[論文レビュー] Beam Feedback Systems and BPM Read-out System for the Two-Bunch Acceleration at Kekb Linac

K. Furukawa, N. Kamikubota+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2001

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、KEKリニアックにおける2束流運転のための改良型ビーム位置モニタ（BPM）読み出しシステムおよびビームフィードバック制御を提案し、96.29ナノ秒間隔で分離された2つの陽電子束を同時に測定・安定化可能にした。遅延ケーブルを用いて波形の重なりを回避し、電荷加重平均値と位置差分を用いるようにフィードバックシステムを変更することで、ビームエネルギーおよび軌道安定性を維持し、KEKBリングへの陽電子注入率を倍増するのに成功した。

ABSTRACT

In order to double the positron injection rate into the KEKB ring, a two-bunch acceleration scheme has been studied at the linac, in which bunches separated by 96 ns are accelerated in 50 Hz. In this scheme the stabilization of energy and orbit of each bunch is indispensable. Thus the beam energy and orbit feedback systems have been upgraded. Since beam characteristics are acquired through beam position monitors (BPM), their read-out system was improved to meet two-bunch requirements. Combined waveforms from BPM's were adjusted with delay cables avoiding overlaps and they enabled simultaneous measurement of beam positions of two bunches. The beam energies of two bunches were balanced by tuning rf pulse timings, and the average energy was stabilized by adjusting the accelerating rf phases. The average beam orbits were also stabilized. Slow feedback systems at the injector section for charge and bunching stabilities are being planned as well. These systems were used successfully in the test beams and will be employed in the routine operation.

研究の動機と目的

• ビーム診断およびフィードバック制御の向上により、KEKリニアックにおける安定した2束流加速を実現すること。
• 2つの近接する束流（96.29ナノ秒間隔）からのBPM波形が重複する問題を、正確な信号タイミングと遅延調整によって解決すること。
• ビームエネルギーおよび軌道フィードバックシステムを拡張し、平均ビームパラメータの安定化と2束流間のエネルギー差の最小化を実現すること。
• 従来の単束流運転と完全な互換性を保ちつつ、二重束流ビーム処理を可能にすること。
• ビーム安定性および制御の向上により、KEKBリングへの陽電子注入率を倍増させるという目標を支援すること。

提案手法

• BPM信号読み出しシステムは、96.29ナノ秒の遅延を用いて2束流からの波形を分離し、デジタイゼーション中の重なりを防止する。
• 5-Gs/sの波形デジタイザ（Sony-Tektronix TDS-680B/C）が、高精度なビーム位置測定のための補間を実行してBPM信号を取得する。
• 全18台のデジタイザは、1つの同期信号でトリガーされ、600メートルにわたるリニアック全体で正確なタイミングを保証する。
• VMEコンピュータは、応答関数（3次までの位置マッピング、減衰係数、ビームベースアライメントオフセットを含む）を用いてビーム位置を処理する。
• フィードバックループは、軌道およびエネルギー安定化に電荷加重平均ビーム位置を、エネルギー差補正に位置差分を用いるように変更した。
• ソフトウェアは、ステアリング磁石の電流とBPM応答の相関を用いたビームエネルギー測定を含め、二重束流運用をサポートするように拡張された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つの96.29ナノ秒間隔で分離された束流からのビーム位置モニタ（BPM）信号を、波形の重なりを避けて正確に取得する方法は何か？
• RQ2 2束流運転において、平均ビームエネルギーおよび軌道を安定化させるために、ビームフィードバックシステムにどのような変更が必要か？
• RQ3 50 HzのRFパルス内で加速する際、2束流間のビームエネルギー差を最小限に抑えるにはどうすればよいか？
• RQ4 ビームタイミングおよびRFパルスタイミング制御は、2束流間のエネルギーをバランスさせる上で果たす役割は何か？
• RQ5 既存のフィードバックおよび診断システムを、性能の低下を伴わず二重束流運転をサポートするように拡張できる範囲はどの程度か？

主な発見

• BPM読み出しシステムは、遅延ケーブルおよび波形分離を用いて、96.29ナノ秒間隔の2束流のビーム位置を正確に取得し、完全な精度と速度を維持した。
• ビームタイミング（10ピコ秒刻み）およびRFパルスタイミング（1.75ナノ秒刻み）の微調整により、ビームエネルギー差を0.3 MeV未満（15.5 MeV 対 15.8 MeV）にまで低減した。
• 加速RF位相の調整により、平均ビームエネルギーが安定化され、両束流にわたる一貫したエネルギー増幅が確保された。
• 電荷加重平均位置を用いた軌道フィードバックシステムにより、二重束流運転中も安定したビーム軌道が維持された。
• 束流間の位置差分を用いたエネルギー差フィードバックループにより、エネルギー差が頻繁に変化しなくても長期的な安定化が達成された。
• 改良システムは2001年3月より正常運用を開始し、成功裏にテスト・導入され、陽電子注入率を倍増するための二重束流加速方式を支援した。