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アーク電流$$Delta$$$$Sigma$$フィードバック制御によるJ-PARCイオン源ビームの安定化

Beam stabilization of the J-PARC ion source by ARC current $$Delta$$$$Sigma$$ feedback control

大越 清紀; 伊藤 雄一; 上野 彰; 小栗 英知

Okoshi, Kiyonori; Ito, Yuichi; Ueno, Akira; Oguri, Hidetomo

J-PARC負水素イオン源は、六ホウ化ランタン製フィラメントを使用したアーク放電駆動型を採用している。メンテナンス直後のイオン源は、フィラメント表面の相対的に温度の低い部分にボロンが付着して急激にアークインピーダンスが増大する。その結果、アーク電流が減少し、ビーム強度の減少を招く。ビーム強度安定化のためにはアーク電流を一定に保つことが有効であるが、J-PARC利用運転開始当初は、アーク電流を一定に保つために1時間に数回程度のフィラメント電流調整が必要であり、イオン源オペレータの負担が大きかった。このためアーク電流を一定に保つフィードバック(FB)プログラムを作成し、2010年11月より実装した。このプログラムでは、フィラメント電圧をアーク電流の測定値が設定値に一致するように制御する機能を有する。最初に作成した単純なFBでは、フィラメント制御電圧の分解能(0.01V)が不十分なのが原因でアーク電流は鋸波状に変化(約$$pm$$1.1%)し、それに伴いビーム電流も変動していた。この変動を軽減させるための改善策として、$$Delta$$$$Sigma$$変調方式をFBプログラムに取り入れた。$$Delta$$$$Sigma$$変調によりフィラメント電圧分解能による量子化誤差を時間方向にも分散させた結果、オペレータのフィラメント電圧調整操作を行わなくてもアーク電流変動を約$$pm$$0.2%まで安定させることに成功し、オペレータの負担を大幅に軽減することができた。

The negative hydrogen ion source driven by an arc discharge with a lanthanum hexaboride (LaB$$_{6}$$) filament is under operation for the J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex). In order to minimize the beam loss in the J-PARC, especially in the 50 GeV-MR (Main Ring), the allowable beam fluctuation of the ion source is very low ($$pm$$ 0.3 mA). On the other hand, the arc impedance is always changing due to the accumulation of boron on the low temperature surface of the filament and the exhaustion of the filament itself. The rather rapid increase of the arc impedance is produced by the former reason for a few days after the start-up of the overhauled ion source operation. Since the arc voltage is set to a constant value, basically the beam current is stabilized by keeping the arc current, that is arc impedance. Therefore, a control program simply negative-feedbacking the difference between the measured arc current and the setting one to the setting of the filament voltage was used at first. However, the beam current fluctuation by the feedback was not negligible to minimize the beam loss at the MR due to the insufficient setting resolution of the filament voltage (0.01 V). Therefore, the $$Delta$$$$Sigma$$ feedback system was installed into the program, in order to keep the arc current more precisely. The arc current fluctuation was reduced from about $$pm$$ 0.6 % to $$pm$$ 0.2 % by the improved feedback system. Consequently, the beam current fluctuation was successfully reduced to within about $$pm$$0.1 mA.

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