, 182-8585

Abstract
The construction of RIKEN XFEL is under progress. In this accelerator, it is needed to drive accelerator cavities by
an RF signal with a time accuracy of 50fs and an amplitude stability of 1E-4. To satisfy these requirements, an opticalsystem to deliver the reference RF signals is employed to the XFEL. The system has about 1 km long and nearly 80
destination points. The prototype modules of an optical transmitter and an optical receiver were fabricated and tested.
The phase noise of these modules for 5712MHz signal corresponds to a time jitter of about 7 fs, which is estimated byintegrating the SSB noise spectrum from 1 MHz to 10 MHz. This value is allowable level for our demand. The Low
Level RF control (LLRF) configuration for the XFEL is almost the same as that used for the SCSS test accelerator,
except special care will be taken to stabilize the temperature around RF modules and RF cables. The performance of theLLRF in the SCSS test accelerator was checked by measuring the jitter of beam arrival timing at an RF-BPM cavity. Its
short term timing jitter was 50 fs in rms, which is within the requirement for the XFEL. The optical transmission systemand the LLRF system have promising performance toward the XFELXFELにに向けたタイミング
制御
けたタイミング・タイミング・RF制御

プからIQ検出器までを結ぶケーブルに関しても断熱保温を行い、そこに温調した冷却水を通水することにより温度の安定化を図ることにしている。
b)温調された光ファイバーによる基準RF信号の伝送：基準RF信号伝送には、断熱保温、温調された冷却水の通水による温度安定化を図った光ファイバーを用いる。温度安定化によって抑えきれないドリフ
トのついては、光ファイバーの長さを一定に保つ制御回路を用いる。
今回の報告では、XFELでの基準RF信号伝送システ
ムの構成、温度安定化への取り組み、RF制御の改良とビームを使って測定したその性能について述べる。

１．はじめにID

C

BC3

C

BC2

S

BC1

C corrL

L corr
476MHz1238MHzgun

西播磨SPring-8キャンパスでは2010年秋からのコミッショニング開始に向けてX線自由電子レーザー（ XFEL）の建設が進められている[1]。この加速器においては、RF信号の位相および振幅の設定、検出について厳しい個所では50fs以下、0.01％以下という高い精度が要求されている[2,3]。そのために、
XFELの原理検証器である SCSS試験加速器の建設の段階で、RF制御システムとして、低位相雑音の基準RF信号発生器の製作、IQ法を用いたRF信号位相･振幅の変調器、検出器の開発、それらの制御/出力監視に用いられる高速・高精度DAC/ADCモジュールの製作、基準 RF信号に対するジッタを700fsに抑えた遅 ２．XFELの基準RF信号伝送と温度安定化
延パルス信号発生器の開発が行われた[4]。しかし、XFELにおいては、バンチ圧縮率が3000とSCSS試験加速器に比べ１桁高い。それに応じてRF信号に対する 2.1基準RF信号の伝送許容値も、単純比例としても試験加速器に比べ10倍 XFELは長さ約700mの施設である。熱陰極電子銃厳しいものとなる。また、基準RF信号の伝送距離に からの電子ビームは、238MHz Sub-harmonic Buncher、
ついても、試験加速器では最長約100mであったが、 476MHz Booster、Lバンド（1428MHz）加速管、SバXFEL では最長 1km 近い距離を伝送する必要がある。
ンド（2856MHz ）加速管、 Cバンド（ 5712MHz）加基準RF信号を伝送するべきラックの数も約80台程度 速管の順に通過し加速される。図1に加速器の概念と大きな数となっている。
RF 信号を発生させるマス
上に述べたような、大規模なシステムで高度に安 図を示す。基準となるターオシレータは、電子銃の近傍に設置される。基定した加速RF位相・振幅を実現するためには各構成 RF信号は、加速器に沿って分散されて設置され要素の温度変化の影響を取り除くことが重要となる。 準
19" ラックに伝送される。その制御ラック
この目的のために、次の対策を講じる予定である。 た制御用の数はバンチングを行う部分で25台、クレスト加速a)水冷ラックの採用： RF制御に関連した機器は、温調された冷却水を用いて温度安定化のなされたラックに収めることとした。また、空洞ピックアッ
図１ XFEL加速器の加速空洞構成概念図。

E-mail: ohshima@spring8.or.jp-99-

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WDM
combinermastertrigger

opticaldividerthermalinsulation
WDM& cooling
divider

EO
5712

EO

2856

EO

master 1428
oscillator
476
238

EO
EO
EO

EDFA
opticalamp

phasestabilized
optical fiber

master
OE trigger
OE

238

OE

5712

OE

S, Lor 476

temp. controlled rack

図2 波長多重を用いた基準RF信号の伝送。

部で46台である。挿入光源の設置される光源部においてもRF-BPMを用いたビーム位置測定やCTを用い 図3 光送受信器を通過した後のRF信号の位相ノイズ。
たバンチ電流測定がおこなわれるため、さらに数台の基準 RFを受信するラックが設置される。また、 置での気温変動は空調機の精度から±2度が見込まポンプ・プローブ実験などのために、正確なタイミ れる。この温度変動により、位相安定ファイバーをングをもった信号を実験棟まで伝送する必要があり、 採用しても 1kmの伝送時には± 10psの遅延時間の変合計 80台近いラックに基準 RF信号を伝送すること 動が予想される。そこで、光ファイバーは断熱保温となる。
26 度± 0.2 度に温度調整された基準RF信号の伝送に関しては、光ファイバーを用 したケースに収め、冷却水を通水して温度安定化を図る予定である。
いたシステムを構築する [3]。試験加速器で用いて 基準RF信号の精度を維持するためには、さらに、いた電気的な同軸ケーブルを用いた伝送では、高周 各空洞に励起されるRFの位相、振幅を高い精度で検波信号の大きな伝送損失、伝送経路での温度変化に 出し、その値を一定に保つように高い精度で制御すよる電気長の変化、接地電位差に関連したトラブル ることが重要である。そのため、RFの位相、振幅をなどが考えられたためである。基準 RF信号の伝送 制御、検出する機器が納められる制御ラックに対し、には図 2に示すような波長多重の手法を用いる。各ラックには加速管に供給する RF信号、タイミング 温調した水を使って温度安定化を図る。このラック
26 度± 0.2 度に安定化した冷却制御のために必要な5712MHz、 238MHz、マスター 内の空気は、温度を水が通るラジエター通し5 台のファンを使って循環トリガ信号の複数の信号を送る必要がある。これを させる。これにより、ラック内の温度安定化を図る。
1 本のファイバーで伝送することができればコスト空洞のピックアップ信号を伝送する同軸ケーブル削減につながるためである。実機での使用を視野に の温度変動は、RF位相、振幅検出器大きな影響を与入れた波長多重用光信号送受信機の試作が行われ、 える。ここで用いる同軸ケーブルには電気長の温度昨年度末に納品された。試作機の試験を行った結果、 係数の小さなものを使用する。XFELではさらに、同EDFA光増幅器において DC電源のノイズにより雑音軸ケーブルを断熱材で覆い、温度調整された冷却水の増加があること、中に使用されている光学部品の を通水して温度の安定化を図る予定である。
通常のファイバーが大きな伝達時間温度変化を与えることなどがわかった。そこで、DC電源の低ノイ 2.3光ファイバー長安定化
ズ化、不要ファイバーの長さの削減の対策がとられ 基準 RF信号伝送において受動的対策では抑えきた。対策後の試作機について、5712MHz、 238MHz れない温度による伝送時間の変化を更に抑制するた
信号出力の位相ノイズを測定した。その結果を図3 めに、生じたファイバーの光路長変化を測定して補に示す。光送受信器を経由した信号は、マスターオ 正する能動的対策を取ることも検討している [2]。
シレータの信号に比べて、100kHz以下のオフセット ファイバー長測定には光ヘテロダインの方式を用い周波数において位相ノイズは増加していない。 る。 SPring-8 蓄積リングに張られた 2kmの光ファイEDFAに起因すると思われる1MHz以上の位相ノイズ100Hz以下の周波数領域でのレベルは5712MHzに対しては-145dBc/Hz以下と小 バーを用いた実験では、ファイバー長の変動は0.2um/√ Hzという値を得た。
さく、これは1MHzから10MHzまで積分では7fsの時 これは1Hzから100Hzまでの積分値として2umとなり、間変動に対応するが、これは許容範囲内である。 10fsの時間変動内に抑えることに対応する。この実験で使用されたファイバーストレッチャでは80Hz程2.2温度安定化への取り組み度で位相遅れが発生していた。現在は5kHzまで帯域光伝送には、位相安定化光ファイバーを採用する が伸びている改良型のストレッチャが入手できてお予定である。このファイバーは、5ps/km/K以下という伝達時間温度係数を持つ。さまざまな制約から、 り、さらに広い帯域で安定化を図る予定である。
基準RF信号の伝送に用いられる光ファイバーは、ク ３．RF制御系の改善
ライストロンギャラリーの加速器トンネル壁沿い高さ約3mの位置を通線する予定となっている。この位 SCSS試験加速器では、安定したSASE光の飽和を得-100-

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るために、また、XFELでの使用を目指した性能達成 変動を除いた短期ジッタについては、rmsで50fs以のために、各構成要素の改善が進められている。 下に抑えられていた。
その一つにRF変調信号の高精度化があげられる。
初期段階でのSCSS試験加速器の運転経験から、安定 ４．まとめと今後したSASE光の飽和のためには、238MHz、476MHzの加 RF制御に関しては試験加速器での運転の経験を生
速電圧・位相制御における設定精度が足りないこと かし、高精度高安定なシステムの実現に向けて検討が運転グループから指摘されていた。そこで、IQ変調器に対して振幅・位相を設定するために用いられ を進めている。検討されている機器の一部は現在運SCSS試験加速器で使用されており、試験加速ていた DACボードの分解能を 12bitから 14bitに向上 転中の器の調整やEUV 光の利用実験を通して長期の運転がさせる対策を採った。また、RF増幅器の温度ドリフ 行われている。
RF信号の位相、振幅のゆっくりとしト、クライストロンの温度変化による変動などの影 たドリフトの影響は、ソフトウエアで組んだ信号安響を取り除くため、空洞ピックアップからの信号の 定化プログラムを用いることにより低減を図ってい
位相、振幅が一定となるようにソフトウエアによる る。LLRFシステムを含めた加速器高周波源の総合的フィードバック制御を実装する対策を採った[5]。
RF信号に対するビームの到
その結果、238MHzにおいてピックアップ信号の安定 な性能については、基準達時間のジッタを測定することによりなされ、短期度について rmsで位相 0.02度、振幅 0.03％以下の値 ジッタは rmsで 50fs以下であることが確認された。
が実現されている。
また、電子銃から得られるビームのうち、1nsを この値は要求値に近い値であるが、安定な動作のた切り出すために用いられているディフレクタのタイ めにはさらに改善が必要であり、今後の課題である。
基準 RF信号伝送に関しては、波長多重を用いたミングが、タイミング回路の収められているラック 信号伝送において位相ノイズの増加が影響のない範の温度変化の影響を大きく受けることがわかった。 囲であることが確認できた。光伝送路は断熱保温を
これに対しては、ディフレクタを駆動した信号をタイミング系のラックまで送り戻し、計測したタイミ 行い、さらに残った変動はファイバー長安定化回路を用いて補正を行う。安定化回路により2kmのファングのずれを元にフィードバック制御を行うことで、 イバーに対して2umの長さで安定化を行うことがで温度変動の影響を低減することに成功した[6]。
きることが確認された。
これらの改善後のLLRFシステムの総合性能を確認 XFELに用いられるLLRF関連の制御ラックの初号機するために、試験加速器において、基準 RF 信号と は、平成20年 12月に納品予定である。初号機の動作ビームの到達時間との間のジッタが測定された。試 確認が行われたのち、月産約台のペースで量産機
験加速器の挿入光源手前に設置されたRF－BPMの基 の生産が開始され、平成 22年63月末までに全数が納
準空洞にビームが誘起する信号と、基準RF信号との 品される予定となっている。納品されたLLRF制御装間の位相差を測定した [3]。図 4に2008年6月30日か22年 10月からは加速管のコンディら7月4日までの期間にわたって測定した到達時間の 置を使用して平成ショニングが開始され、平成22年度末から加速器の結果を示す。一日の中での到達時間の変動は大きい ビーム運転が開始される予定である。
時で 500fs程度見られている。図4には試験加速器Sバンド下流にあるバンチコンプレッサにおけるエネルギー分散部の水平位置も合わせて示した。到達時 参考文献
間と電子ビームのエネルギーには強い相関が見られ [1] T. Shintake, et al., "X線自由電子レーザー計画の現状",ることから、10時間程度の長期変動の要因は加速器 in these proceedings.
上流部でのエネルギー変動の可能性がある。長期の [2] Y. Otake, et al., “XFEL/SPring8用光タイミング・低電力高周波分配システム の開発 ", Proceedings of the 4thAnnual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,Wako, Aug. 1-3, 2007, (2007), pp.106-108[3] Y. Otake, et al., “Timing and LLRF System of Japan XFEL
to realize femto-second stability", Proceedings of theICALEPCS07, Knoxville, Tennessee, USA, (2007), pp.706710[4] T. Ohshima, et al., “XFEL", Proceedings of the 4th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, Wako, Aug. 1-3, 2007,(2007), pp.559-561[5] H. Maesaka, et al., "SCSSRF", in these proceedings.
EUV[6] N. Hosoda, et al., "SCSS

ムの改良に向けた低電力高周波システ

試験加速器の システムの高精度化試験加速器における レーザー安定化のための高電圧パルスディフレクタのタイ
ミング制御", in these proceedings.

図4 電子ビーム到達時間測定システムの測定結果。
結果にはBCエネルギー分散部での水平位置も合わせて示している。
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