[論文レビュー] Analysis and Stabilization of AC Line Synchronized Timing System for SuperKEKB

Di Wang, K. Furukawa+5 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 18被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、電力系統周波数の変動によるタイミングジタを低減するために、AC50レギュレータを用いた安定化されたACライン同期タイミングシステムを、SuperKEKBのLINACに提案する。8/9パルスモードにおける順序シフトの適応的制御とドリフト補償を実装することで、強力なACドリフト（最大±158 µs）下でも30 ps未満のタイミングジタを維持し、ビーム中止を低減し、運用安定性とビーム品質を著しく向上する。

ABSTRACT

A timing system provides high-precision signals to allow the controls over a variety of hardware and software components in the accelerator complex. This is guaranteed by the radio frequency (RF) and trigger signal synchronization for subsystems such as klystrons, pulsed magnets, and beam monitors. The main trigger signal should be distributed throughout the facility and repeated at the beam repetition rate. This trigger signal is usually generated by the same phase of an AC power line to follow the source of the fluctuation of an electrical grid and reduce the unwanted variation of the beam quality. To fulfill the needs of the multi-accelerator facility at KEK, apart from the normal trigger synchronization and bucket selection injection control, a beam operation scheme called the pulse-to-pulse modulation is utilized; hence, the complexity of the timing system increases. Uncertainty in the system and a trigger signal delivery error caused by a drastic AC power line drift are observed. Further, the effort to establish a reliable timing system at KEK and several solutions to improve the system robustness are presented.

研究の動機と目的

• SuperKEKBのLINACにおけるAC電源ライン周波数のドリフトが引き起こすタイミングシステムの不安定性を是正すること。
• 電力系統の変動下でもタイミングシステムを安定化させることで、ビーム中止を低減し、ビーム品質を向上させること。
• AC50ドリフトに適応可能な堅牢な順序シフトアルゴリズムの開発と検証を行い、信頼性の高いパルス間変調を実現すること。
• AC50依存モード下でも安定した運用を可能にするとともに、ビーム品質の劣化を最小限に抑えること。

提案手法

• 50 Hz ACラインリファレンス信号の安定化を図るAC50レギュレータモジュールの設計および導入。
• 二段階のタイミングシステム（AC50非依存およびAC50依存モード）を採用し、自動切り替えを実現。
• 応答速度の向上と順序シフト失敗リスクの低減を目的に、8/9パルス注入シーケンスの採用。
• 最近のパルスからのAC50ドリフト平均値を用いたドリフト補償付き順序シフトアルゴリズムの開発により、タイミング推定精度の向上。
• TDC測定値とシミュレーションを用いて、極端なAC50ドリフト条件下でのシステム性能の検証。
• RFおよびトリガー同期のための光ファイバー配信を備えた、位相ロックループ（PLL）回路とイベントベースタイミングシステムの統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AC電源ライン周波数のドリフトは、SuperKEKBのLINACタイミングシステムにおけるタイミングジタとビーム品質にどのように影響を与えるか？
• RQ2 強いAC50変動下で、既存の順序シフトアルゴリズムの故障メカニズムは何か？
• RQ3 AC50レギュレータモジュールは、電力系統の不安定な状態下でもタイミングシステムを効果的に安定化させ、ビーム中止を低減できるか？
• RQ4 AC50ドリフト下で、16/18パルスシーケンスと比較して8/9パルスシーケンスはどのように耐障害性を向上させるか？
• RQ5 ドリフト補償付き順序シフトアルゴリズムは、極端なAC50ドリフトをどの程度まで処理できるか？

主な発見

• AC50レギュレータモジュールにより、50 Hzリファレンス信号が±0.04 ms以内に安定化され、信頼性の高いタイミング信号生成が可能となった。
• 強いACドリフト後に非同期モードから同期モードに移行する平均時間は約31秒であり、再同期には約20秒を要した。
• 8/9パルスシーケンスは、応答速度の向上とシーケンス長の短縮により、16/18パルスシーケンスと比較してタイミング障害のリスクが低減した。
• AC50ドリフト補償付きの改良型順序シフトアルゴリズムは、-156 µs から 158 µs のドリフト範囲をシミュレーションで検証済みで処理可能である。
• 120 µsのAC50ドリフトが数秒間継続した場合のタイミング障害も、新アルゴリズムにより正常に回復した。
• ドリフト補償付き8/9パルスシーケンスは2021年夏に導入予定であり、実用的妥当性が裏付けられた。