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スピル制御

スピル制御. 2007 年 10 月 26 日 素核研ハドロンビームライン SubGr. 　清道明男. アウトライン スピル制御概要 フィードバック Q 電磁石 DSP によるデジタルフィードバック装置 HIMAC ビーム試験 今後のスケジュール. スピル制御用機器. 取り出しビームの平坦化、リップル除去を行う機器 EQ （取り出し４極電磁石）　 [H20 年度製作 ] ビーム成形 、 1kHz 程度までの リップル除去 EQ の磁場を変える＝ Tune を変える

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Presentation Transcript

  1. スピル制御 2007年10月26日 素核研ハドロンビームラインSubGr.　清道明男 アウトライン スピル制御概要 フィードバックQ電磁石 DSPによるデジタルフィードバック装置 HIMACビーム試験 今後のスケジュール

  2. スピル制御用機器 取り出しビームの平坦化、リップル除去を行う機器 EQ（取り出し４極電磁石）　[H20年度製作] ビーム成形、1kHz程度までのリップル除去 EQの磁場を変える＝Tuneを変える Spill Height = Intensity/Time となるように電流パターン（ΔIEQ）を調整 コア：0.1mm 積層鋼板 磁場勾配~2T/m、通常のQ磁石の1/10、応答時間重視 RQ（高速リップル除去用４極電磁石）　 1kHz以上のリップル除去 コア：積層鋼板or空芯orフェライト 磁場勾配 ~0.2T/m、通常のQ磁石の1/100、応答時間重視 フィードバック装置 DSPによるデジタルフィードバック スピル信号、ビーム強度よりEQ,RQの電流パターンを変更 EPICSによる遠隔操作 ビーム成形 Intensity Spill Time Spill Height = Intensity/Time IEQ リップル除去 Akio Kiyomichi

  3. 機器の配置 Linac • D2電源棟： • Q磁石電源、フィードバック装置 • 中央制御棟： • タイミング、遠隔制御 • Q磁石：アーク部 • ビーム強度モニタ：MRリング中に設置 • スピルモニタ： • ハドロンビームライン真空遮蔽膜に設置 中央制御棟 RCS Q磁石 MR D2電源棟 スピル信号は加速器側とハドロンホール側を仕切る 真空遮蔽膜からの散乱粒子の計測より作る ビーム強度 ロスモニタ ビームダクト 真空遮蔽膜 スピルモニタ ビーム HDホール HD側 MR側 Akio Kiyomichi

  4. 制御部 ゲート信号 DSP ビーム強度信号 スピル信号 フィードバックシステムの構成 LAN PC 取り出しの開始・終了 中央制御棟 通信部 加速器内のビーム残量 取り出した ビームの量 電磁石制御信号 EQ,RQ電磁石 スピルモニタ Akio Kiyomichi

  5. EQ電磁石の仕様 Design of EQ using Tosca Simulation (3D approach) • 中心磁場勾配 2.60 T/m • ターン数 22 Turn/pole • 電流 301 A • 磁場長 0.7m • ボア径160cm • インダクタンス 8.8 mH/m • コイル抵抗 97 m • 電圧1.1 V/A @20 Hz 54 V/A @1000 Hz • 鉄芯材料：0.1mm 積層鋼板 磁場勾配は通常のMR-Q磁石の1/10で応答時間重視 1kHz 程度のリップル除去能力 電磁石２台直列接続（電源１台） • -modulation をキャンセルし、Tune のみ変える Akio Kiyomichi

  6. EQ電磁石の運転パターン • マクロスピル成形時の電流パターン • FT 0.7 sec 、元ビームの分布がガウス型とフラットな場合にスピル制御で予測される電流パターン。極端な２例 Akio Kiyomichi

  7. DSPによるデジタルフィードバックの構成 開発項目 DSPプログラム 入出力部：デジタルI/O、AD変換 通信部：EPICSによる遠隔制御 遠隔制御アプリ：モニタ、パラメータ変更など。 電流パターン 取り出しゲート フィードバック装置 DSP (TI TMS320C6713) MR EQ Timing D-IO E/O O/E D-IO ビーム強度 or モニタ A/D E/O O/E D-IO O/E D/A スピル情報 RQ D-IO E/O O/E D-IO スピルモニタ Amp A/D D-IO or EPICS-IOC (SZ130-SIL) D2ハドロンラック O/E D/A KEK-VME と GP-IO KEK オンラインG開発 LAN 中央制御棟より操作 Akio Kiyomichi

  8. 目標値 差分 ビーム残量信号 制御信号 ゲート信号 取り出し制御アルゴリズム 取り出し時間幅 • KEK-PS運転での運用実績 • 2000年以降：アナログー＞デジタル回路（点線内） • デジタル化によりビーム状態の時間変化に対する最適なゲインの選択が可能となった • J-PARCでは同じアルゴリズムを踏襲、パラメータの最適化を行う gain Filter リップル除去 取り出しビーム信号 スピルモニタ 取り出し電磁石 Akio Kiyomichi

  9. A3 + + R(n) X(n) Y(n) ゲイン ∑ A1 － W(n) A2 α EQ制御演算 ディジタル制御のために、連続時間系(s)で示された伝達関数を Z変換によって離散時間系(z)の関数に変換する アナログEQ制御の伝達関数 離散化 T1：19.1 T2：7.44 T3：1.73 T4：1300 A1：0.76923 A2 ：0.24954 A3 ：0.00052 Akio Kiyomichi

  10. Gainの時分割選択 ビーム残量に応じて最適なgainを選択 gain1選択 gain2選択 gain3選択 gain4選択 gain5選択 プログラムのフローチャート ADCより入力信号 3ch同時取得 max 90% 70% ゲート信号確認 50% 30% min DACへ0 出力 電磁石制御演算 目標値ref(t)算出 誤差値X(n)算出 DACへ電磁石制御信号 出力 Akio Kiyomichi

  11. フィードバック装置試作機（武蔵工大） 正面 Texas Instruments社製DSPボード 平塚エンジニアリング社製拡張インターフェース C6713DSK(下のボード) DSK6713IFA (上のボード) ゲート ビーム強度 RQ スピル EQ 中身 左：擬似信号発生器 右：DSPボード+拡張ボード Akio Kiyomichi

  12. ADC DAC FPGA (PSD, Memory) FPGA (CPU, Linux) Ethernet DSP フィードバック装置開発(Mark-II) ② • DSP board: TMS320C6713 DSK • 高性能32ビット浮動小数点DSP搭載 • プロセッサ性能：2400 MIPS, 1350MFLOPS • AD/DA card: ORS-112 • 16bit x4 ADC 2.5MSPS • 16bit x4 DAC 625kSPS • デジタル I/O: GP-IOからの入出力に利用 • パワースペクトル(PSD)を実時間処理逐次周波数解析の開発 • Network I/O: SUZAKU-S • Ethernet I/O • OS:Linux • EPICSによる遠隔制御に利用 ③ ① Akio Kiyomichi

  13. HIMAC ビーム試験 • 放射線医学総合研究所HIMAC • J-PARCと同じ1/3共鳴の遅い取り出しビームライン • EQに相当する取り出しビーム調整用Q磁石（QDS）が利用可能 • 2007年7月フィードバック装置試作機（Mark-I）のテスト • KEK-PSのアルゴリズム・パラメータを用い、ゲインのみ調整 • マクロスピル成形のみを実施 Akio Kiyomichi

  14. DSPフィードバック QDS(EQ) Input Pattern Beam Intensity Timing Gate Spill スピル測定 QDS(EQ) off QF linear ramping デジタルフィードバックによるビーム成形に成功。 （高周波成分を無視して）フラットなビームを得られた Beam Intensity Spill Smoothing後のスピル Smoothing後のスピル Akio Kiyomichi

  15. スピル周波数解析 QDS(EQ) off DSPフィードバック 高速フーリエ変換(FFT)による周波数解析 • リップル（50Hzとその倍数）とRFノイズ（1.4kHzとその倍数） • 1.4kHzはHIMACのシンクロトロン振動数起源 • 実際の運転では取り出し時にRFをオフにするのでこの成分は現れない • フィードバック時には50Hz,100Hz成分が消えている • QDSのマクロ成形だけでもある程度のリップル除去が可能 • フィルタ処理の追加：次の実験項目 1.4kHz 2.8kHz 600Hz 1200Hz 200Hz 400Hz 100Hz 300Hz 50Hz Akio Kiyomichi

  16. スピル制御関係のスケジュール フィードバックQ磁石、電源 Q磁石、電源設計　　　　　　　　　　H19年度 Q磁石、電源製作　　　　　　　　　　H20年度 Q磁石通電試験、磁場測定　　　　　　H21年春 Q磁石、電源インストール　　　　　　H21年夏 フィードバック制御装置 DSP部試作、動作試験　　　　　　　　Done ＩＯ部・通信部開発　　　　　　　　　H19年度 EPICSアプリ開発　　　　　　　　　　H20年度 フィードバック制御ボード試作・試験、実機製作　-->H20年9月 HIMACにおけるビーム試験： 年に数回マシンタイム取得、各開発タイミングに適宜実施 スピル制御システム スピル測定系準備　　　　　　　　　　-->H20年秋 スピルフィードバックビームコミッショニング開始：H21年10月 遅い取り出し開始：H20年12月、スピル制御ビーム：H21年10月 Akio Kiyomichi

  17. メンバー • 清道、中川、冨澤、佐藤（KEK）　　：スピル制御全般 • 安達、染谷（KEK）　　　　　　　　：電磁石、電源 • 市川、上遠野、持木（武蔵工大）　　：フィードバック装置 • 武藤（KEK）、野田、渋谷（放医研）：実験協力者 Akio Kiyomichi

  18. 予備 Akio Kiyomichi

  19. 概要 高性能32ビット浮動小数点DSP搭載 Xilinx SPARTAN 3 FPGA搭載 CPU TMS320C6713 プロセッサの最高性能 2400 MIPS , 1350 MFLOPS クロック周波数 225 MHz RAMのタイプと容量 8 MバイトSDRAM ブート用フラッシュメモリー 0.5 Mバイト ソフト C、ＣＣＳ（Ｃコンパイラ、アセンブラ、リンカ） DSPボード TMS320C6713 DSK

  20. 入力　４ｃｈ 16 bit [AD9260 x 4] , Up to 2.5 MSPS 4Vpp, 200 Ohm inputs AC or DC coupled inputs 出力　４ｃｈ 16 bit [LTC2602 (2ch 内蔵) x 2] Up to 625kSPS/ch FPGA VartexⅡ1000-4C パワースペクトル(PSD)を実時間処理 内部にメモリを確保 AD/DA ボード ORS-112

  21. FPGAの中にCPUコアを搭載 FPGA ：XC3S1200E-4FG320C CPUコア：MicroBlaze DRAM ： 16MB x 2 フラッシュメモリ： 8MB (SPI) LAN ： 100 BASE-TX / 10 BASE-T OS： μCLinux 2.6 通信用IO ボードSUZAKUSZ130-SIL

  22. DAC FPGA ADC DSP Ethernet SIMM Mark-Ⅲ システム構成 ①マザーボード ②ADCボード　コネクタ接続 ③DACボード　コネクタ接続 ④ドーターボード１（DSPC6713）　コネクタ接続 ⑤ドーターボード２（FPGA SPARTAN3）　コネクタ接続 ⑥メモリ（RAM、SIMM）　一部ソケット接続 ⑦I／Oボード（イーサネット、パラレルtoPC)コネクタ接続 オリジナル品、専用 ① ③ ④ ② ⑦ ⑤ ⑥

  23. GP-IOモジュール • KEK Online Group で開発されているモジュール群 • スピル信号伝搬に使用 • GP-IO • KEK-VME で用いるVME型モジュール • GP-IO2 • 通常のVMEクレートで使えるタイプ。 • 開発はpending。強い要求が無い限り再開されない模様。 • Daughter card • ADC card : • DAC card : • AD/DA card : ADC1ch+DAC1ch 開発中 • Opt card : • D-IO card : 我々の依頼で開発、完成 GP-IO Akio Kiyomichi

  24. 40 pin flat connector GP-IO LVDS D-io card 五十嵐（洋）氏のトラペより • GP-IO daughter card • LVDS (入出力) • 40pin flat connector • 1/2 GND • 3/4 CLK （D-in 側は CLK は GP-IO2 で決められた GCK-pin へ） • 5/6 DATA00 • 7/8 DATA01 • ….. • 19/20 DATA17 • LED x3 • FPGA から制御 Akio Kiyomichi

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