Compact and efficient radio frequency digital feedback control system for accelerator applications

加速器応用のための、コンパクトで効果的なRFデジタルフィードバック制御システム

Cicek, E.*; 二ツ川 健太*; Fang, Z.*; 福井 佑治*; 溝端 仁志*; 大谷 将士*; 近藤 恭弘   ; 森下 卓俊  ; 中沢 雄河*; 佐藤 福克*

Cicek, E.*; Futatsukawa, Kenta*; Fang, Z.*; Fukui, Yuji*; Mizobata, Satoshi*; Otani, Masashi*; Kondo, Yasuhiro; Morishita, Takatoshi; Nakazawa, Yuga*; Sato, Yoshikatsu*

低レベルRF制御システムで用いられるデジタルフィードバック(DFB)系は、加速空洞内でのRF電場の安定化に決定的な役割をはたす。このための、多用途DFBの試作機を、J-PARCの様々なアプリケーションに用いるために開発した。低コストでコンパクトなことが要求仕様を満たすために重要である。本システムでは、FPGAによるデジタル信号処理を用いた。これにより、RFの位相ゆらぎや、振幅の変化を比例-積分フィードバックにより補正する。このシステムはミューオンリニアックの交差櫛形ドリフトチューブリニアック(IH-DTL)空洞の大電力試験で短パルスの試験を行った。また、J-PARCのバンチャー空洞2を用いて長バルスの試験を行った。IH-DTLの試験では、振幅ピーク間で0.25%、位相で0.36の安定度が得られた。バンチャー2では、振幅ピーク間で0.18%、位相で0.13の安定度が得られた。本論文では、このシステムの設計と、大電力試験の詳細を述べる。

The digital feedback (DFB) setup employed in a low-level radio frequency (LLRF) control system is crucial to ensure RF field stability in accelerating cavities. To this end, a novel in-house and multi-purpose prototype DFB setup was developed for multiple applications at the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC). Being efficient, low-cost, and compact is key to achieving a cost-effective system that fulfills the performance specifications. A field-programmable gate array (FPGA)-based design with a digital signal processing (DSP) function is used. This arrangement compensates for RF phase fluctuations and amplitude modulations by employing a proportional and integral (PI) feedback controller. The system was utilized to conduct high-power tests on the interdigital H-mode drift-tube linac (IH-DTL) cavity of a muonlinac for short RF pulses. The setup was also tested on a buncher cavity (Buncher-2) in the J-PARC linac, achieving efficient performance for longer RF pulses. The stability of the RF accelerating field in the IH-DTL was achieved at 0.25% peak-to-peak (pp) in amplitude and 0.36 degree pp in phase. For the Buncher-2, the amplitude stability of 0.18% pp and phase stability of0.13 degree pp were obtained. This study discusses the design aspects of a cost-effective DFB system and reports high-power measurements.