KEK!電子入射器の高速ビーム切り替え機構Pulse-to-pulse!Beam!Switch!at!KEK!Linac古川和朗¹、門倉英一¹、佐藤政則¹、諏訪田剛¹、中村達郎¹、三川勝彦¹、 Artem Kazakov¹,²、草野史郎³、工藤拓弥³、雷革⁴、徐广磊⁴ ¹高エネルギー加速器研究機構、²総合研究大学院大学、 3三菱電機システムサービス、4中国高能研Continuous Injection at Two/Three Rings ◆KEK Linacは目的の異なる4つのRingに入射☆１日単位の実験が多く年間Scheduleの厳しいPF ❖長期の積分Luminosityが重要なKEKB HER/LER ☼(PFと運用が近いPF-AR) ☼切り替えには、20秒から2分(主に電磁石初期化) ◆通常PFの入射は1日に1 - 2回☼PFの性能向上のためのBeam開発Study ¤入射頻度が高いとKEKBのLuminosity調整を阻害❖PFもContinuous Injectionが必要◆KEKBの入射は2-3分でLER/HERを切替❖安定したLuminosityのためにはさらに頻度を上げたい◆全てのRingがHomogeneous Injectionを必要とする❖他の実験方法の可能性も広がる
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

◆ 50 Hz (高速)のParameter変更
☆ EXT日日日Д
♦ rf
Д日ц
父
電子銃高速位相設定変更（当面10ヶ所）高速Timing Acc/Stand-by変更（当面24ヶ所） rf測定系への同期信号ц Grid Pulser選択信号Bias電圧及びPico秒Delayの高速変更II ❖ Beam測定Д高速、同期BPM読み出しWire Scanner, Streak CameraへのBeam選択信号Д ❖ Beam繰り返しの選択(優先順位付き) PF-RingとSHB (Linac rf)の同期(禁止帯対処?) � ☆ ☆それぞれのRingのSeptum, Kicker選択、TimingそれぞれのRingのBucket selectionの連携� Beam安定化Feedback機構� Parameter操作・表示Software Panel ❖ Logging, Archiving, Safety Interlock Pulsed Bending Magnet (BM_58_1) On/Off Pulsed Steering Magnet (PX_17,21,31,41)当面8台(?)、On/Off、(磁場強度) Pulsed Coil On/Off, Timing Stand-by —光学補正の手法の確立、Compatible Opticsの同時軌道補正に進展他のMagnetは共通磁場設定
◆ Pulse-to-Pulseの制御❖ 1 kmに亘って同期していること❖誤りが無いこと(Energyが異なるため管理上重要)通常制御では危険❖動的な設定変更が可能であること◆ Timing制御の伝送❖ (1) Beam, rf, Beam-monitorに関連するTiming信号❖  (2) Timing精度を高めるためのClock信号☼ (3)多数の状態を区別するEvent/Gate信号◆これまでのKEK Linac Timing伝送LLRF ☼タイミング信号とイベント情報は別々に分配される。15ヶ所のタイミングステーションは多数のモジュールから構成され、合計約150のタイミング信号を供給している。 ◆ Timing伝送の更新を計画☼ハードウェア設計をFPGA + Rocket I/Oで検討始める…
◆加速器制御では、速い(~ps) Timing信号の他に状態を区別するための遅い(~ms) Event信号の伝達が必要になる❖ KEKBやLinacではこれまで組み合わせで行なってきた』主に速いTimingをTD4/TD4Vで供給する◆ Timingとrfが必要¤  Eventを別の仕組みで供給する• HardwareとSoftwareの組み合わせ❖ TimingとEventを一つの機構で扱おうとするEvent/Timing  SystemがArgonne/SLS/Diamondで開発され複数の研究所で使用されている(Event Generator/Receiver) ¤上のFast Timing, rf, Hardware event, Software Interruptが一つの機構で扱える、Fiber Cableは1本だけ¤特にEPICS環境下ではEPICS Eventと直結することができるCoax Cable or Optical fiber link
複数の加速器での経験を元に設計された、情報を伴ったTiming信号の伝送機¤  APS at Argonne (ANL/APS) ¤ DIAMOND ¤  Swiss Light Source (PSI/SLS) ¤(TRISTAN, KEKB, Linac) ☼新しいEvent System (EVG/EVR-200/230)多数の加速器で採用(予定) Д ● DIAMOND, SLS, BEPCII, LCLS, Shanghai, KEK-Linac, Austraria, … ◆ (SNS), (LANL), (BNL), …高機能ll ◆ ● Bit rate 2.5Gbpsまで, Event rate (及び内部rf) 50-125MHz,短期Jitter ~10ps,さらに8bit signal, 2kbyte data buffer, EPICS support Optical fiber link Eventを起こさせるTriggerとして-外部パルス入力-ソフトウェアトリガ-event playback RAMでの指定最大Event頻度125MHzイベントが届くと(最大Event rate 125MHz) -指定したDelay/Widthでパルス出力(14 TTL/NIM) -割り込みによる同期処理(EPICS record処理)個々のEvent Receiverは別々の処理をすることができる
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

◆新しい同期回路❖ 114.24 MHzは既にKEKBリングの周長補正のために決定されている。一方、PFリングも同様の周長補正を行うため、その旋回周波数1.6 MHzは独立に決定される。 ❖下の回路はこれらの独立のrf周波数からジッタ100-700psを許して同期タイミングを探すもの。この回路自体は通常約5 kHz以上の出力があり、商用周波数50Hzと遅い同期をさせてパルス繰り返し信号を作っている。 ¤（KEKBは30psのジッタしか許さないので、このような仕組みでは無理） PF Ring周長補正により決定Rf位相制御◆現在はPLCのDAC/ADCでIφAを制御◆速い切り替えはEvent SystemをEvent (割り込み)でDAC/ADCと接続し実現◆EPICSでは割り込み接続は容易Event – Generator llrf
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

◆新しい高速BPM読み出し❖BPMの読み出しは約22のステーションで行われるが、これまで使用してきた測定系(左）では１秒に１回の測定しかできなかったが、昨年より運用を開始した測定系(右）では1秒に50回以上の測定が可能となる。また、Oscilloscope (DPO7104)の上でEPICSが動作するので分散処理が容易にななり、Eventにも同期する。 Ethernet/IP Ethernet/IP VME GPIB Oscilloscopel Oscilloscope with Windows and EPICS
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

◆各Ringからの要求に合わせEvent Listを構成する❖当面Linux上のEPICS CA Clientとして準備❖長さ可変のBeam Pattern Listを作成する◆Event Sequence (Playback) Bufferで実現❖Event Generator上のSequenceをPulse毎に書き替え❖EPICS + VxWorksのRealtime環境¤ーつのPulse内では機器に対応した多数のEventが114MHzで発生し、Receiver側で遅延信号を発生させたりAnalog出力を書き替えるために利用される◆そのPatternは運転の都合により自由に書き替え☆それぞれのRingが期待するBeam頻度を受け取る¤例えば50Hz 25Hz 10Hzや21Hz 3.5Hzなど❖Ring間の優先順位を事前に決めておく◇個々の機器の特性に合わせたPulse選択の調停¤例えばほぼ10Hzだが一部のPulseが抜けているなど
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

◆PF-Ring、Linac rf同期☼要求の許容Jitter幅では入射試験済み☼一年以上運用し禁止帯の対応は必要なさそう◆Event Module ❖ Hardwareの試験は２年前から継続、一部運用中☼新しいSoftware/Firmwareの試験と改造をほぼ終了☆実用Software/Databaseの構築中(TP103) ◆Rf位相設定❖ ADC, DAC用Software運用中◆Pulse Magnet/Steering ❖試験中◆高速BPM読み出し❖新Oscilloscope ２年前より運用中❖ EPICS 50Hz Software試験中
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.
5!月から(試験)運用している!Event!Generator左から　CPU,! Event!Generator Event!Receiver! Optical!Fanout運用中の!Sub-booster Station!の!llrf!用!DAC/ADC,と!Event!Receiver運用中のTiming!Station!のEvent!Receiver 1 Module!で最大14!出力(背面より) (15) Beamを使用したEvent System試験◆現状❖Test Standでの20ms切り換えと運転Beam を使用した遅い切り換えは順調☼しかし、運転環境下で問題ないかどうかの確認が必要☼また、秋からのGrid emission回避のため、先延ばしがしにくくなった◆試験☼大電力Klystronを加速・待機状態にする(50Hz) ❖Booster Klystronの位相を変更する(50Hz) ☼上の2つを同期して変更する(距離200m)
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.
加速待機及び位相切り換え◆SC_61_Hでの50Hz BeamのScreen観測¤50Hz加速待機¤50Hz 100deg-140deg ¤同時切り替え◆2008年秋から同時入射に向けた運用を開始◆保守のためCAMACをやめたい。またVMEもTD4から移行してModule数を1/10にする◆Gun PulserとStreak Cameraは1ps程度の再同期回路を開発中◆現在片方向Local PLLなので温度が変わるとTiming Driftが大きい。短期Jitterは<10ps (TD4は~3ps)、 Driftは数十ps。双方向にTimingを交換し広域PLLを行えば改善が期待できる❖EVG/EVR-230は送り返しの信号線はもっているが、繰り返し側Hardware PLLが無い
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

制御◆制御系のパラメータにビームモードの概念☼複数の仮想加速器に対して運転操作を行う◇パラメータによっては仮想加速器毎に独立の値◇パラメータによっては仮想加速器間の妥協点の値❖他のパラメータは共通◆モニタ読み出し機構にもビームモードの概念❖履歴にも… ◆漏れのない監視機構の開発◆PF - KEKB Compatible Opticsの開発と平行して試験◆その他(Stealth) Beam Diagnosis (例えばPhasing)も可能であれば…
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

◆Rf to EVG ◆fiber ◆Delay out from EVR
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.
Beam Operation ◆KEKBとPF-Ringの双方に入射している状態では❖例えば、次の表のうちの一つをまず選びさらにその制限内でKEKB / PF- Ring （独立に）繰り返しを選んでもらう
❖さらにKEKB e-とe+の繰り返しを選ぶ❖ Kickerが許せば、将来、不等間隔入射にも対応する❖まず1秒内のPulseを自由に選択できる機構ができている
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.
Switching Speed ◆現在は切り替えに30秒から2分要している◆段階的に50Hz (20ms)まで速度を上げる☼まずはSoftwareでも対応可能な、～10秒¤2008夏❖Hardware (Event System)が必要となる、1秒程度¤できれば2008冬◇最終的に20ms毎¤2009夏☼それぞれの段階で前Pageの項目のどこまで達成できるか
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.

PFとKEKB e-で同時に軌道を求める。 *バンプ軌道、ステアリングは縮退していても良い。バンプ軌道の個数も2つに限らなくでももよい。 New idea !オレンジ色のローカルバンプ軌道は2.5 GeV軌道に影響を及ぼさない。 8 GeVではローカルバンプは崩れて軌道補正に使える。ステアリング(s1,s2)による2.5 GeV軌道補正は8 GeV軌道に影響を及ぼす。しかし、その影響分は、バンプ軌道で補償できる。 Ax,
() S Ax,
SンΔΧ 3
h, AX, N 41
h, 2.5 GeVでの応答行列s; = B;L; 8 GeVでの応答行列
Kazuro Furukawa, KEK, Aug.2008.
23-3
設計思想: C-5セクターでのオプティクスのデザインは、2.5 GeV(PF)を基準とする。 2.5 GeV PF 8.0 GeV KEKB Electron 4,5セクターでのベータトロン位相の進み、108 deg. 4,5セクターでのベータトロン位相の進み: 30-50 deg. PF Beam正常化Afの導入SXC21/SYC21によるシングルキックΔ x i = x (+)i − X (−)i Δy i = Y(+)i = Y(-)i紺色:実測緑色:モデル実測とモデルの一致他のステアリングによるレスポンスも同様Y.Ohnishi Kazuro Furukawa, KLn, regu