TUNER CONTROL FOR CERL CAVITIES BY DIGITAL FEEDBACK
SYSTEMShinichiro Michizono#,A), Dai ArakawaA), Hiroaki KatagiriA) , Toshihiro MatsumotoA), Takako MiuraA) , YoshiharuYanoA)A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract
Digital tuner control system has been developed for the Energy Recovery Linac test facility in KEK (cERL). Bothmechanical and electric (Piezo) tuners should be controlled to keep the cavity detuning to be constant. The two FPGAboards will be installed to the digital rf field and tuner control based on the uTCA standard. In order to examine thisdigital system, cavity tuner test-stand was assembled. This consists of the TE111 mode cavity and tuners. By this teststand, cavity tuning system can be evaluated prior to the cERL installation scheduled on this Autumn.

デジタルフィードバックを用いた cERL 空洞のチューナー制御のチューナー制御系の開発状況を中心に紹介する．

1. はじめにコンパクトエネルギー回収型リナック(cERL)は，KEK の将来計画である 3GeV 超伝導 ERL テスト施設である[1]．cERL では L バンド(1.3GHz，CW)の高周波源と空洞が使用され，その空洞電圧の振幅・位相安定度の要求仕様はそれぞれ 0.1%rms，0.1 度 rmsであり，J-PARC リニアックや KEK の超伝導高周波試験施設（STF）で実績のあるデジタルフィードバックシステムを採用する [2]．
表１に高周波源および空洞の仕様をまとめる．5
台の高周波源を使って，全部で 6 つの空洞を励振する構成となっている[3]．特に，主リニアックでは，負荷 Q 値が高く，周波数半値幅は 30Hz 程度である
ことから，高周波源を効率よく使うことを考慮すると，空洞離調の自動調整が重要となる．現在は実空洞の試験を行うことができないため，空洞およびチューナー系を模擬したテストスタンドを構築しフィードバックの全体評価を行っている．今回はこ2. チューナー制御システム
ERL 開発棟内には空調設備はなく，ビームラインのあるシールド内と，デジタル LLRF 系の入る中二階のパネルハウス部分のみが温度管理されている．
大電力高周波源，チューナーコントローラ（機械コントローラとピエゾ電源）およびインターロック系は，シールド外の温調のない部分におかれる．モニ
ターされる高周波信号は中二階のデジタル LLRF 系に 入 力され，ここから 1 階の大電力高周波源とチューナーコントローラを制御する．デジタル入力としては，空洞からの機械モーターリミットスイッ
チ，ピエゾ電源診断等が接続される．デジタル出力としては，ピエゾ電源リセットや後述するモーター用パルス出力などがある．これらの制御を空洞電圧制御用デジタルフィードバックと同タイプのマイク
ロ TCA（μTCA）規格のボードを使って行う．

表１：cERL の空洞と高周波源
Item
Structure
Gradient
QL
Beam Phase
Mechanical Tuner
Piezo Tuner
Tuner position mon.
Tuner limit
Power Required
Power Output
RF Source
Power Available

Unit
MV

Buncher
NC
0.14

deg.

-90

kW
kW
kW

Yes
No
Yes
Yes
4.5
6.2
IOT
20

Inj-1
SC
15 e5-15 to 30
Yes
Yes
Yes
No1015Klystron30___________________________________________#shinichiro.michizono@kek.jp- 749 -Inj-2
SC22e5-10

Inj-3
SC
22 e5-10

ML-1
SC
15
2 e70

ML-2
SC
15
2e70

Yes
Yes
Yes
No37
122
Klystron
300

Yes
Yes
Yes
No37

Yes
Yes
Yes
Yes
1115
IOT
>15

Yes
Yes
Yes
Yes
1115
IOT
>15図１：空洞チューナー制御系
図１にチューナー制御系の構成図を示す．1 空洞 る[4]．
機械チューナー，ピエゾチューナーともに，空洞の制御には，1 枚の高周波フィードバック用ボードと，1 枚のチューナー制御用ボードが使用される． の機械共振（超伝導空洞で~200Hz 程度）を避ける
ボードには，FPGA に 4 個の ADC，4 個の DAC と こと，共振のずれは一般にはゆっくりしたドリフト
20 個の DIO および遅いサンプリングの ADC1 個が が主成分であることから，1 秒程度の時間間隔で動備 え ら れ て お り ， FPGA は 162.5 MHz （ =1300 作を行わせる予定である．周波数帯域の狭い主リニ
MHz/8）で，また，ADC および DAC は 81.25 MHz アックでは，初期の離調調整を機械チューナーで行（＝1300 MHz/16）で動作する．入力する高周波信 い，加速器運転中のチューナー制御は主としてピエ号は，空洞ピックアップ，空洞入力，空洞からの反 ゾを利用することになる．
射と，基準信号の４つであり，ダウンコンバータで10.16 MHz(=1300 MHz/128)の中間周波数に変換したあと，直接 ADC に接続される．高周波フィード
バックボードでは２つの DAC で IQ 変調器をドライブする．チューナー制御用ボードでは，ステッピン
グモーターについてはボードのデジタル出力から対応するパルスを発生させ制御し，ピエゾについては-3 dBボードの DAC からの出力を電圧増幅器に接続する．
ステッピングモーターによるチューナーの位置については，位置モニターによりモニターする．これは，μTCA ボードの遅いサンプリング（～100kHz）の177 kHz
ADC に接続される．
バンチャー，入射空洞，主リニアックによって，その制御用モーター，ピエゾの入力電圧仕様（ただ図 2：空洞の S21 カーブ
し，常伝導空洞のバンチャーではピエゾは使用しない）は若干異なるが，それらについては，電圧変換ユニット等を介する事で基幹部分の互換性を保つ． 3. チューナー制御テストスタンド
表１に各空洞のチューナー系の仕様をまとめる．
3.1
チューナー制御評価用空洞
チューナーのフィードバックは単純な比例積分
2012 年秋から cERL の入射部空洞のコンディショ（PI）制御で行い，共振した際の位相を基準として， ニングが開始される予定であるが，それまでは，実空洞の位相と空洞入力の位相差から離調を算出する． 空洞を使った制御システムの評価をすることができ
機械チューナーについては不感帯を設け，離調が一 ない．チューナーアルゴリズムや，フィードバック定の範囲を超えたときのみ動作する．このようなア 性能の評価を実空洞稼動以前に行う必要があり，こルゴリズムは KEKB で実績のあるアナログ系の のために模擬空洞およびそのチューナー制御系を作チューナーフィードバックシステムを参考にしてい 成した． 空洞は，1.3GHz に共振を持つ TE111 モード- 750 -

の円筒空洞共振器を利用している．図２に空洞の 分な動作範囲を確保できている．
S21 特性を示す．Q 値は 7300 程度である．この値 3.3
高速チューナー性能は，実際の超伝導空洞の Q 値よりかなり小さいた
同様に，RC サーボを使ったピエゾチューナー模め ， 空 洞 の 安 定 度 を 評 価 す る に は 適 さ な い が ， 擬系の評価を以下の要領で行った．まず，ネットチューナーを含めたシステムの評価には十分である． ワークアナライザーにて確認しながら機械チュー
空洞には 4 つのアンテナを挿入しており，2 つは ナーをローカルにて動かし，共振状態とした．この
空洞入力および空洞モニターに，残りの 2 つは，空 状態で，機械チューナーは固定し，ボードからの洞の同調を確かめるためにネットワークアナライ DAC 出力を変えたときの離調および RC サーボへのザーに接続している．入射部空洞に取り付けるもの パルス出力を測定した．DAC からの出力が小さくと同じステッピングモーターを使った駆動装置台を なると離調が線形から外れてくるが，50 度程度のつくり，そこに位置モニターを取り付けた．ステッ 離調範囲で線形成が保たれていることが確認できた．
ピングモーターのコントローラは市販のコントロー ピエゾは 10 度程度以下の小さな離調制御に主としラに外部からのパルス入力ができるような機能を追 て使用されるため，これくらいの線形範囲が得られ加したものである．このため，μTCA ボードから れば十分と考えられる．の制御だけでなく，ローカルでステッピングモータの動作確認をすることができる．
この駆動装置台の上に，ピエゾを模擬したラジコン用サーボモータ（RC サーボ）を取り付け，サーボの振れ角に応じてチューナー棒を差し込む構造とした．これにより，ステッピングモータと RC サー
ボ の 動 き を 重 畳 し た も の が 動 く こ と に な る．RC
サーボの振れ角は，モーターへの入力パルス幅に比例する．このため，μTCA からの DAC 出力に比例したパルス幅を生成する電子回路を途中に組み込んでいる．この回路は NIM モジュールに収められており，外部入力および振れ角に対応するパルスをモニターする端子を持つ．図３にこのチューナー制御試験系の写真を示す．

図 4：機械チューナーのパルス数と離調の関係

ステッピングモーター

RC サーボ

図 3：空洞テストスタンド
3.2
機械チューナー性能
機械チューナーの性能について以下のように確認した．まず，ネットワークアナライザーを使って，1.3GHz の 共 振 状 態 になるようにローカルにてステッピングモータを移動した（共振状態）．この際の位置モニターの読みは 2.30（相対値）であり，ソフト的な位置モニターを使ったリミット値もこの前後の値になるようにした．（実空洞では，大きく機械チューナーが動くとチューナー制御系に不具合が生じる可能性があり，それを制限するために，この位置モニターの値にリミット値を入れ，また，ハード的なリミッタを入れている．）RC サーボは，ボードの DAC からの出力 15000 の固定値とした．
μTCA ボードからのパルス出力と離調（共振状態の空洞入出力の位相差をゼロと定義した時の位相差に相当）の関係を図４に示す．±15000 カウント
程度で±30 度程度の離調となっていて，また，線形な応答が得られている．大きな離調がなければ十図 5：DAC 出力（Piezo Offset）と出力パルス幅および離調の関係

4. テストスタンドでの性能評価
テストスタンドでも，デジタル系については実際の空洞制御（電界制御，およびチューナー制御）と同様 2 枚のボードで行っている．最初に共振状態で- 751 -空洞入力位相と空洞出力位相を０に合わせたのち，ローカルで機械チューナーを 30 度程度離調させた．
そ の 後 ， μ TCA ボ ー ド で 比 例制御によるチューナー同調試験を行った．RC サーボ（高速チューナーに対応）をオフ状態で，機械チューナーだけで同調状態に移ることを確認し，また，RC サーボも使った状態でピエゾを模擬した際にも，同調状態側に移ることを確認した．積分制御を加えると，まだ離調の変化が大きくなりすぎる傾向があり，チューナー制御における PI 定数の最適化については，今後このテストスタンドで評価を続け，また，デジタル系でのシミュレーションも行う予定である．

5. まとめデジタルボードを用いたチューナー制御系についてテストスタンドを作成した．テストスタンドでは機械チューナー，ピエゾチューナー（を模擬したRC サーボ）がともに動作することを確認した．
cERL の実機試験は，今年秋から予定されているが，それに先立ってチューナー制御系のシステム評価を行うことができた．
References[1] S. Sakanaka et al.,” コンパクト ERL 建設の進捗状況”,
Proceedings of the 8th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan (August 1-3, 2011, Tsukuba,Japan), pp.1071-1075.
[2] T. Miura et al., “LOW-LEVEL RF SYSTEM FOR CERL”,
Proceedings of IPAC’10 (May 23-28, 2010, Kyoto, Japan),
pp.1440-1442.
[3] H. Nakajima et al., “cERL における 30kW CW IOT/クライストロン用電源の開発” in these proceedings.
[4] K.Akai et al.,” THE LOW-LEVEL RF SYSTEM FOR
KEKB”, Proceedings of EPAC98 (June 22-26, 1998,Stockholm, Sweden), pp.1749-1751.

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