第20回 加速器学会年会

非破壊型大電流ビームモニタの開発及び性能評価
2023/08/31

株式会社 日立製作所 研究開発グループ
脱炭素エネルギーイノベーションセンタ 電磁応用システム研究部○足利 沙希子, 永嶋 和也, 青木孝道, 関孝義© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

背景・目的・ 産業/医療利用の中性子源では、大電流イオンビームが必要- 日立製作所では100ｍA級の単孔連続波(CW) イオン源を開発→ 適用製品：BNCT用加速器(40mA)・研究用加速器(~100mA)・ 大電流CWビーム(30mA≦)対応の測定器が必要- ビームサイズ・エミッタンス・Twissパラメタ等の測定

自社開発のECRイオン源➔破壊型測定では機器発熱・帯電が問題【研究目的】
低エネルギー輸送系(LEBT)でのビーム測定・監視-“非破壊型”ビームモニタ開発◎機器発熱・帯電なし◎下流の加速器運転と両立可能© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

2非破壊型大電流ビームモニタ
＠大電流加速器のLEBT・低真空・大電流

ビーム空間分布取得

軌道上に強い蛍光が発生☑エミッタンス☑中心位置☑サイズ(=エンベロープ𝜎𝑦 (𝑧))

残留ガス
ビームyxz

蛍光からビーム分布を取得
ビーム進行方向を含む2D測定“軌道に沿ったビームの変化を検出”

ビーム進行方向ビューポートCMOSカメラエネルギーレベルエンベロープ方程式の解 𝝈𝒚 𝒛 𝐬𝐨𝐥
で測定データをフィット𝒅𝟐𝝐𝟐
𝜿
𝝈𝒚 (𝒛) =+𝟐𝟑𝒅𝒛
𝝈𝒚 (𝒛)
𝟒𝝈𝒚 (𝒛)𝜿 : パービアンス
𝝐 : エミッタンス☑Twissパラメタ
𝜷 𝒛 = 𝝈𝒚 (𝒛)𝟐 /𝝐

励起

y ビーム中心脱励起

ビームパラメタ取得

xz

エンベロープ𝟏 𝒅𝜶(𝒛) = −𝜷(𝒛)𝟐 𝒅𝒛© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

3モニタ試験【試験項目】【試験体系】 ガス導入口

乾燥空気1.モニタ機能実証スリット+FC

H+ビーム

・モニタによるビーム情報取得-ビームサイズ(エンベロープ)-エミッタンス・Twissパラメタ
・スリットスキャン法の結果との比較

イオン源
ビューポートRF源x
PC

CMOSカメラz

2. モニタ性能評価

試験チャンバ内部の様子

測定条件

・要求性能
-シグナル/ノイズ(S/N)≧1-ビームサイズ測定精度≦0.2mm
・電流・真空度依存性を評価→ LEBT環境での実用性を調査-真空度~1 × 10−3 Pa-ビーム電流 30 mA≦

ガス導入口※比較測定のためパルス運転
FC

ビーム(30keV H+ )

yx

ダンプ

z

電流

18 - 32 mA

パルス長

200 msduty

10％

真空(× 10−3 Pa)

1.5 – 10.2

モニタ露光時間30 s© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

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モニタ校正・ノイズ棄却【モニタ校正】【ノイズ棄却】

ビーム軌道上に校正用ボードを設置

・バックグランド
ビームONデータ

ビームOFFデータ120 mm

55 mm

5 mm

-=5 mm画像解析でスリット線を検出

・センサノイズmedian+smoothfiltering
ゴマ塩ノイズ画像の1pixelに対応する長さを計測
47um/pixel© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

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ビーム軌道上の蛍光取得撮影したビーム蛍光画像

ビームの鉛直方向分布(ビーム電流値27mA, 真空度1.52 × 10−3 Pa)
slit + FC

ビーム進行方向y [mm]

本モニタ

10mm

intensity[a.u]y

比較測定位置xz

y [mm]◎測定したビーム分布はスリットとファラデーカップによる測定結果と一致➔ 軌道上の蛍光の分布からビーム形状を検出可能◎画像データによりビームの振る舞いを直感的に理解可能© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

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ビームエンベロープ検出2456 pixels

2054 pixels

ビーム中心𝟐𝟎𝟓𝟒< 𝒚 >𝒋 = ෍yizj

信号強度𝑴𝒊𝒋

ビームサイズyx𝒊=𝟏𝟐𝟎𝟓𝟒

𝑴𝒊𝒋 𝒚𝒊 ൘෍𝒊=𝟏𝟐𝟐𝟎𝟓𝟒

𝝈𝒚𝒋 =෍𝒊=𝟏𝑴𝒊𝒋𝟐𝟎𝟓𝟒

𝑴𝒊𝒋 𝒚𝒊 −< 𝒚 >𝒋 ൘෍𝒊=𝟏𝑴𝒊𝒋

𝑴 ：画像データ行列(2456x2054)

z

ビームエンベロープ[mm]◎エンベロープの検出に成功◎自由空間中でビームが発散する様子を観測
ビーム進行方向z [mm]© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

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ビームエミッタンスの評価
理論式によりエンベロープデータをフィットしエミッタンスを評価
エンベロープ方程式
𝜅 : パービアンス𝒅𝟐𝝐𝟐𝜿
𝝈 (𝒛) =+𝒅𝒛𝟐 𝒚𝝈𝒚 (𝒛)𝟑 𝟒𝝈𝒚 (𝒛)𝜖:エミッタンスビームエンベロープ[mm]パービアンス 𝜅 = 1.12 × 10−5

測定データ
フィット結果エミッタンス𝜖 = 11.71𝜋 𝑚𝑚 𝑚𝑟𝑎𝑑.
⇔スリットスキャン法による比較測定値:
12.12 𝜋 𝑚𝑚 𝑚𝑟𝑎𝑑.
ビーム進行方向

一般的な測定手法と4.5 %の精度で一致
z [mm]© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

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Twissパラメタの評価取得したエンベロープ関数𝜎𝑦 (z)・エミッタンスよりTwissパラメタ(𝛼 𝑧 , 𝛽 𝑧 )を評価
𝜷 𝒛 = 𝝈𝒚𝟏 𝒅𝜶(𝒛) = −𝜷(𝒛)𝟐 𝒅𝒛

𝒛 𝟐 /𝝐𝛼(𝑧)

𝛽(𝑧)
本モニタ
スリットスキャン法

本モニタ
スリットスキャン法

スリット法による測定結果と𝛽 𝑧 6.7%、 𝛼 𝑧 1.7％の精度で一致”エンベロープ検出に基づくビームパラメタの非破壊測定を実証“© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

9モニタ性能評価方法 -signal/noisesignal/noise = (beam on時の信号強度の平均) /(beam off 時の信号の分散)
Signal 評価
Noise 評価
beam on 時の信号

位置z = 𝑧𝑗

beam off 時の信号

data
gaussian fit
信号強度

実用上はCWビームの測定を想定※今回duty10%のパルスビームを使用

信号分散=noise

信号強度平均x10＝signal© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

10モニタ性能評価方法 –ビームサイズ測定精度𝟐𝟐𝟒𝟓𝟔

測定精度

𝝈𝐞𝐫𝐫 =

෍ 𝝈𝒚 (𝒛𝒋 )𝒔𝒐𝒍 − 𝝈𝒚𝒋

𝝈𝒚 (𝒛𝒋 ) :エンベロープ方程式の解
𝝈𝒚𝒋

𝒋=𝟏

:測定データFit残差の分布
ビームエンベロープ[mm]
測定データ
フィット結果残差𝑑𝑦𝑗

z [mm]

残差𝑑𝑦𝑗© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

11モニタ性能評価結果【signal/noiseの環境依存性】
真空度依存性@ビーム27mA
signal/noise

電流値依存性@真空度1.5 × 10−3 Pasignal/noise
性能達成電流11mA ≦性能達成真空度1.0 × 10−4 Pa ≦測定データ
フィット結果1測定データフィット結果1

真空度[× 10−3 Pa]

ビーム電流[mA]【ビームサイズ測定精度】◎全測定条件で測定精度≦8４umを達成- モニタ校正の結果47um/pixel ⇒測定精度にカメラ画素数及び測定距離が影響© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

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モニタによる測定が可能な条件モニタが要求性能を満たすチャンバ真空度・ビーム電流領域
ビーム電流[mA]50

要求性能-シグナル/ノイズ(S/N)≧1-ビームサイズ測定精度≦0.2mm

LEBT環境4030

モニタで測定可能な領域

2010

試験で決定した測定限界条件
00.0

2.0

4.0

6.0

◎大電流加速器のLEBTでのビーム測定・監視を実現

8.0

10.0
真空度[× 10−3 Pa]© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

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まとめ
＊ 日立製作所では100ｍA級の単孔連続波(CW) イオン源を開発➔ 大電流ビーム測定に特化したモニタの開発が必要不可欠＊非破壊型大電流ビームプロファイルモニタを開発
・30keV H + ビームによるモニタ試験- ビーム分布・エミッタンス・Twissパラメタ測定➔ スリットスキャン法による測定と５％前後の精度で一致- モニタ性能のビーム電流・真空度依存性を評価➔ 真空度1.0 × 10−4 Pa、電流11mA以上の条件でビーム検出可能＊中性子源用大電流加速器のLEBTに適用可能なモニタを実現© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

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ビームサイズ測定結果
各測定条件におけるRMSビームサイズ

真空度依存性

ビーム電流値依存性

ビームサイズ[mm]ビームサイズ[mm]slit + FC
本モニタ

slit + FC
本モニタ
真空度[× 10−3 Pa]

ビーム電流[mA]© Hitachi, Ltd. 2023. All rights reserved.

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