Simulations of beam loading compensation in a wideband accelerating cavity using a circuit simulator including a LLRF feedback control

LLRFフィードバック制御まで含めた広帯域加速空胴でのビームローディング補償の回路シミュレータによるシミュレーション

田村 文彦   ; 山本 昌亘   ; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 大森 千広*; 島田 太平 ; 野村 昌弘  ; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; 古澤 将司*

Tamura, Fumihiko; Yamamoto, Masanobu; Sugiyama, Yasuyuki*; Yoshii, Masahito*; Omori, Chihiro*; Shimada, Taihei; Nomura, Masahiro; Hasegawa, Katsushi*; Hara, Keigo*; Furusawa, Masashi*

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では高加速電圧の発生のために金属磁性体空胴が採用されている。真空管アンプで駆動される空胴は広帯域であるため、周回周波数の整数倍の周波数成分の電圧がビームによって誘起される。その影響を相殺(ビームローディング補償)するために、真空管は複数の周波数成分を持つ電圧を発生させ、誘起電圧を打ち消す必要がある。真空管の動作およびビームローディング補償を解析するために、回路の解析に広く使われているLTspiceを用いた回路モデルを構築した。モデルは空胴, アンプ, ビーム電流, 低電力高周波(LLRF)電圧制御を含む。電圧制御はさまざまなデジタル回路を含んでおり、この発表ではLTspiceでのデジタルLLRF電圧制御の回路モデル実装の詳細について述べるとともに、ビーム試験での電圧波形との比較を行っている。シミュレーション結果は比較的よく実際の電圧波形を再現した。

Magnetic alloy cavities are employed in the J-PARC RCS to generate high accelerating voltages. The cavity, which is driven by a vacuum tube amplifier, has a wideband frequency response and the beam loading in the cavity is multiharmonic. Therefore, the tube must generate a multiharmonic output current. An LTspice circuit model is developed to analyze the vacuum tube operation and the compensation of the multiharmonic beam loading. The model includes the cavity, tube amplifier, beam current, and LLRF feedback control. The feedback control consists of the I/Q demodulator including low pass filters, PI control, and I/Q modulator. In this presentation, we present the implementation of the LLRF functions in the LTspice simulations. The preliminary simulation results are also presented. The simulations fairly agree with the beam test results.