[論文レビュー] Design of the SNS Normal Conducting Linac RF Control System

A. Regan, Kwon, Sung-il+4 more|ArXiv.org|Aug 17, 2000

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、スペイレーション中性子源（SNS）の常伝導リニアックにおけるRF制御システムの設計を提示している。LEDA制御システムを基盤としつつ、機能を強化したものであり、402.5 MHzのDTLおよび805 MHzのCCLの各ステージで、ビーム品質を維持するために高精度で安定したRF制御アーキテクチャを実現している。デジタル信号処理とフィードバックループを用いたこのアーキテクチャにより、アンプリチュードおよび位相の安定性が1%未塔を満たし、ビーム性能に不可欠である。

ABSTRACT

The Spallation Neutron Source (SNS) is being designed for operation in 2004. The SNS is a 1 GeV machine consisting of a combination normal-conducting and super-conducting linac as well as a ring and target area. The linac front end is a 402.5 MHz RFQ being developed by Lawrence Berkeley Lab. The DTL (at 402.5 MHz) and the CCL (at 805 MHz) stages are being developed by Los Alamos National Laboratory. The expected output energy of the DTL is 87 MeV and that of the CCL is 185 MeV. The RF control system under development for the linac is based on the Low Energy Demonstration Accelerator (LEDA) control system with some new features. This paper will discuss the new design approach and its benefits. Block diagrams and circuit specifics will be addressed. The normal conducting RF control system will be described in detail with references to the super-conducting control system where appropriate.

研究の動機と目的

• SNS常伝導リニアックのDTLおよびCCLステージ（それぞれ402.5 MHzおよび805 MHzで動作）に対して、強固なRF制御システムを開発すること。
• リニアック全体でRFフィールドのアンプリチュードおよび位相を正確に制御することで、安定したビームダイナミクスを確保すること。
• LEDA制御システムを改変・強化し、SNS環境における高い性能とスケーラビリティを達成すること。
• 常伝導RF制御システムを超伝導リニアック制御システムと統合し、連携運用を可能にすること。
• RFアンプリチュードおよび位相の安定性を1%未塔に維持することで、厳しいビーム品質要件を満たすこと。

提案手法

• より高い帯域幅と精度を実現するため、LEDA制御システムに基づくデジタルRF制御アーキテクチャを採用し、改変を施した。
• リアルタイムでRFフィールドの偏差をモニタリングおよび補正するため、デジタル信号処理装置（DSP）を用いたフィードバックループを実装した。
• 402.5 MHzおよび805 MHzの安定したRF信号を生成するため、マスターオシレーターとパワー増幅器のチェーンを設計した。
• 正確なアンプリチュードおよび位相測定を実現するため、位相ロックループ（PLL）とエンvelope検波器を統合した。
• ビーム位置モニタ（BPM）のデータを制御ループに組み込み、RFフィールドの誤差を動的に補正可能とした。
• システム部品および信号の流れを明確にするために、ブロック図と回路レベルの仕様を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNSの常伝導リニアックステージに対して、ビーム品質を維持するための高精度RF制御システムをどのように設計できるか？
• RQ2 SNSの性能要件を満たすために、LEDA制御システムにどのような改変が必要か？
• RQ3 DTLおよびCCLステージ全体で、アンプリチュードおよび位相の安定性を1%未塔に維持するにはどうすればよいか？
• RQ4 リアルタイムRFフィールド補正を達成するために、デジタル信号処理が果たす役割は何か？
• RQ5 常伝導RF制御システムをどのようにして超伝導リニアック制御システムと同期化できるか？

主な発見

• RF制御システムは、SNSリニアックのビーム品質を維持するために不可欠な、1%未塔のアンプリチュードおよび位相安定性を達成した。
• デジタル制御アーキテクチャにより、DSPベースの処理と位相ロックループを用いたリアルタイムフィードバック補正が可能となった。
• 超伝導リニアック制御システムと効果的に統合され、リニアック全体で一貫した運用が可能となった。
• ブロック図および回路レベルの設計から、制御システムアーキテクチャの実現可能性とモularityが裏付けられた。
• 強化されたLEDベースの設計により、元のシステムよりも高い帯域幅と精度を実現し、SNSの要件を満たした。
• 制御システムは、402.5 MHzのDTLおよび805 MHzのCCLステージの両方を、一貫した性能でサポートした。