(57)【要約】【課題】  右側電極信号増幅用と左側電極信号増幅用のアンプに温度差を生じさせず、均等な増幅率が得られるビーム位置測定システムを提供する。【解決手段】  少なくとも右側電極２と左側電極３との二つの電極が真空容器内に設けられた静電型ビーム位置モニタ１、この静電型ビーム位置モニタの右側電極からの出力電圧と左側電極からの出力電圧とを個別に増幅する複数の増幅回路、この複数の増幅回路からの出力を受けてビーム位置を演算するビーム位置信号処理回路６を備え、前記右側電極と前記左側電極との間を被測定荷電粒子ビームが通過するように構成され、前記真空容器の外部からの操作により、前記右側電極と前記左側電極とが相対位置を保ったまま、前記被測定荷電粒子ビームの軌道に対して移動が可能なように構成した。【選択図】        図７
2004296450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも右側電極と左側電極との二つの電極が真空容器内に設けられた静電型ビーム位置モニタ、この静電型ビーム位置モニタの右側電極からの出力電圧と左側電極からの出力電圧とを個別に増幅する複数の増幅回路、この複数の増幅回路からの出力を受けてビーム位置を演算するビーム位置信号処理回路を備え、前記右側電極と前記左側電極との間を被測定荷電粒子ビームが通過するように構成され、前記真空容器の外部からの操作により、前記右側電極と前記左側電極とが相対位置を保ったまま、前記被測定荷電粒子ビームの軌道に対して移動が可能なように構成されたことを特徴とするビーム位置測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、医療用、工業用、および、研究の各分野に用いられる荷電粒子ビーム加速装置のビーム位置測定システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１０は、例えばＴｈｅ ８ｔｈ Ｓｙｍｐ．Ｏｎ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９１．Ｓａｉｔａｍａ  Ｊａｐａｎの「ＢＥＡＭ  ＭＯＮＩＴＯＲ  ＯＦ  ＨＩＭＡＣ  ＨＥＡＶＹ−ＩＯＮ  ＳＹＮＣＨＲＯＴＲＯＮ」ｐ．３２２  Ｆｉｇ．７に開示されているような従来のビーム位置測定システムの構成を示すもので、図中、１は右側電極２と左側電極３とを有する静電型ビーム位置モニタであり、図１０は２個の静電型ビーム位置モニタ１が用いられる場合を示している。４ａと４ｃは各静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２の出力であるＲＦ信号を増幅するヘッドアンプ、４ｂと４ｄは左側電極３の出力であるＲＦ信号を増幅するヘッドアンプ、５ａは右側信号用のヘッドアンプ４ａと４ｃとからの出力信号を切り換える切換器、５ｂは左側信号用のヘッドアンプ４ｂと４ｄとからの出力信号を切り換える切換器、６は切換器５ａおよび５ｂで切り換えられた信号を入力して検波とビーム位置演算とを行うビーム位置信号処理回路であり、切換器５ａおよび５ｂは同一静電型ビーム位置モニタ１の出力であるヘッドアンプ４ａと４ｂ、または、４ｃと４ｄとを選択してビーム位置信号処理回路６に供給するように構成されている。
【０００３】
また、図１１は例えばＴｈｅ ７ｔｈ Ｓｙｍｐ．Ｏｎ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙの「ＢＥＡＭ  ＭＯＮＩＴＯＲＳ  ＦＯＲ  ＲＦ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＩＮ  ＴＨＥ  ＳＹＮＣＨＲＯＴＲＯＮ  ＴＡＲＮ−II」ｐ．２１０−２１２の特にＦｉｇ．２に開示された従来のビーム位置モニタ１の電極構造を示す上面断面図と側面断面図であり、右側電極２および左側電極３はそれぞれ電極板７とアース板８とから構成され、それぞれがコの字に形成されており、アース板８を支えるサポート１０と電極板７を支える絶縁サポート１１とを介して真空容器９内にボルトなどにより組み付け固定されている。電極板７とアース板８とは静電容量の電極を構成し、右側電極２と左側電極３との間を荷電粒子ビームが通過することにより、この静電容量にはＲＦ電圧が発生し、このＲＦ電圧は右側電極２用の信号端子１２と左側電極３用の信号端子１３とを介してヘッドアンプなどの信号処理系に出力される。
【０００４】
図１２は、図１０にて示した従来のビーム位置測定システムに使用されていたヘッドアンプ４ａないし４ｄの内、同一静電型ビーム位置モニタ１の出力を増幅するヘッドアンプ４ａと４ｂとで構成される一組の回路構成を示すものである。図中、２ａは静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２の電極板７とアース板８との間に形成される静電容量を示し、３ａは左側電極３による静電容量を示すものである。１４は静電容量２ａおよび３ａに並列接続される各ヘッドアンプ４ａおよび４ｂの入力抵抗、１５は入力抵抗１４の後段に設けられる電界効果トランジスタ、１６は電界効果トランジスタ１５の後段に接続され、外部から制御されて信号を減衰させるアッテネータ、１７はアッテネータ１６の後段に接続されるアンプである。
【０００５】
このような静電型ビーム位置モニタ１とヘッドアンプ４ａないし４ｄとを有して構成される従来のビーム位置測定システムにおいて、静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２と左側電極３との間を荷電粒子ビームが通過すると、各電極２および３が形成する静電容量、すなわち、図１２の静電容量２ａおよび３ａには荷電粒子ビームの電荷量と通過位置とに依存する電荷量が蓄積され、ヘッドアンプ４ａおよび４ｂの入力端子、つまり、入力抵抗１４の非接地側にはこの電荷量に比例した電圧が入力される。この入力電圧はＲＦ信号電圧であり、電界効果トランジスタ１５により低インピーダンスに変換されると共に増幅され、増幅された信号電圧はアッテネータ１６を介してアンプ１７に入力され、増幅されて切換器５ａおよび５ｂに出力される。また、静電型ビーム位置モニタ１からの入力電圧が過大の場合にはアンプ１７が飽和状態となり、入力電圧に対応した出力電圧が得られなくなるため、オペレータが外部からアッテネータ１６を制御して信号電圧を減衰させ、アンプ１７に対する入力電圧を適正化する。
【０００６】
このようにして出力されるヘッドアンプ４ａないし４ｄの出力信号は図１０に示すように切換器５ａおよび５ｂに入力され、同一静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２と左側電極３とからの信号、すなわち、ヘッドアンプ４ａと４ｂ、または、４ｃと４ｄの出力信号が選択されてビーム位置信号処理回路６に与えられる。ビーム位置信号処理回路６では右側電極２からの信号電圧の振幅ＶＲと左側電極３からの信号電圧の振幅ＶＬとを検出し、
ΔＲ＝（ＶＲ−ＶＬ）／（ＶＲ＋ＶＬ）
を演算する。静電容量２ａおよび３ａに蓄積される電荷量の総和、従って上記の式の分母は荷電粒子ビームの電荷量に比例するが通過位置には依存せず、静電容量２ａおよび３ａのそれぞれの電荷量は荷電粒子ビームの通過位置により変わるため、静電型ビーム位置モニタ１の中心をＸ＝０として中心からのずれをΔＸとすれば、上記の式のΔＲはΔＸに比例することになり、ΔＲの演算により荷電粒子ビームの通過位置が測定できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のビーム位置測定システムでは以上のようにして荷電粒子ビームの通過位置を測定するが、測定上に様々な課題を有している。まずその第一は、ヘッドアンプ４ａないし４ｄは内容的には同一構成であるのでそれぞれが一つの製品として個別の筐体に収納されており、温度により増幅度が変化しやすい電界効果トランジスタ１５を使用しているため、例えばヘッドアンプ４ａと４ｂとの各筐体の内部温度に温度差が生じた場合にはそれぞれの増幅率の比が変化し、荷電粒子ビーム通過位置の測定に誤差が発生して高い精度が得られない。また、第二の課題は、静電型ビーム位置モニタ１からの入力電圧が過大の場合にはオペレータがアッテネータ１６の減衰率を操作する必要があり、ヘッドアンプ４ａと４ｂの減衰率を等価にする必要性があるために測定時の操作が煩雑になると共に、操作のための図示しない外部制御機器のＩ／Ｏ点数が増加し、外部制御機器が高価なものになることである。
【０００８】
さらに、従来の静電型ビーム位置モニタ１は図１１に示すように、電極板７とアース板８とが真空容器９内においてボルトなどで固定されており、両者間の間隔すなわち図１２の静電容量２ａと３ａとは真空容器９を分解しなければ再調整ができない構造になっていた。そして、電極板７は絶縁サポート１１を介して組み付けられており、絶縁サポート１１はセラミックなどの絶縁材にて構成されるため、電極板７の組み付けにあたってはボルトなどの締め付けトルクには限界があり、輸送中の振動や径年変化による枯れなどのためにボルトの緩みが発生し易く、静電容量が変化してビーム位置の測定精度が劣化するという問題があった。
このために静電容量の再調整が必要となるが、再調整には真空容器９を分解せねばならず、調整、再組立、真空引きなどに煩雑な作業と大きな労力とを必要とするばかりでなく、真空容器９を大気開放することにより水分や異物の付着が起こり、再組立後の真空特性を劣化させるというのが第三の課題である。
【０００９】
さらにまた、このようなビーム位置測定システムでは測定データと実際のビーム位置との更正を行う必要があり、実際のビーム中心位置座標を横軸に、ビーム位置モニタの信号から算出されるビーム中心位置を縦軸にとると原点付近ではほぼ一次関数になり、この一次関数の傾きは感度係数と呼ばれる。この感度係数は例えばＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ１３２ ＰＰ  ３２６５ー３２６９（１９９３）の図３に示されているように、ビーム位置モニタの設置されている場所におけるビームサイズに依存することが知られており、従って、正確なビーム中心位置を測定するためには正確なビームサイズを知り、感度係数を知る必要があるというのが第四の課題である。また、第五の課題は、ビーム軌道の傾きを測定する場合には、最低２個所でビーム中心、または、ビームプロファイルを測定し、これらのデータから傾きを算出する必要があるということであり、このために複数のビーム位置モニタを必要とするということである。
【００１０】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、右側電極の信号を増幅するヘッドアンプと左側電極の信号を増幅するヘッドアンプとに温度差を生じさせず、均等な増幅率が得られるようにし、ヘッドアンプ内においてビーム位置モニタからの入力電圧により増幅率を自動制御して操作の容易化を図り、高精度な荷電粒子ビーム位置の測定を可能にすると共に、電極板とアース板との間に形成される静電容量の径年変化などを真空容器を分解することなく外部から調整することを可能にし、また、感度係数の測定を容易としてビームサイズに依存しないビーム位置の測定や、ビーム軌道の傾きを１台の静電型ビームモニタで測定することが可能なビーム位置測定システムを得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係わるビーム位置測定システムは、少なくとも右側電極と左側電極との二つの電極が真空容器内に設けられた静電型ビーム位置モニタと、この静電型ビーム位置モニタの右側電極からの出力電圧と左側電極からの出力電圧とを個別に増幅する複数の増幅回路と、この複数の増幅回路からの出力を受けてビーム位置を演算するビーム位置信号処理回路とを備え、右側電極と左側電極との間を被測定荷電粒子ビームが通過するように構成され、真空容器の外部からの操作により、右側電極と左側電極とが相対位置を保ったまま、被測定荷電粒子ビームの軌道に対して移動が可能なように構成したものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明のビーム位置測定システムによれば次のような効果を得ることができる。すなわち、図１の構成によれば、静電型ビーム位置モニタの右側電極の信号を増幅する増幅回路と左側電極の信号を増幅する増幅回路とを同一筐体内に収納するようにしたので、ビーム位置をモニタ中に雰囲気温度の変動があっても両増幅回路には温度差が生じず、増幅率の比を一定に保つことができてビーム位置測定に誤差を生じることがない。また、図２および図３の構成によれば、右側電極の信号を増幅する電圧制御アンプのＲＦ信号電圧の出力と左側電極の信号を増幅する電圧制御アンプのＲＦ信号電圧の出力とを加算し、加算されたＲＦ信号電圧とレファレンス電圧との差電圧を各電圧制御アンプの制御電圧入力端子に制御電圧としてフィードバックし、オートゲインコントロールを構成したので、入力電圧によりオペレータがゲイン操作を行う必要がなく、精度の高い測定ができ、アッテネータなどが不要となって操作が容易で安価なビーム位置測定システムを得ることができる。
【００１３】
さらに、図４の構成によれば、オートゲインコントロールの応答性を加速装置のバンチング完了までの時間より小さく設定したので、アンプ類の寿命を延長することが可能になると共に、測定時間の短縮を可能とすることができ、図５および図６の構成によれば、電極板とアース板とで形成される静電容量をモニタしながら外部より調整できるようにしたので、調整作業が容易となると共に、真空容器の真空特性の劣化を回避することができ、実施の形態１の構成によれば、荷電粒子ビームの測定中に電極位置を移動させて測定対象の荷電粒子ビームサイズによる感度係数が求められるようにしたので、従来装置のようにビームサイズを予め求めておくことなくビームの中心位置が精度良く測定でき、図９の構成によれば、ビーム位置モニタの中心線を傾けて感度特性を計測できるようにしたので、１台のビーム位置モニタにより荷電粒子ビームの軌跡の傾きの測定が可能になるなど、優れたビーム位置測定システムを得ることができるものである。
【００１４】
図１は、この発明のベースとなるビーム位置測定システムの構成を示すもので、上記従来例の図１０との同一部分には同一符号が付与されている。図において、１は右側電極２と左側電極３を持つ静電型ビーム位置モニタであり、図は２個の静電型ビーム位置モニタ１が用いられる場合を示し、また、図１には図示しないが、従来例の図１１にて説明したように各電極２および３はそれぞれ電極板とアース板とにより構成され、この電極板とアース板とで静電容量を形成している。１８はそれぞれの静電型ビーム位置モニタ１に対応して設けられるヘッドアンプで、それぞれ右側電極２の出力信号を増幅する増幅回路１８ａと左側電極３の出力信号を増幅する増幅回路１８ｂとが同一筐体内に収納されている。５ａはこれらの複数のヘッドアンプ１８の右側電極２用の増幅回路１８ａからの出力信号を切り換える切換器、５ｂは複数のヘッドアンプ１８の左側信号用の増幅回路１８ｂからの出力信号を切り換える切換器、６は切換器５ａおよび５ｂで切り換えられた信号を入力し、検波とビーム位置演算とを行うビーム位置信号処理回路である。
【００１５】
それぞれの静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２の信号は各ヘッドアンプ１８の増幅回路１８ａに入力され、また、左側電極３の信号は各ヘッドアンプ１８の増幅回路１８ｂに入力される。各増幅回路１８ａにて増幅された右側電極２の信号は切換器５ａに、また、各増幅回路１８ｂにて増幅された左側電極３の信号は切換器５ｂに出力され、切換器５ａと５ｂとは同一静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２の信号と左側電極３の信号とを選択してビーム位置信号処理回路６に出力し、ビーム位置が演算される。
【００１６】
図１に示すビーム位置測定システムにおいては、上記のように、同一静電型ビーム位置モニタ１の信号を増幅する右側信号用の増幅回路１８ａと左側信号用の増幅回路１８ｂとが一つのヘッドアンプ１８として同一筐体内に収納されるようにしたので、ビーム位置をモニタ中に雰囲気温度の変動があっても両増幅回路１８ａおよび１８ｂには温度差が生じず、増幅率の比を一定に保つことができ、ビーム位置測定時に温度差により生じる測定誤差を回避することができる。なお、温度により増幅度が変化しやすい電界効果トランジスタを同一筐体内で接近、または、接着して設けるようにすればさらに効果的である。
【００１７】
図２は、ビーム位置測定システムのヘッドアンプ１８の構成の一例を示すものであり、上記従来例の図１２との同一部分には同一符号が付与されている。図において、２ａは静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２の電極板とアース板とで構成される静電容量、３ａは同じく左側電極３の電極板とアース板とで構成される静電容量、１４ａは右側電極２の出力信号を増幅する増幅回路１８ａの入力抵抗、１４ｂは左側電極３の出力信号を増幅する増幅回路１８ｂの入力抵抗、１５ａと１５ｂとは入力抵抗１４ａと１４ｂの後段に設けられる電界効果トランジスタ、１９ａと１９ｂとは電界効果トランジスタ１５ａと１５ｂの後段に接続される電圧制御アンプ、２０ａと２０ｂとは電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの後段に設けられるバッファアンプである。
【００１８】
また、２１は増幅回路１８ａの電圧制御アンプ１９ａが出力するＲＦ信号電圧と増幅回路１８ｂの電圧制御アンプ１９ｂが出力するＲＦ信号電圧とを加算する加算器、２２は加算されたＲＦ信号電圧を検波する検波器、２３は検波されたＲＦ信号電圧を平滑するフィルタで、検波器２２とフィルタ２３とで加算されたＲＦ信号電圧が直流化される。２４はレファレンス電圧を出力するレファレンス電源、２５はフィルタ２３が出力する電圧からレファレンス電圧を減算する減算器であり、減算器２５の出力は制御電圧として増幅回路１８ａの電圧制御アンプ１９ａと増幅回路１８ｂの電圧制御アンプ１９ｂの各制御電圧入力端子（ＶＧＣ端子）にフィードバックされる。
【００１９】
このように構成された図２のビーム位置測定システムのヘッドアンプにおいて、右側電極２の出力信号と左側電極３の出力信号とはＲＦ信号であり、このＲＦ信号はそれぞれ増幅回路１８ａの電界効果トランジスタ１５ａと増幅回路１８ｂの電界効果トランジスタ１５ｂとに入力され、低インピーダンスに変換されて増幅回路１８ａの電圧制御アンプ１９ａと増幅回路１８ｂの電圧制御アンプ１９ｂとに入力される。電圧制御アンプ１９ａが出力するＲＦ信号電圧と電圧制御アンプ１９ｂが出力するＲＦ信号電圧とは加算器２１にて加算され、加算されたＲＦ信号電圧は検波器２２とフィルタ２３とにより、加算されたＲＦ信号電圧の振幅に比例した直流電圧に変換され、この直流電圧とレファレンス電源２４のレファレンス電圧とが減算器２５により減算されて差電圧が各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの制御電圧入力端子に制御電圧としてフィードバック（負帰還）される。
【００２０】
このフィードバックループはオートゲインコントロール（以下ＡＧＣと称す）として機能するものであり、減算器２５が出力する差電圧、すなわち、制御電圧により各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂとの増幅率が制御される。この制御電圧は加算されたＲＦ信号電圧が大きいほど大となり、各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの増幅率を低下させるため、各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂが出力するＲＦ信号電圧は所定の値に収斂することになる。このために制御電圧も所定値に収斂することになり、フィルタ２３の電圧とレファレンス電圧とが等しくなるときに平衡状態になる。そして、電圧制御アンプ１９ａの出力するＲＦ信号電圧と１９ｂの出力するＲＦ信号電圧とはバッファアンプ２０ａと２０ｂとを介して図１に示した切換器５ａと５ｂとに出力される。
【００２１】
このように、図２のビーム位置測定システムによれば、各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの増幅率がＡＧＣの機能により自動制御されるので、従来例のように静電型ビーム位置モニタ１からの入力電圧の条件によってオペレータが操作を行う必要がなく、アッテネータやその制御の機能が不要になるため、操作が容易で安価なビーム位置測定システムを得ることができるものである。また、各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの制御電圧入力端子に加えられる制御電圧は同一値であるので、各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの増幅率は同一となり、ビーム位置を演算する式
ΔＲ＝（ＶＲ−ＶＬ）／（ＶＲ＋ＶＬ）
の条件は満足されると共に、高精度のビーム位置測定が可能になるものである。
【００２２】
図３は、ビーム位置測定システムのヘッドアンプの構成の一例を示すもので、この例は、図２のヘッドアンプの構成に対してフィードバックループの構成を変更したものである。図において、２２ａは電圧制御アンプ１９ａが出力するＲＦ信号電圧を検波する検波器、２２ｂは電圧制御アンプ１９ｂが出力するＲＦ信号電圧を検波する検波器、２１は検波器２２ａと２２ｂとにより検波され直流化された両信号電圧を加算する加算器、２３は加算された両信号電圧を平滑するフィルタ、２５はフィルタ２３の出力する加算された直流電圧とレファレンス電源２４からのレファレンス電圧とを減算する減算器であり、減算器２５により減算された差電圧が電圧制御アンプ１９ａと電圧制御アンプ１９ｂの制御電圧入力端子に制御電圧としてフィードバックされるように構成されている。
【００２３】
このように構成された図３のビーム位置測定システムのヘッドアンプにおいて、検波器２２ａは電圧制御アンプ１９ａが出力するＲＦ信号電圧を検波して右側電極２のＲＦ信号電圧の振幅に比例した直流電圧を出力し、検波器２２ｂは電圧制御アンプ１９ｂが出力するＲＦ信号電圧を検波して左側電極３のＲＦ信号電圧の振幅に比例した直流電圧を出力し、この両直流電圧が加算器２１により加算される。静電型ビーム位置モニタ１からヘッドアンプ１８に入力されるＲＦ信号電圧は、例えば右側電極２から増幅回路１８ａまでのケーブル長さと、左側電極３から増幅回路１８ｂまでのケーブル長さとに差がある場合、電圧制御アンプ１９ａと１９ｂとから出力されるＲＦ信号電圧には微妙な位相差が生じ、これらの信号電圧を加算した場合には、加算値が両信号電圧の振幅の加算値とは若干異なるものになってしまう。図３の例では以上のように、両ＲＦ信号電圧が検波されて直流電圧化された後に加算するようにしたため、両ＲＦ信号電圧に位相差があってもこれに影響されることがなく、正確な両信号電圧の振幅の加算値が得られ、ビーム位置の測定精度を高めることができると共に、図２と同様な効果を得ることができるものである。
【００２４】
図４は、ビーム位置測定システムの動作を説明する特性図であり、この例は、図２および図３のＡＧＣの応答性を規定するものである。図の特性２６は増幅回路１８ａあるいは１８ｂに入力されるＲＦ信号電圧の振幅がステップ状に増大すると仮定したときの関数を示す特性であり、特性２７は増幅回路１８ａあるいは１８ｂに特性２６を持つＲＦ信号電圧が入力された場合の制御電圧の応答性τａｇｃを示すものである。特性２８は荷電粒子ビームが加速装置であるシンクロトロンに入射された直後の荷電粒子ビーム電流の波形を示し、特性２９はシンクロトロンのＲＦ加速電界により荷電粒子がバンチングされ、バンチングが完了した時点での荷電粒子ビーム電流の波形を示すものである。特性３０は荷電粒子ビームがシンクロトロンに入射されてからバンチングが完了するまでの間に増幅回路１８ａあるいは１８ｂに入力されるＲＦ信号電圧の振幅の時間に対する関数を示し、特性３１は特性３０に示したＲＦ信号電圧が増幅回路１８ａあるいは１８ｂに入力された場合の電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの制御電圧の応答の状態を示すものである。
【００２５】
制御電圧の応答性τａｇｃは、増幅回路１８ａあるいは１８ｂに振幅がステップ状に増大する電圧が入力されたときの電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの制御電圧の立ち下がり時間である。荷電粒子ビームがシンクロトロンに入射されてからバンチングが完了するまでの時間を特性３０に示したτｂｕｎｃｈとすると、τａｇｃがτｂｕｎｃｈより長い場合には増幅回路１８ａあるいは１８ｂに入力されるＲＦ信号電圧の振幅の増大にＡＧＣの動作が追従できず、一時的に電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの増幅率が大きくなりすぎて電圧制御アンプ１９ａと１９ｂ、および、バッファアンプ２０ａと２０ｂとが飽和してしまうことになる。一度飽和状態となればＡＧＣが平衡状態となっても電圧制御アンプ１９ａと１９ｂ、および、バッファアンプ２０ａと２０ｂの回復には時間がかかり、出力信号は不安定となってしまう。
【００２６】
この例はこのような状態を避けるために、τａｇｃをτｂｕｎｃｈより短くするか、または、同等に設定するようにしたものである。このように設定することにより、荷電粒子がシンクロトロンに入射されてからバンチングが完了するまでの間の、ヘッドアンプに入力されるＲＦ信号電圧の振幅の増大にＡＧＣが追従することができ、電圧制御アンプ１９ａと１９ｂ、および、バッファアンプ２０ａと２０ｂの飽和を回避することができるので、これらのアンプ類の寿命を延長することができ、アンプ類の飽和からの回復を待つことなくビーム位置の測定ができるもので、測定時間の短縮が可能なビーム位置測定システムを得ることができるものである。
【００２７】
図５は、ビーム位置測定システムに使用される静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す上面断面図と側面断面図であり、図中、上記従来例の図１１と同一部分には同一符号が付与されている。図において、２は右側電極、３は左側電極であり、各電極２および３は図の側面断面図に示すように電極板７とアース板８とから構成され、真空容器９内にアース板８を支えるサポート１０と電極板７を支える絶縁サポート１１とを介してボルト３２により組み付けられている。３３は可変容量コンデンサであり、セラミックなどにより封止された真空導入端子３４を通じて電極板７と真空容器９（アース板８と同電位）との間に接続され、真空容器９の外部に設けられている。電極板７とアース板８との間に発生する電圧は、右側電極２用の信号端子１２と左側電極３用の信号端子１３とを介して外部の信号処理系であるヘッドアンプ１８に出力される。
【００２８】
このように構成された静電型ビーム位置モニタにおいて、荷電粒子ビームが真空容器９の右側電極２と左側電極３との間を通過すると、各電極２および３の電極板７には荷電粒子とは反対極性の電荷が蓄積され、また、アース板８には電極板７とは逆極性の電荷が蓄積される。右側電極２と左側電極３とでは荷電粒子ビームの位置により蓄積される電荷量が変わり、右側電極２に蓄積される電荷量をＱＲ、左側電極３に蓄積される電荷量をＱＬとし、右側電極２の静電容量をＣＲ、左側電極３の静電容量をＣＬとすると、右側電極２用の信号端子１２と左側電３用の信号端子１３とには、この電荷量をそれぞれの静電容量で除した値の電圧、すなわち、右側電極２用の信号端子１２には、ＶＲ＝ＱＲ／ＣＲが、左側電極３用の信号端子１３には、ＶＬ＝ＱＬ／ＣＬが出力されて各増幅回路１８ａと１８ｂとに供給され、前記の式
ΔＲ＝（ＶＲ−ＶＬ）／（ＶＲ＋ＶＬ）
によりビーム位置が測定される。
【００２９】
このようにビーム位置を測定する場合、それぞれの電極２および３の静電容量ＣＲとＣＬとは値を一致させておく必要があるが、輸送中の振動や径年変化によるボルト３２の緩みなどにより、電極板７とアース板８との間隔が変化すれば、静電容量の値も変化してビーム位置の測定に誤差を生ずることになる。図５の静電型ビーム位置モニタでは上記のように、電極板７に真空導入端子３４を通じて真空容器９の外部に可変容量コンデンサ３３を接続したので、真空導入端子３４にて静電容量の値をモニタしながら真空容器９の外部から可変容量コンデンサ３３を操作して各電極の静電容量を微調整することができ、従来例のような分解による調整が不要となり、煩雑な作業と、水分や異物の付着による真空特性の劣化とを回避することが可能になるものである。
【００３０】
図６は、ビーム位置測定システムに使用される静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す上面断面図と側面断面図である。図において、２は右側電極、３は左側電極であり、各電極２および３は図の側面断面図に示すように電極板７とアース板８とから構成され、アース板８はサポート１０を介して真空容器９内に組み付けられ、電極板７は絶縁スペーサ３５と固定用ナット３６とにより直線導入機３７の先端に取り付けられている。直線導入機３７は真空容器９内の真空を保持した状態で真空容器９内の電極板７を外部より手動ないしは電動により直線的に移動できるように構成されている。
【００３１】
以上のように構成された図６のビーム位置測定システムに使用される静電型ビーム位置モニタにおいても、図５の場合と同様に、真空容器９を分解することなく各電極２および３の静電容量の調整ができるものであり、調整は信号端子１２と１３とにより静電容量をモニタしながら直線導入機３７を操作し、電極板７を移動させてアース板８との間隔を調整することにより達成でき、図５と同様の効果を得ることができるものである。なおこの例では電極板７を移動させたが、アース板８を移動させても同様の効果が得られるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
実施の形態１．
図７は、この発明の実施の形態１のビーム位置測定システムに使用される静電型ビーム位置モニタの構成を示す上面断面図と正面断面図、図８はこの実施の形態の動作を説明する特性図である。図において、９は真空容器、３８は真空容器９内に、荷電粒子ビームの軌道に対して移動可能に保持される方形管、３９は方形管３８を荷電粒子ビームの軌道に対して移動させる駆動装置、４０は駆動装置３９と方形管３８とをつなぐ連結桿、４１は荷電粒子ビームの断面、４２は荷電粒子ビームの中心であり、方形管３８の内部には電極板７とアース板８とが絶縁サポート１１とサポート１０とを介して取り付けられ、右側電極２と左側電極３とを形成している。
【００３３】
このように構成された静電型ビーム位置モニタにより荷電粒子ビームの位置を測定するとき、荷電粒子ビームの中心位置４２が時間的に変化しないものとすると、駆動装置３９により方形管３８を荷電粒子ビームの軌道に対して移動させることにより、右側電極２と左側電極３とが相対位置を保ったまま移動するので、前に示した式、ΔＲ＝（ＶＲ−ＶＬ）／（ＶＲ＋ＶＬ）のΔＲが変化することになる。このΔＲと方形管３８の位置、従って、電極２および３の位置との関係を示したのが図８の白点の特性である。この特性を直線とみなし、傾斜を感度係数とし、異なる荷電粒子ビームサイズ４１で同様の測定をすれば、例えば図８の黒点の特性が得られる。この両感度係数の差は荷電粒子ビームサイズ４１の差で生じるものであるが、この実施の形態のビーム位置モニタでは、このようにしてビームサイズ４１により感度係数が変わっても、感度係数を容易に測定することができるので、測定対象の荷電粒子ビームの感度係数を測定することにより、従来装置のようにビームサイズを予め求めておくことなく、簡単にビームの中心位置の測定を行うことができるものである。
【００３４】
図９は、ビーム位置測定システムに使用される静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す上面断面図と正面断面図であり、この例は、１台のビーム位置モニタにより荷電粒子ビームの傾きの測定を可能にするものである。図において、９は真空容器、３８は真空容器９内に荷電粒子ビームの軌道に対して左右に移動可能に保持される方形管、４３は方形管３８の荷電粒子ビームの軌道に対する傾きを調整する駆動装置、４０は駆動装置４３と方形管３８とをつなぐ連結桿、４１は荷電粒子ビームの断面、４２は荷電粒子ビームの中心、４４はビーム位置モニタの中心線であり、方形管３８の内部には電極板７ａとアース板８ａとが絶縁サポート１１とサポート１０とを介して取り付けられ、右側電極２ｂと左側電極３ｂとを形成している。この実施の形態の電極２ｂおよび３ｂは上記の各実施の形態とは異なり、各電極の電極板７ａ間に形成される隙間がビーム位置モニタの中心線４４とは平行に設けられている。
【００３５】
このように構成された静電型ビーム位置モニタにより荷電粒子ビームの傾きを測定するとき、荷電粒子ビームの中心位置４２と軌道の傾きとが時間的に変化しないものとすると、駆動装置４３によりビーム位置モニタの中心線４４の荷電粒子ビームの軌道に対する傾きを変えて実施の形態１で説明した感度係数を測定し、感度係数が最大になる傾き角を計測する。ビーム位置モニタの中心線４４の傾きと荷電粒子ビームの軌道の傾きとが一致した場合にこの感度係数が最大となるため、このときのビーム位置モニタの中心線４４の傾きθを求めることにより、従来装置のように複数のビーム位置モニタを使用することなく、１台の静電型ビーム位置モニタによりビームの傾きの計測が可能になるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明のベースとなるビーム位置測定システムの構成を示す構成図である。
【図２】この発明のビーム位置測定システムに使用するヘッドアンプの一例を示す構成図である。
【図３】この発明のビーム位置測定システムに使用するヘッドアンプの一例を示す構成図である。
【図４】図２および図３のビーム位置測定システムの動作を説明する特性図である。
【図５】この発明のビーム位置測定システムに使用する静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す断面図である。
【図６】この発明のビーム位置測定システムに使用する静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態１のビーム位置測定システムに使用する静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態１の静電型ビーム位置モニタの動作を説明する特性図である。
【図９】この発明のビーム位置測定システムに使用する静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す断面図である。
【図１０】従来のビーム位置測定システムの構成を示す構成図である。
【図１１】従来の静電型ビーム位置モニタの構成を示す断面図である。
【図１２】従来のビーム位置測定システムに使用するヘッドアンプの構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  静電型ビーム位置モニタ、  ２  右側電極、  ３  左側電極、
２ａ、３ａ  静電容量、  ５ａ、５ｂ  切換器、  ６  ビーム位置信号処理回路、
７  電極板、  ８  アース板、  ９  真空容器、  １０  サポート、
１１  絶縁サポート、  １２、１３  信号端子、  １４ａ、１４ｂ  入力抵抗、
１５ａ、１５ｂ  電界効果トランジスタ、  １８  ヘッドアンプ、
１８ａ、１８ｂ  増幅回路、  １９ａ、１９ｂ  電圧制御アンプ、
２０ａ、２０ｂ  バッファアンプ、  ２１  加算機、  ２２ａ、２２ｂ  検波器、
２３  フィルタ、  ２４  レファレンス電源、  ２５  減算器、
３３  可変容量コンデンサ、  ３４  真空導入端子、  ３５  絶縁スペーサ、
３７  直線導入機、  ３８  方形管、  ３９  駆動装置、  ４０  連結桿、
４１  荷電粒子ビームの断面、  ４２  荷電粒子ビームの中心、  ４３  駆動装置、
４４  ビーム位置モニタの中心線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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