Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13P-41]

PULSE-BY-PULSE VARIATION OF ENERGY SPECTRA ON THE LNS
LINAC
A. Miyamoto*), M. Oyamada, A. Kurihara, K. Shinto, M. Mutoh
Laboratory of Nuclear Science, Tohoku University
1-2-1 Mikamine, Taihaku, Sendai 982-0826, JapanAbstract
The 300MeV Linac at LNS is driven with a maximum repetition rate of 300 Hz generated from the six harmonics ofthe 50Hz electricity power line. We have constructed a new system that measures respective beam energy spectra bydividing pulses into 6 periodic groups. Results suggest differences in 6 energy spectra, are caused by periodic variationof klystron RF power. We tried to stabilize it by applying an external reference voltage for the de’Qing circuits in theklystron pulser.

核理研ライナックにおけるパルスごとのエネルギースペクトルの変化
1.

はじめに1に測定システムの全体構成を示す。このシステムでは、東北大核理研 300MeV ライナックは、電源周波数で6 つのエネルギースペクトルを同時に測定することがである 50Hz を 6 逓倍したトリガによって最大繰り返しきる。

300pps で運転されている。ところが出力ビームは 50Hz

CurrentDigitalOscilloscope

SEMの電源周波数の影響[1]と思われる周期的な変動をもPersonal
Computer

Energyっていることが判ってきた。そこで、ライナックの出力パ

NMR

ルスを 6 パルスの繰り返しごとにそれぞれをグループFrequency
Counter

GP-IBInterface

Pulse Number (Start trigger)
Main
Trigger

分けして、独立にエネルギースペクトルを測定するシス

Analyzer Magnet

PilotMagnet

テムを構築した。

1/6 Trigger

AND

LinacPower
Supply2.

測定システム図1 エネルギースペクトル測定システム

2.1 全体構成
ビームのエネルギースペクトルは、ライナックの分析

2.2 トリガ回路

電磁石系を通過するビームのエネルギーと電荷量を測

核理研ライナックでは 300pps のメイントリガを得るた定することによって得られる[2]。6 パルスごとのグルー

めに 50Hz 3 相交流を用いて、それぞれの相の電圧がプ分けのために専用のトリガ回路を用いる。分析電磁

0V になるタイミングでトリガを出力している。そこでビー石の磁場を連続的に変化させることにより、スリットを通ムを 6 パルスごとにそれぞれグループ分けをするため過するビームのエネルギーを変化させながらビームのに、内部のカウンタにより 300pps メイントリガを 6 分周

電荷量を二次電子モニタ(SEM)を用いて測定する。 図

した基準トリガを発生する「1/6トリガ回路」と呼ばれる回*)A. Miyamoto, 022-743-3436, miyamoto@lns.tohoku.ac.jp−398−

路を制作した。この基準トリガを単相 50Hz 交流の位相ついてビームエネルギーの二乗平均 Erms を式(1)のようと比較することで、パルスの絶対番号を決定することがに定義して、Current [a.u.]できる。またこのトリガ発生回路は商用交流 50Hz を基準とした 1〜6 の番号のついた任意のトリガを、加速トリ6ガとして出力することができる。

542.3 ビームエネルギー
ライナックの分析電磁石系は 2 つの偏向電磁石と 13つの四極電磁石と、エネルギー分散のある位置に置か2れたスリットから構成されている。この分析電磁石系に1196より、通過するビームの中心エネルギーは偏向電磁石

198200202204

Beam Energy [MeV]の磁場で決定され、エネルギー幅はスリットによって制図2 安定化前のエネルギースペクトル限される。

∫ E ⋅ f (E )dE=
∫ f (E )dE∞

エネルギースペクトルを得るためには、スリットを適当なエネルギー幅に開き、偏向電磁石に流れる電流値をErms

連続的に変化させることにより、分析電磁石系を通過

20∞(1)0するビームのエネルギーを連続的に変化させる。このとき偏向電磁石と直列に接続された磁場測定用の電磁E : beam energy

石の磁場を NMR 法により測定することで、ビームエネ

f(E) : measured energy spectra

ルギーを決定する。具体的にはパルス毎に磁場測定

6 つのパルスについて計算すると表 1のようになった。
Pulse No.
123456器の NMR 共振 RF 出力を周波数カウンタで計測し、GP-IB インターフェイスで接続されたコンピュータに保存し、解析時にその周波数からビームエネルギーを算出する。

表1 安定化前のエネルギースペクトルの二乗平均2.4 パルス中の電荷量1 パルスに含まれる電荷量は二次電子モニタ (SEM)を用いて測定する。SEM の出力波形をパルス毎にディジタルオシロスコープを用いて、 GP-IB インターフェイス経由でコンピュータに保存する。測定終了後に保存されたパルス毎の波形を積分することにより、パルスに含まれる電荷量を算出する。

Erms[MeV]
198.80198.83200.01
199.46199.90200.16

この結果をもとに、パルス毎の Erms の標準偏差σ、6つの Erms の最大値と最小値の差∆E、さらにErms の平均値 Emean.を計算すると、
σ = 0.54 [MeV]∆E = 1.35 [MeV]
Emean = 199.53 [MeV]

3.

測定結果

測定結果を図 2に示す。6 つのエネルギースペクトルが大きく分けて 2 つのグループに分かれていることが確認された。
この測定されたスペクトルから、それぞれのパルスにという結果を得た。ビームの平均エネルギーと比較して、最大 0.68%の変動幅を持っていることになる。

4.

安定化

測定結果から、ビームエネルギースペクトルはグループ毎に異なっていることが確認された。これはクライスト

Erms を計算して、さらに標準偏差等を計算すると、Pulse No.
123456ロン出力の周期的変動に起因すると考えられる[3]。クライストロンパルサの de’Q 回路部に入力される基準電圧は、DAC 出力電圧をクライストロン室までの数十 m同軸ケーブルによって輸送されている。クライストロン
室内には様々なノイズが存在しており、de’Q 回路に入力されている電圧にも様々なノイズが存在し、特にErms[MeV]
201.54201.18
201.01201.93201.96202.29

表2 安定化後のエネルギースペクトルの二乗平均50Hz の周波数成分を持つノイズが多く確認された。そこで、電源としてバッテリーを用いた基準電圧を発生す

σ = 0.45 [MeV]る回路をクライストロンパルサの側に設置して、可能な∆E = 1.28 [MeV]

限り短い(~100mm)同軸ケーブルによって接続すること

Emean = 201.65 [MeV]で、ノイズの影響を除くことにした。図 3にクライストロンという結果を得た。∆E/Emean= 0.63%の変動幅を持ってパルサ de’Q 基準電圧として用いた回路を示す。

いることになる。安定化前と比較すると、 σは 82.9%まで減少し、∆E/Emean で比較しても多少安定化の効果が見られた。

0-20kΩ

5.

9V

今後の課題

ライナックの不安定性の原因については、de’Q 基準

11kΩ
ReferenceVoltage

電圧に関連する RF 出力の他にも、RF の位相不安定性など多数考えられる。実際、測定ごとにエネルギースペクトルの形状が大きく変化していくことも確認された。

図3 de’Q 基準電圧回路

さらに、ライナックの調整によってもかなりスペクトルの

核理研ライナックには 5 台のクライストロンパルサが形状変化に影響があることも確認された。今後は de’Q稼働しているが、そのすべての de’Q 回路に上に述べ基準電圧以外の点からも、より一層の安定化を図ってたような安定化を施した基準電圧を入力して測定したいきたいと考えている。

エネルギースペクトルが図 4である。

また、現在のスペクトルの測定システムでは、測定開始から終了まで数分間を必要としており、その間にスペCurrent [a.u.]クトルが変化してしまう可能性がある。そこで、1 つのパ
2ルスでエネルギースペクトルを測定するようなシステムを開発する必要があると考えている。

1

参考文献[1] A. Miyamoto et al., Proceedings of the 12th Symposiumon Accelerator Science and Technology (1999), pp.40.

0[2] 宮本 篤 他, 核理研報告 32 (1999), pp.59.
198200202

204206

Beam Energy [MeV]

図4 安定化後のエネルギースペクトル
この結果をもとに安定化前と同様に表 2に示すような[3] 宮本 篤, 修士論文 東北大学 (2000)