筑波（日本）にある研究機関KEKでは、ハイエネルギー粒子加速器の開発と改良に取り組んでいます。KEKの主要な研究設備の一つである加速器試験施設（ATF）は、国際リニアコライダー（ILC）プロジェクトのための研究拠点として構築されています。ATFには、1.29 GeVのエネルギーを持つリニア加速器、ビーム輸送ライン、減衰リング、引出しライン、最終集束ビームラインが含まれており、これら各セクション間でのビームの電荷密度と伝送の測定には7台の積分電流トランス（ICT）が使用されています。
以前のICT信号データ収集システムは、1 μsのゲート幅を持つ12ビットのCAMACモジュールを使用しており、この仕組みは解像度の制約やノイズの増加を招いていました。ICT信号の持続時間は150 nsと短く、このゲート幅の不一致がバックグラウンドノイズの蓄積を引き起こし、測定精度を低下させ、信号に偽の振動を生じさせていました。また、CAMACモジュールは負極性信号しか受け付けないため、信号を反転させるトランスや、反転後に信号を増幅する装置が必要で、これらの追加工程によって測定誤差が3%（RMS）にまで達していました。
これらの問題を解決し、測定精度を向上させるため、新たにRedPitaya STEMlab 125-14 FPGAボードを基盤とするアプローチが導入されました。このボードは、システムオンチップ（SoC）、2チャンネルの14ビットADCおよびDAC（サンプリングレート125 MS/s）、および追加の12ビットADC（100 kSa/s）を搭載しています。集積されたクロックジェネレータがSoCと周辺チップに供給されるため、RedPitaya STEMlab 125-14はICT信号のピーク値の測定と統合が可能で、不要な信号部分のインバージョンや統合を回避できます。
RedPitayaを基盤とした信号処理プロセスには、RFアンプ、ローパスフィルター、およびインピーダンス整合回路が含まれており、信号損失のない正確な測定が実現されています。アンプは伝送中の信号減衰を補正し、フィルターはノイズを除去し、整合回路は入力と出力のインピーダンスを均等化することで正確なデジタル化を可能にします。RedPitaya STEMlab 125-14のADC入力に送られた信号はリアルタイムで統合とデジタルフィルタリングが行われ、動的バックグラウンドの減算によりビーム電荷の精度評価が向上します。
実験データにより、精度の向上が確認されました。新システムでは、以前の3.5%（RMS）から1.6%（RMS）にまでジッターが低減されました。グラフ上では、CAMACによる測定値は0.48·10^10電子までの変動を示しましたが、RedPitayaを使用した測定では0.44-0.42·10^10電子の範囲に安定しました。また、ドリフトや変動が見られないことからも、ノイズの大幅な減少が証明されています。ジッターの低減と動的なバックグラウンドフィルタリングにより、ビーム調整の精度が向上し、ATFのパフォーマンス改善に貢献しています。
このように、RedPitaya STEMlab 125-14 FPGAボードを用いたDAQシステムのアップグレードにより、測定精度が向上しただけでなく、多数の補助プロセスを省くことができました。これにより、システムは簡素化され、信頼性と精度が向上し、国際リニアコライダーに向けた研究と開発に新たな可能性が開かれています。
本プロジェクトにおいて、KEK ATFでのICT信号データ収集システムのアップグレードのために、弊社MiraiTechicsはRedPitaya機器の供給を行いました。MiraiTechicsが提供したRedPitaya STEMlab 125-14はICT信号取得の精度向上に寄与し、本プロジェクトの成功に重要な役割を果たしました。