[논문 리뷰] Beam Feedback Systems and BPM Read-out System for the Two-Bunch Acceleration at Kekb Linac

K. Furukawa, N. Kamikubota외 2명|arXiv (Cornell University)|2001. 11. 26.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 6인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 KEK 라인액에서 이중 빔 작동을 위해 업그레이드된 비드 위치 모니터(BPM) 읽기 시스템과 비드 피드백 제어를 제시하며, 96.29-ns 간격으로 분리된 두 개의 양전자 빔 빔을 동시에 측정하고 안정화할 수 있도록 한다. 파형 겹침을 방지하기 위해 지연 케이블을 사용하고, 피드백 시스템을 전하 가중 평균과 위치 차이를 사용하도록 수정함으로써, 시스템은 비드 에너지와 궤도 안정성을 유지하며, KEKB 링으로의 양전자 주입률을 두 배로 늘리는 데 성공적으로 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비드 진단 및 피드백 제어를 향상시켜 KEK 라인액에서 안정적인 이중 빔 가속을 가능하게 하기.
• 두 개의 밀접하게 간격을 두고 있는 빔(96.29 ns 간격)에서 발생하는 BPM 파형이 겹치는 문제를 정밀한 신호 타이밍과 지연 조정을 통해 해결하기.
• 평균 비드 파rameter를 안정화하고 두 빔 간의 에너지 차이를 최소화하기 위해 비드 에너지 및 궤도 피드백 시스템을 확장하기.
• 기존의 단일 빔 작동과의 완전한 호환성을 유지하면서 이중 빔 비드 처리를 지원하기.
• 비드 안정성과 제어를 향상시켜 KEKB 링으로의 양전자 주입률을 두 배로 늘리는 목표를 지원하기.

제안 방법

• BPM 신호 읽기 시스템은 지연 케이블을 사용하여 두 빔에서 온 파형을 96.29 ns 간격으로 분리하여 디지타이제이션 중 겹침을 방지한다.
• 5-Gs/s 웨이브폼 디지타이저(Sony-Tektronix TDS-680B/C)가 보다 정밀한 비드 위치 측정을 위해 보간 기법을 사용하여 BPM 신호를 확보한다.
• 모든 18대의 디지타이저는 단일 동기 신호로 촉발되어 600m에 이르는 라인액 전역에서 정밀한 타이밍을 확보한다.
• VME 컴퓨터는 반응 함수를 사용하여 비드 위치를 처리하며, 이는 3차 다항식 위치 매핑, 감쇠 요소 및 비드 기반 정렬 오프셋을 포함한다.
• 피드백 루프는 궤도 및 에너지 안정화를 위해 전하 가중 평균 비드 위치를 사용하도록 수정되었고, 에너지 차이 보정을 위해 위치 차이를 사용하였다.
• 소프트웨어는 비드 에너지 측정을 위한 조향 electromagnet 필드와 BPM 반응 간 상관관계를 활용하는 이중 빔 작동을 지원하도록 확장되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 96.29-ns 간격으로 분리된 두 빔의 비드 위치 모니터(BPM) 신호를 파형 겹침 없이 정확히 확보할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 이중 빔 작동에서 평균 비드 에너지 및 궤도를 안정화하기 위해 비드 피드백 시스템에 어떤 수정이 필요한가?
• RQ3 50 Hz RF 펄스 동안 가속 중 두 빔 간의 에너지 차이를 최소화하기 위한 방법은 무엇인가?
• RQ4 비드 타이밍 및 RF 펄스 타이밍 제어는 두 빔 간의 비드 에너지를 균형 잡는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 기존의 피드백 및 진단 시스템을 얼마나 확장하여 성능 저하 없이 이중 빔 작동을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 지연 케이블과 파형 분리 기법을 사용하여 BPM 읽기 시스템은 96.29-ns 간격으로 분리된 두 빔의 비드 위치를 정밀도와 속도를 유지하면서 성공적으로 확보하였다.
• 비드 타이밍(10-ps 단위)과 RF 펄스 타이밍(1.75-ns 단위)의 정밀 조정을 통해 비드 에너지 차이를 0.3 MeV 이하(15.5 MeV 대 15.8 MeV)로 감소시켰다.
• 가속 RF 단계 조정을 통해 평균 비드 에너지를 안정화시켜 두 빔 간 일관된 에너지 증가를 확보하였다.
• 전하 가중 평균 위치를 사용하는 궤도 피드백 시스템은 이중 빔 작동 중에도 안정적인 비드 궤도를 유지하였다.
• 두 빔 간의 위치 차이를 사용하는 에너지 차이 피드백 루프는 에너지 차이가 흔히 변화하지 않더라도 장기적인 안정성을 제공하였다.
• 업그레이드된 시스템은 2001년 3월부터 정상 운영에 성공적으로 테스트 및 구현되었으며, 양전자 주입률을 두 배로 늘리는 데 기여하는 이중 빔 가속 방식을 지원하였다.