Beam Position Monitor system for Super KEKB

KEKB Monitor GroupM.Tejima

考慮するべきガイドライン

• 予算の制約 現状のエレクトロにクスと同軸ケーブ⇨ルを最大限使用。

• 測定性能は現状維持。（精度：数ミクロン、繰返し時間　３〜４秒）

• ビーム強度増加対策 ボタン電極の径を小さくする⇨ことで対応。

• 真空フィードスルーコネクタの検討‥‥コネクタの電気的接触の安定化。 SMA コネクタの検討

Super-KEKB の大電流に対応するために

大電流ビーム2.6A ---> 9.4A

現状の回路はビーム電流 2.6A までプログラマブルアッテネータで対応している。固定アッテネータを追加？

⇩ボタン電極の直径を小さくする

12mm-->6mmフィードスルーを通過する信号電力が下がり KEKB と同じで安全

⇩出力信号電圧が下がる。

１ / ４測定性能の下限が上がる４倍のビーム電流で KEKB と同程度

ボタン電極の信号スペクトル (1)KEKB-LERbpm の場合

• ChamberD=94mm• ButtonD=12mm• BunchL=5mm• BunchN=5000• TotalCur.=2.6[A]• Eta=.041

Total Power=0.8Watt

KEKB_power spectrum

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

0 10 20 30 40 50

Frequency[GHz]

Power[dBm]

Power[dBm] TrPower[dBm]

KEKB Vspectrum

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 10 20 30 40 50

Voltage

ボタン電極の信号スペクトル (2)SKEKB-LERbpm の場合

• ChamberD=94mm• ButtonD=6mm• BunchL=3mm• BunchN=5000• TotalCur.=9.4[A]• Eta=.02

TotalPower=1.2Watt

Vspectrum[V]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 10 20 30 40 50

SuperKEKB_Power spectrum

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

0 10 20 30 40 50

Frequency[GHz]

Power[dBm]

Power[dBm] TrPower[dBm]

ボタン電極の信号スペクトル (3)KEKB-OCTOPOS の場合

• ChamberD=52mm• ButtonD=6mm• BunchL=5mm• BunchN=5000• BunchS=1[bucket]• TotalCu=2.6[A]• Eta=.037• Cable=100m• Capacitance2.0E-12• Beam 位置 (8, 0) の時

最もビームに近い電極

Total Power=1.5watt

OCTOPOS Vspectrum

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 10 20 30 40 50

Frequency{GHz]

Vout

@ 8mm

OCTOPOS Power specrum

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

0 10 20 30 40 50

Frequency[GHz]

Power[dBm]

Power[dBm] TrPower[dBm]

Total Power[Watt]

Button electrode

Cable Loss Electronics

KEKB(LER)

Beam 2.6A0.798watt 0.789watt 0.009watt

Super-KEKB

(LER φ6mm)

Beam 9.4A

1.17watt 1.16watt 0.009watt

Super-KEKB

(LER φ12mm)

Beam 9.4A

15.7watt 15.67watt 0.029watt

Power at 1GHz to Electronics100m cable (200m cable)

Beam 20mA 30mA2.6A(KEKB)

9.4A(SKEKB)

KEKB-39.0 dBm

(-49.0)

-27.0dBm

(-37.0)

3.5dBm

(-6.5)

Super

KEKB

-51.1dBm

(-61.1)

-39.1dBm

(-49.1)

2.3dBm

(-7.7)

Optics correction は　 80mA 前後

508MHz 検波の場合は数 dB 信号 Power が下がる。

One-Pass detectorSuper KEKB のボタン電極

直径　 12mm ----> 6mm

信号レベルは 1/4 （ -12dB)に

測定可能な最低電荷

KEKB 0.3nC SKEKB 1.2nC⇨

10nC ≒1mA/bunch

KEKB と super KEKB との比較

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

-90 -70 -50 -30 -10

Input[dBm] KEKB

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Bunch charge[nC] Super KEKB

Output VResolution

(1.0) (10.0)(0.1)

(Bunch charge[nC])

(0.4) (4.0) (40.0)

BPM ブロック＆ボタン電極• 直径は　 12mm --> 6mm• フィードスルーは、 SMA コネクタ male-type

現在 OCTOPOS で使用中のものを改良• ロウ付けはやめて、フランジ接続で取り付け

Skew Q 　 bpm で実施利点は工期短縮、交換可能

• キャリブレーション– ベンチテストは電極の高圧試験（絶縁抵抗の確認）

Beam mapping による Gain 補正で対応多項式係数はモデルに基ずく

– BPM 測量は最初の COD 測定に必要（ BBA によるオフセット測定はビーム蓄積後）

OCTOPOS bpmSuper KEKB

• ChamberD=52mm• ButtonD=3mm• BunchL=3mm• BunchN=5000• BunchS=1[Bucket]• TotalCu=9.4[A]• Eta=.018• Cable=100m• Capacitance2.0E-12• Beam 位置 (8, 0) の時

最もビームに近い電極

Total Power=2.34wattボタン径　 3mm以下

OCTOPOS Vspectrum

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 10 20 30 40 50Frequency[GHz]

OCTOPOS Power Spectrum

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

0 10 20 30 40 50

Frequency[GHz]

Max Power[dBm] MaxTRPower[dBm]

ケーブル

• ４芯同軸 再利用⇨• ５ D 波形ケーブル 再利用⇨• 側室のケーブル 再利用⇨• セミリジドケーブル 新作⇨Female コネクタ、対放射線セミリドケーブルの開発

PEEK……信号ロスが大きい、 KEKB では問題無し無機質……信号ロス小さい、絶縁不良トラブル？

検出回路、制御回路• 全て再利用• 半導体の寿命が心配されるが未知数

予備品は１側室分確保• VXI main frame の寿命が最も心配⇨予備品を確保• VXI-MXI-1 と VME-MXI -1 は製造中止

予備品は数セットVXI-MXI-2 と VME-MXI -2 に置換える置き換える時は１側室全部（６台）

• Up-convertor(508-->1017MHz) for Ante-chamber230台

BPM 固定

• 固定設置するべきBPM チェンバーの微小振動の影響を無視できないSpring-8 では 20Hzから 200Hz ,磁場を乱す影響

• 振動を押さえた上で固定設置しない場合– BPM の変位を測定して、 (X,Y)オフセットを補正– 現在衝突点付近で使っている、静電容量 Gap セ

ンサーを採用する。– 測定精度について実際にテストする必要あり

性能まとめ

高調波検波 BPM

• 検波周波 508/1017MHz• 測定電流 30mA以上• 分解能 数 m以下• 再現性 20m以下• 相対精度 100m以下• 測定時間 4 秒以下• バンチ数　 Multi-bunc

h

ワン・パス BPM

• 検波周波数　 250MHz• 測定電流　 0.128 〜 mA/bun

ch• 分解能　 0.1 〜 0.5mm• 測定時間　 Turn by Turn• バンチ数　 Single bunch

今後の課題• SMA型ボタン電極の Mode 確認の上、試作

• セミリジドケーブルの選択

• VXI後、次世代信号処理回路の検討508MHz 検波モジュールの開発と合わせて

• e/p 位相検出モジュールの開発（目標　 0. 1deg ）OCTOPOS の測定誤差対策