SARAFフェーズII向けマイクロTCAデジタイザBPM設計の状況

当社が解決する課題：粒子加速器において最も重要なモニタリングシステムの一つがビームポジションモニター（BPM）です。BPMの主な目的は、加速器ラインに沿ったビームの位置、位相、および電流に関する正確かつリアルタイムの情報を提供することです。

なぜ重要なのか： CEA Saclayは、SARAF-LINACフェーズIIにおける全てのビーム診断システム、特にBPM（ビーム位置モニター）の提供を担当しています。CEAの技術仕様に基づき、SAFRAN ELECTRONICS & DEFENSE SPAIN S.L.Uが、本電子システムの設計、開発、製造、試験を担当しています。このシステムの試作版はすでに2022年初頭にイスラエルのSARAF加速器に設置されており、ここで紹介するのはその初期試験結果です。

解決方法：
当社のマイクロTCA（uTCA）技術に基づくデジタルBPM（ビーム位置モニタリング）システムは、加速空洞区間で定義されるXY平面上のビーム位置を高精度で測定します。このシステムは、粒子加速器を構成する空洞のコミッショニングおよび運転において、極めて重要な役割を果たします。位置測定に加え、BPMシステムを通じてビームの広がり（スプレッド）、電流、および飛行時間（TOF: Time of Flight）も正確に測定可能です。当社のソリューションは顧客のニーズに最適化されており、最新のクレート技術と連携するPCIe-S BPM機器に関する豊富な知見を最大限に活用しています。

ソフトウェアアーキテクチャ:

本ソリューションには、制御システムが含まれており、ハードウェアに統合されたEPICS（Experimental Physics and Industrial Control System）により、最大2台のBPMセンサーおよび8チャンネルのRF信号の制御が可能です。SoC（System-on-Chip）の採用により、FPGAとプロセッサシステム（PS）間の通信は高速かつ容易に行われます。さらに、Ethernetポートを通じてEPICSのIOCと外部システム間の通信が行われ、ユーザーインターフェースを介した容易なアクセスが可能です。

制御システムとしてのEPICS（asynPortDriver、データベース、PV、自動保存など）

FPGA/ARM通信用の統合ライブラリ（AXIベース）

完全な機能を備えた2つのBPM IOC

測定されたシステムパフォーマンス:

176MHzにおける位置と位相の精度

測定範囲：精度の高い位置および平均位相、-75 dBmから-65 dBmまで（応答時間<60μs）

ビームコミッショニング

BPMはコミッショニング段階における主要なツールであり、各リバンチャー（RB）推定後のビームエネルギーに用いられています。具体的には、下流に設置された2台のBPM間の飛行時間（ToF）差を測定することで行われます。

その上

・ダイナミックレンジ：[-75, 0] dBm

・位置精度<25マイクロ秒

・位相精度< 0.1°

• 位置、位相、電流に関するアラーム機能（応答時間<2マイクロ秒）。

・位置精度<250マイクロ秒

・位相精度<1°

*これらの性能値は、受信信号レベルが-75dBmの際の最悪の場合を示しています。

選ばれる理由: Safranは世界各地で数多くの最先端課題に取り組み、最も要求の厳しい科学施設に対して、業界最高水準かつ革新的なソリューションを提供しています。当社は、正確なサブナノ秒の時間転送および周波数分配技術において世界的に高い評価を受けており、粒子加速器向けの高度な制御システムに関する豊富な専門知識も有しています。当社は世界各地で数々の画期的な研究プロジェクトに取り組んでおり、高度な技術を必要とする最先端の科学施設向けに、最高レベルの革新的なソリューションを提供しています。