Transcript クライストロン
Accelerator Laboratory 先端連合推進室 LC報告会 高周波源（LLRF/HLRF) 道園真一郎 for 高周波源グループ LLRF （低電力高周波源） デジタル高周波フィードバック アナログ高周波系（低電力アンプ） 高周波安全系 HLRF（大電力高周波源） 高周波電源 クライストロン 高周波分配系 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） LLRFの概要 Accelerator Laboratory デジタル高周波フィードバック ILCの空洞安定度（0.1%、0.1度程度）を満たすには、デジタルシステム によるフィードバックが必要 STF-0.5~1にはJ-PARCリニアックのシステムを改造して対応 STF-2ではILC設計のものを開発予定 アナログ高周波系（低電力アンプ） 1台目のクライストロン駆動用アンプはJHFのもの(1.296GHz)を転用 2台目J-PARCリニアックを参考にして製造 高周波安全系 J-PARCリニアックと同タイプのものを購入 放電や高周波反射信号に対応したインターロック系 放電検出のためのアークモニター インターロックに対応して高周波を遮断する変調器 ILCに向けた検討項目 Qlおよび電力分配比の最適化 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） LLRF system configuration at ILC Accelerator Laboratory RF Phase Reference Line Cryomodule 24x Cavity Probe (plus evt. 48x HOM coupler) BPM & Magnet Beam Pickup M M M M M M M M M 8x Coupler M M M M M M M M M M M M M M M PMT (vac) 2x e--field Temp (RTD) M M M 8x LLRF & Instrumenation Rack LLRF crate 2: - CPU, PS - Klystron Protection & Interlock Systems LLRF crate 3: - CPU, PS - Motor Controller - Piezo Controller 7x FWD/REV BPM (3x) BeamPickup (3x) Reference (3x) CavProbe (24x) CavFWD (24x) CavREV (24x) HOM (1..48x) RF & Low Level Signal Penetration Temp LLRF crate 1: - CPU, PS - 3x LLRF - BPM - Timing Distribution - (HOM coupler) C C C Power & High Level Signal Penetration REV REV REV 48x Piezo FWD FWD FWD 96x Motor M M M M M M Arc (air) All electronics are located at service tunnel Vector-sum control Accelerator of 26 cavities Tunnel Total 26x3+6=84ch RF monitors Temp Temp 8x 8x Service Tunnel WG pressure WG pressure WG pressure Arc Arc Temp Temp KLY 72x coax REV 48x signal FWD REV FWD 24x fiber Temp PMT WG press KlyArc Driver REV Modulator FWD XFMR Cryogenic Controls (Rack) Klystron Control, Interlock & Water Vacuum Controls (Rack) Local Oscillator Timing & Synchronization Inter-System Feedback Network/Bus MPS Network/Bus RT Control Network 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） Modulator Control & Interlock (Rack) Stability Requirements for Main Linac Accelerator Laboratory phase tolerance limiting luminosity loss (deg) phase tol. limiting incr. in energy spread (deg) amplitude tolerance limiting luminosity loss (%) amplitude tolerance limiting increase in energy spread (%) correlated BC phase errors .24 .35 HV uncorrelated BC phase errors .48 .59 Microphonics Related fluctuations correlated BC amplitude errors 0.5 1.8 HV, Ibeam uncorrelated BC amplitude errors 1.6 2.8 Microphonics correlated linac phase errors large .36 HV uncorrelated linac phase errors large 5.6 Microphonics correlated linac amplitude errors large .07 HV, Ibeam Uncorr. linac amplitude errors large 1.05 Microphonics Summary of tolerances for phase and amplitude control. These tolerances limit the average luminosity loss to <2% and limit the increase in RMS center-of-mass energy spread to <10% of the nominal energy spread. Ref. Mike Church 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） LLRF系の範囲 （@J-PARC linac, STF) Accelerator Laboratory 機器安全系（MPS) PLC&タッチパネル 速いインターロック： アーク検出、高周波反射 通常のインターロック： 上位の安全系、水、HV クライストロン出力、空洞入力、空洞反射、空洞電界 高周波増幅系 デジタルフィードバック系 第２回Compact ERLデザイン検討会(2008/6/11) 5 5 6/12 デジタルLLRFシステム Accelerator Laboratory 種類 振幅安定度 位相安定度 J-PARC,SNS プロトン ±1％ ±1度 ILC 電子 0.1％ 0.1度 ERL/Euro-XFEL 電子 0.01％ 0.01度 アナログFB(~100ns) ↓ DSP（~数μ秒） ↓ FPGA（Field Programmable Gate Array、~数100ns） (ロジック回路複雑処理は向かないが 単純なFB演算は可能） J-PARCリニアック 324MHz 常伝導空洞 （高速制御必要） 650μ秒 50Hz 最大2空洞のベクターサム 世界に先駆けてデジタルLLRF へのFPGAの採用 Quadrature Phase In-phase 3,600,000点⇔16QAM デジタル通信よりはるかに高精度のシステムが必要 デジタル通信等の発展の恩恵を受け，安価で高性能 の高周波素子，ADC等が提供されている． STF 1.3GHｚ 超伝導空洞 1500μ秒 5Hz 最大8空洞のベクターサム J-PARC400MeV増強 972MHｚ 常伝導空洞 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 ERLテスト施設 1.3GHｚ 超伝導空洞 CW (１０月７日） 7/12 デジタルLLRFシステム開発 Accelerator Laboratory 1 安定度仕様（例：0.3%、0.3度） 擾乱要素 クライストロン電圧（例：1%) マイクロフォニックス（例：5Hz) ローレンツ力（例：200Hz) ビーム電流(例：1%) ハードウエア ソフトウエア 設計開発 (例：AD/DA,PI制御、FF) 3 2 シミュレーション 周波数領域（伝達関数） 時間領域（状態空間） 離散時間領域（デジタル状態空間） ⇒フィードバックシステム仕様 4 模擬空洞等で評価 FB性能、FFT解析 （例：0.1%、0.1度） （例：FPGA採用） シミュレーション、ハードウエアとソフトウエアが一体となって高い性能を生み出す． 空洞の安定度を決めるのは 周波数発信分配器（フィードバック外） フィードバックコントローラ（ADC,FPGA,DAC)（S/N) デジタルソフトウエア（柔軟性） 周波数 [MHz] ジッター (rms) 位相(rms)[度] 1310 22.3 fs 1.0x10-2 1300 16.0 fs 7.4x10-3 40 573 fs 8.3x10-3 10 1.14 ps 4.1x10-3 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） LLRFシステム Accelerator Laboratory 安価で高速バスを持つｃPCIを採用 VSWR meter Touch Panel Arc detector pulse M Fast Interlock Digital FB cPCI system 400 W Amp. 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） STFのデジタルLLRFシステム Accelerator Laboratory 周波数 [MHz] ジッター(rms) 位相(rms)[度] 1310 22.3 fs 1.0x10-2 1300 16.0 fs 7.4x10-3 40 573 fs 8.3x10-3 10 1.14 ps 4.1x10-3 Custom FPGA board : Mezzanine card of the commercial DSP board 10 16bit-ADCs and 2DACs + 2Rocket IO 40 MHz clock MRF-03 (Hirose) Low-profile coaxial multiple contact connector 水冷（30℃+/-0.2℃） 10 16bit-ADCs FPGA 2DACs JPARCのLLRF用FPGAボードを基本 2FPGA+4ADCｓ+4DACｓ→1FPGA+10ADCｓ+2DACｓ+ロケットIO DSPボードから制御 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） STF-LLRFの性能 Accelerator Laboratory 0.04% 振幅安定度は0.04％rms 位相安定度は0.02度rms 0.02度 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） 10 IF-Mix Accelerator Laboratory IF-Mixは複数の中間周波数を アナログ的に混合して入力し ADCの数を減らすアイデア 2008年3月に実空洞を使った信 号分離に成功 Super Conducting Cavity #1 Super Conducting Cavity #2 1.3GHz IF2 1.3GHz ＋ IF1 LO #1 1.3GHz+IF1 Combiner IF1＋IF2 LO #2 1.3GHz+IF2 合成信号の安定度は振幅0.1%rms， 位相0.03度rms 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） ADC１ LLRFの今後の予定 Accelerator Laboratory Global-S1に向けて デジタルフィードバック ８空洞のフィードバック運転 ２４チャンネル（空洞、高周波入力、高周波反射ｘ８空洞）の高周波モニター 高周波安全系 ８空洞のRFインターロック系・アーク検出系の整備 STF-2に向けて デジタルフィードバック ２６空洞のフィードバック運転（ILC標準のLLRFシステム） ～８０チャンネルの高周波モニター ATCAのFPGAボード開発 多チャンネルダウンコンバータの開発 高周波安全系 ２６空洞のRFインターロック系・アーク検出系の整備 ILCに向けて 26空洞系での様々な空洞運転リミットの空洞を運転するための調整方法 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） Power、Ql等にばらつきがある場合 Accelerator Laboratory Qlにばらつきがあると、電界和は一定となっても各空洞の電界にスロープ。 ビーム負荷環境でQlとパワー分配をどのように最適化するか。 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） Operation with Cavities at Different Gradients Accelerator Laboratory Loaded Q and VTO control No beam With beam Simulation by Julien Branlard (FNAL) ,”Coupling adjustment considerations” • RF field profile depends on beam condition (on/off/long/short …). • Especially, lower gradient cavity’s field increase in case of no-beam. • Prepare two (or more) FB modes and switch them depending on beam. …But when unexpected beam-loss takes place (by MPS,PPS), lower gradient cavity will be quenched. 30/09/2015 Sendai GDE 14 HLRFの概要 Accelerator Laboratory 高周波電源 最初のパルス電源は動燃からの移管品を改造 2台目は新規に電源製造 半導体スイッチの保護対策等が重要 SLACではマルクスジェネレータタイプのモジュレータも開発中 クライストロン 1台目はJHFの1.296GHzのクライストロンを転用 2台目はTales社の５MWクライストロンを購入 ILC用には10MWのマルチビームクライストロンが3社から提供（EuroXFEL用） 高周波分配系 2種類の導波管系を試験中 電力分配比可変の立体回路を検討中 ILCのためのコスト削減 Arc Sensor Modulator for 5MW Kly 5MW Monitor DC Penetration(10m) 3-dB Hybrid-PDS 3dB Monitor DC 3 Stub Tuner Φ 先端連合推進室 LC報告会 Φ 高周波源 Φ (１０月７日） Power Distribu DC 高周波電源のR&D Accelerator Laboratory Chock IGBT AC6.6kV Klystron TH2104 23kV Shunt Snubber 140kV Pulse Transformer VCB Rectifier Heater Transformer 215 F 135 F 50 F 1: 6 Crowbar Storage Ignitron Capacitor Bouncer Install of Pulse transformer Waveform of modulator without bouncer 旧動燃から移管された高周波電源を改造（新規に製造する場合の半額） 電源のパルス内安定度を向上させる為のバウンサー回路を追加 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） STF・モジュレータの総括 Accelerator Laboratory No.2 電源(ニチコン） No.1 電源(動燃：三菱） 赤：新規追加 青：改造 Chock IGBT AC6.6kV Klystron TH2104 Shunt Snubber 23kV 140kV Pulse Transformer VCB Rectifier Heater Transformer 215 F 135 F 50 F 1: 6 Crowbar Storage Ignitron Capacitor Bouncer バウンサー回路特性 IGBTを増強しないとRF ５MWは出せない。 パルス平坦度 IGBTボード バウンサー回路動作時の波形 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 ILCのBCDに近いバウンサー型パルス電源 (１０月７日） パルス電源の成果と問題点 Accelerator Laboratory 成果 No.1 パルス電源（MELCO)、No.2パルス電源（Nichicon) を通じて、半導体 SWを用いた長パルスパルス電源の日本における技術が確立したと評価 できる。 パルス平坦度を補償するためのBouncer回路も2社の電源で確立した（国 内初の大電力動作実証） 負荷短絡時に弱い半導体SWのためにその遮断回路の性能が重要 負荷短絡時の二重保護化（KEK)。 →閾値Aを越えると高速でIGBTを遮断する。 →それでも閾値Bを超える場合はCrawbar回路を働かせる。 問題点 MELCO電源：二重保護化のためのIGBT増強が高価でめど立たず。Po=3MWで運 転。当面はこれでOK. Nichicon電源：クライストロンの水漏れに付随したPTの放電とIGBTの速遮断の失敗 でIGBTが破損。現在原因と対策に取り組みつつある。 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） クライストロン(1.3GHz、Long Pulse) Accelerator Laboratory 5-10 MW 10 MW Peak 10 MW Peak JHF用のTH2104A(f0＝1.296GHz、5MW、600us)を1.3GHz,パルス幅1.5msで使用中。 また、予備（STF2号機用としてTH2104Cも1本購入）。 SF050225 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） RF系： テストスタンドの様子 Accelerator Laboratory Klystron High Power Circulator Pulse Transformer Tank RF Window IGBT Sw Cabinet クライストロンの試験、 RF機器の試験の レイアウト Variable Shorted WG High power Water Load Coupler Insertion Points 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） カプラー試験の レイアウト RF系：クライオモジュールへの電力分配系 Accelerator Laboratory （ STF1.0 用 2008年へのプラン→空洞4台案に縮小） クライストロンギャラリー 線形電力分配 導波管配置 STF-1.0のWG系 STF-0.5のWG系 Circulator Modulator for 10MW Kly Arc Sensor 5MW ツリー型電力 分配導波管配置 Monitor DC Penetration(10m) 3dB TESLA Type-PDS 3-dB Hybrid-PDS 3dB 3dB 1:4 1:3 1:2 Power Distribution DC 3dB Monitor DC Monitor DC Circulator STF-0.5のWG系 Circulator 3 Stub Tuner 4 Cavities Cryostat-1 4 Cavities Cryostat-2 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） トンネル PDSの要求されること、及び、この1年間の開発状況 Accelerator Laboratory BCDに必要なPDSのコンポーネント開発 →２種類のPDSの構築、Uベンド、窓、400ｋW & 500ｋWアイソレータ、フレキ シブル導波管の開発 アイソレータの除去によるコストインパクトに対するR&Dの要請 →ツリー型PDSでのアイソレータの除去とLLRF制御の試験(2008秋） 超伝導空洞のばらつきに対する最適な運転に関するRFへの要請 →空洞毎の電力、Qlの最適化→RF源での調整機器の導入 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） ばらつきのある超伝導空洞でのPower、Ql等の最適化 Accelerator Laboratory Power分配可変 Ql値可変 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） Variable Tap-off（可変Hybrid、Reflector） Accelerator Laboratory 分岐比の可変範囲 Ins.Loss(INPUT→OUTPUT) (dB) Coupling(INPUTOUTPUT2) (dB) Ins.Loss (INPUT→OUTPUT)，Coupling(INPUT→ OUTPUT2) (dB) -2.4 -2.5 もともと35MV/ｍ空洞系と 45MV/ｍ 空洞系のパワーバランスの 違いから 導入されたもの -2.6 -2.7 -2.8 -2.9 -3.0 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5 -3.6 -3.7 -3.8 Variable 3dB Hybrid 43.5 48.5 53.5 58.5 63.5 68.5 73.5 78.5 83.5 88.5 93.5 98.5 103.5 108.5 Stub Insertion (mm) べイン型位相器 Reflectorの回転フラップ 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） HLRFの今後の予定 Accelerator Laboratory Global-S1に向けて 高周波電源 STF1号機、STF2号機の2台の高周波電源が稼働の状態にし、1台をクライオモ ジュールの励振に、もう一台をRF部品の試験で運転。 クライストロン ２台のクライストロンがSTF１号機、２号機で運転。 高周波分配系 2種類の導波管系により分配 ある程度の電力分配比の調整ができるように STF-2に向けて 高周波電源 ３台目のモジュレータ（ILC標準となるもの、マルクスジェネレータタイプを含む）製造 クライストロン １０MWクライストロンの購入 高周波分配系 ILC標準となる高周波分配系の製造 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） Accelerator Laboratory 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） ATCA Accelerator Laboratory •High Availabilityのために、ILC-ControlではATCAを検討している。 •ILC-LLRFでもATCAまたはuTCAを採用？ •アナログ回路のボードを入れるには評価が必要。 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） FB algorithm (ILC-baseline) Accelerator Laboratory 26x 26x 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） LLRF Rack Detail (ILC-baseline) Accelerator Laboratory 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日） BCDに必要なPDSのコンポーネント Accelerator Laboratory ロシア製アイソレータの仕様 DESYで採用されている ロシア製は500ｋW以 上の電力でもOKで あったが、日本製は そこまで到達しなかっ た。 日本での競争力を 保持するために独自 に 同性能で価格的にも 競争力をもったものを 開発。 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 日本高周波製500ｋW サーキュレータ (１０月７日） STF-LLRFの性能(2) Accelerator Laboratory 波形のオフライン解析による空洞評価支援 先端連合推進室 LC報告会 クエンチ前後のQ値の変化 高周波源 (１０月７日） 31 Accelerator Laboratory 先端連合推進室 LC報告会 高周波源 (１０月７日）