IMPOVEMENT OF RF LOW-LEVEL CONTROLLER FOR JAERI ERL

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
and the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)
IMPOVEMENT OF RF LOW-LEVEL CONTROLLER FOR JAERI ERL-FEL
R. Nagai1, M. Sawamura, R. Hajima, N. Kikuzawa, N. Nishimori, T. Nishitani, E. Minehara
Free-Electron Laser Laboratory, Advanced Photon Research Center, Japan Atomic Energy Research Institute
2-4 Shirakata-Shirane, Tokai, Ibaraki, 319-1195
Abstract
An RF low-level controller for the JAERI ERL-FEL has been improved to ensure high-power FEL operation. To
easily tune the feedback loop, the low-level controller is changed to continuous variable gain and time constant. In the
result of the tuning, the amplitude and phase rms stability of the accelerating cavity in a macro-pulse are less than
1.3×10-4 and 0.06 deg., respectively. To suppress the temperature dependency of RF components of the low-level
controller, the RF components are put into a temperature-regulated case. In the result of the temperature regulation of
the RF components, the temperature dependency of the amplitude and phase are negligible small.
原研ERL-FEL用RFローレベル制御装置の改良
自由電子レーザーにおいて安定に高出力を得るた
めには、安定したRF電場により安定した加速を行
うことが不可欠である。更にエネルギー回収型自由
電子レーザー（ERL-FEL）では電子ビームのバンチ
ングを行っている入射部と回収軌道を偏向電磁石に
より合流しているために、入射部の加速器のRF電
場には非常に高い安定度が求められる。
原研においても超伝導リニアックをERLに改造し
FELの高出力化を進めており [1-4] 、この改造に伴い
RFローレベル制御装置の改良を行った。これまで
用 い て き た RF ロ ー レ ベ ル 制 御 装 置 は 入 射 部 か ら
真っ直ぐに主加速器へ入射する形状のリニアック
（ERL改造前の状態）用に作られたものであり、±
1度以下の位相精度を目標として設計製作されたも
のであるのでERLで使用するには性能が不十分で
あった。また、特に温度補償回路が組み込まれてい
なかったために、気温の変動に対して十分な安定度
が確保されていなかった。
新しいRFローレベル制御装置の制御方法は以前
と同様のアナログΦ-A制御である。高い安定度と気
温変動に対する安定度を得るために、主に以下の3
点の改良を行った。
（１） ループゲイン、時定数を連続可変にした。
（２） RF制御回路を恒温槽内に収め温調を施し
た。
（３） 基準電圧発生素子などの部品を見直し、
より安定度の高いものを選定した。
（１）については、より高い安定度を得るために
フィードバック制御をかけたままの実運転状態でこ
れらを調整できるようにした。（２）については、
ミキサー、検波器、移相器などのRF部品には温度
特性[5]があるので、気温変動および素子自体の発熱
の影響を避けるためにこれらの部品を全て恒温槽内
に収めて温調を施した。（３）については制御回路
1
の安定度に関わる基準電圧発生素子などを安定度の
より高いものを選定し、気温や電源電圧変動に対す
るより高い安定度が得られるようにした。
２．RFの安定性向上
2.1 RFパルスの安定性
原研ERL-FELでは10pps、1msのマクロパルスで加
速を行っており、RFのパルス幅は約2msであるが空
洞にRFが満たされるまでの時間があるので後半の
1msを加速に用いている。RFを空洞に印加した状態
で、ループゲイン、時定数の調整を行った結果、加
速に利用する1ms間のrms位相安定度は、以前のRF
ローレベル制御装置では0.20度であったものが0.06
度に改善した。その様子を図１に示す。点線と実線
がそれぞれ改良前後のRFローレベル制御装置によ
るものである。rms振幅安定度については以前と同
様の1.3×10-4の安定度を得ている。
3.0
2.0
Phase (deg.)
１．はじめに
E-mail: [email protected]
293
1.0
σ = 0.20 deg.
0.0
σ = 0.06 deg.
-1.0
-2.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Time (ms)
NEW
OLD
2.5
3.0
図１：RFパルス内での位相安定度
また、RFパルスは冷凍機の振動のような比較的
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遅い周期の擾乱の影響で、パルス毎に空洞内のRF
電場が変動する。この様子を見るために、5分間に
渡ってRFパルスの情報を蓄積した。5分間のrms振
幅安定度は以前のRFローレベル制御装置よるもの
と同様の1.5×10-4であった。rms位相安定度について
は図２のヒストグラムに示すように以前のRFロー
レベル制御装置よるものが0.78度であったのに対し
て0.15度に改善した。
40000
40000
1.006
30000
Count
25000
20000
15000
20000
10000
5000
0
-5.0
1.005
1.004
1.004
15000
10000
-4.0
-3.0
-2.0
-1.0
Phase (deg.)
0.0
1.0
1.003
1.003
1.002
1.001
1.002
1.000
0.999
20
1.001
σ = 0.15 deg.
5000
0
-6.0
1.005
σ = 0.78 deg.
Amplitude
30000
Count
1.006
35000
Amplitude
35000
25000
受けてしまうので、以前のRFローレベル制御装置
の測定時にも新しいRFローレベル制御装置のモニ
タを使用した。
振幅の変動の様子を図４に示す。図内の小さなグ
ラフが以前のRFローレベル制御装置についての結
果である。以前のRFローレベル制御装置では25℃
±3 ℃ で 約 0.4%変 動 し て い る の に 対 し て 新 し い RF
ローレベル制御装置では変動をほぼゼロに抑えるこ
とが出来た。
22
24
26
28
Room Temperature ( oC )
30
1.000
-5.0
-4.0
-3.0
-2.0
Phase (deg.)
-1.0
0.0
0.999
20
22
図２：5分間位相安定度
24
26
28
Room Temperature ( oC )
30
図４：気温変動よる影響（振幅）
位相の変動の様子を図５に示す。図内の小さなグ
ラフが以前のRFローレベル制御装置についての結
果である。以前のRFローレベル制御装置では25℃
±3℃ で 約 15度 変 動 し て い る の に 対 し て 新 し いRF
ローレベル制御装置では変動をほぼゼロに抑えるこ
とが出来た。
30
30
25
25
20
20
Phase (deg.)
RFローレベル制御装置にはミキサー、検波器、
移相器などのRF部品が多く含まれるが、これらの
素子は比較的大きな温度特性をもっており気温変動
の影響を受けやすい。そこで、これらの部品を恒温
槽内に収めて温調を施し気温変動の影響を抑えるよ
うにした。温調はヒーターのON-OFF制御で行い、
設 定 温 度 は 45 ℃ と し た 。 ま た 、 モ ジ ュ ー ル 毎 の
シャーシ部分の熱容量を大きくするために、シャー
シはアルミブロックをくり貫いて作成した。恒温槽
とモジュールの写真を図３に示す。
Phase (deg.)
2.2 気温変動に対する安定性
15
10
15
10
5
0
-5
20
5
22
24
26
28
Room Temperature ( oC )
30
0
恒温槽
-5
20
アルミくり貫きシャーシ
22
24
26
28
Room Temperature ( oC )
30
図５：気温変動よる影響（位相）
2.3 起動時の安定性
図 ３ ： RF ロ ー レ ベ ル 制 御 装 置 の 恒 温 槽 と 内 部 モ
ジュールのアルミくり貫きシャーシ
空調で室温を変化させてそのときの振幅、位相の
変動の様子を観測することで、RFローレベル制御
装置の気温変動に対する安定度の計測を行った。た
だし、振幅、位相のモニタ自体も気温変動の影響を
以前のRFローレベル制御装置では装置内のRF部
品、OPアンプなどの各素子自体の発熱のために起
動直後はRFが不安定であったが、今回の温調を施
すという改良によりこの不安定性が完全に解消され
た。起動直後の位相ドリフトの様子を図６に示す。
図中の小さなグラフが以前のRFローレベル制御装
置によるものである。0sから起動して初めの300sで
294
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空洞のチューニングなどの調整を行い、その後
フィードバックをONにしている。新しいRFローレ
ベル制御装置では300s以降ドリフトが全く見られな
く、起動直後から安定している様子が分かる。
15
15
10
Phase (deg.)
Phase (deg.)
10
5
0
5
-5
0
500
1000
1500
Time (sec.)
2000
2500
0
-5
直すといった改良を行った。その結果、rms振幅安
定度、rms位相安定度はそれぞれ、1.3×10-4、0.06度
になった。また、気温変動による振幅、位相の変動
をほぼゼロにすることが出来た。更に、起動時の位
相ドリフトもほぼゼロにすることが出来た。
今回、改良を施したRFローレベル制御装置と簡
易温調RF信号ケーブル[6]をあわせて使用することで、
気温が25℃±3℃の範囲で加速器全体の位相精度0.2
度以下を確保することが出来るようになった。
0
500
1000
1500
Time (sec.)
2000
2500
図６：起動直後の位相ドリフト
３．まとめ
RFローレベル制御装置に、ループゲイン、時定
数を連続可変にする、温調を施す、個々の部品を見
参考文献
[1] 西森信行、他、 Proc. of the 28th Linear Accelerator
Meeting in Japan (2003) 159-161.
[2] M. Sawamura, et al., Proc. of the 2003 Part. Acc. Conf.
(2003) 3446-3448.
[3] R. Hajima and E. Minehara, Nucl. Instr. and Meth. A 507
(2003) 141-145.
[4] 峰 原 英 介 、 他 、 Proc. of the 28th Linear Accelerator
Meeting in Japan (2003) 159-161.
[5] 沢村勝、他、Proc. of the 25th Linear Accelerator Meeting
in Japan (2003) 201-203.
[6] 永 井 良 治 、 他 、 Proc. of the 28th Linear Accelerator
Meeting in Japan (2003) 315-317.
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