[論文レビュー] RF System Upgrades to the Advanced Photon Source Linear Accelerator in Support of the Fel Operation

Terry L. Smith, M.-H. Cho+4 more|ArXiv.org|Aug 17, 2000

Medical Imaging Techniques and Applications参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、自由電子レーザー（FEL）運転に必要な厳密な位相および振幅安定性要件を満たすために、アドバンスドフォトンソース（APS）線形加速器のRFシステムに対するアップグレードを詳述している。主な改善策には、より優れたモジュレータ制御を実現する固体状態高電圧電源、最適化された位相補償回路、およびトリガタイミングの調整が含まれ、クライストロンの位相不安定性を2〜2.5倍低減し、SASE-FEL実験に不可欠な1度未塔の位相安定性を実現した。

ABSTRACT

The S-band linear accelerator, which was built to be the source of particles and the front end of the Advanced Photon Source injector, is now also being used to support a low-energy undulator test line (LEUTL) and to drive a free-electron laser (FEL). The more severe rf stability requirements of the FEL have resulted in an effort to identify sources of phase and amplitude instability and implement corresponding upgrades to the rf generation chain and the measurement system. Test data and improvements implemented and planned are described

研究の動機と目的

• 既存のAPS線形加速器にFEL運転がもたらすRF安定性要件の増大に対処する。
• RF生成チェーン内の位相および振幅不安定性の原因を特定し、低減する。
• クライストロン出力位相安定性を、SASE-FEL要件の1°rmsジャイターより小さく、長期的ドリフトが±5°以内に抑える水準まで向上させる。
• アップグレードされたI/QデモジュレーションおよびA/D変換を用いて、フィードバック制御に適したオンライン位相測定を正確に実現する。
• 電磁機械的レギュレータの置き換えによる固体状態高電圧電源の導入により、RFシステムの高い稼働率と信頼性を確保する。

提案手法

• ±0.3%の充電電圧制御が可能な定電流型、固体状態、高周波インバータ型高圧電源（EMI-303L）に、レガシーな3相可変トランスフォーマモジュレータ電源を置き換える。
• 2856 MHzで1 mVあたり0.219°の精度を持つ、可変位相シフタおよびダブル・バランスドミキサー方式の位相安定性テストユニットを導入し、正確な位相測定を実現する。
• RFゲートでトリガーされるR-Cネットワークを用いた位相補償回路の最適化により、400 Wパulsed増幅器の熱的安定化遅延を補償する。
• モジュレータのトリガタイミングをキャソード電圧波形の最も平坦な部分に一致させることで、位相プッシュ効果を最小限に抑える。
• 12ビットフラッシュA/Dコンバータを用い、20 MHzのIFに同期した80 MSa/sのサンプリングレートを実現するオンライン位相測定システムをアップグレードし、キャリアノイズを低減し、位相再現性を向上させる。
• VXIベースのベクトル検波器と参照信号の同期を活用し、ソフトウェア上でIおよびQ成分から位相を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FEL運転下における既存のAPSリナックRFシステムにおいて、位相および振幅不安定性を悪化させる要因は何か？
• RQ2 レガシーな電磁機械的レギュレータと比較して、固体状態高電圧電源はクライストロン出力位相安定性をどの程度向上させ得るか？
• RQ3 R-Cトリガードライブ回路による位相補償は、クライストロンの位相安定化トランジェントをどの程度低減できるか？
• RQ4 モジュレータのトリガタイミングの最適化により、キャソード電圧変動に起因する位相プッシュ効果を低減できるか？
• RQ5 アップグレードされたオンライン位相測定システムは、フィードバックベースの位相安定化を可能にするために、1度未塔の再現性を達成できるか？

主な発見

• 固体状態高電圧電源に置き換えたモジュレータのアップグレードにより、クライストロンの位相不安定性が2〜2.5倍低減され、±0.3%の充電電圧制御が達成された。
• 位相補償回路の調整により、トランジェント安定化効果を最小限に抑えることで、クライストロン出力位相安定性が向上したことが、調整後の測定で平坦な位相応答が得られたことから裏付けられた。
• モジュレータのトリガタイミング最適化により、キャソード電圧波形の最も安定した部分にクライストロンパルスを一致させることで、位相プッシュ効果が低減した。
• 80 MSa/sのサンプリングレートと向上したIF基準発信機を用いたアップグレード済みオンライン位相測定システムは、連続したショット間で1度未塔の再現性を達成することが期待される。
• 本システムは、SASE-FEL要件の1°rmsジャイターより小さく、長期的ドリフトが±5°以内という要件を満たしており、今後フィードバック統合によるさらなる安定性向上が計画されている。
• 約10 nsのトリガジッタが観測されたが、システムは全体のトリガ配布システムを交換することなく、FEL運転に必要な2 psのタイミング要件（2°の位相誤差に相当）を満たすよう最適化が進行中である。