入管理を必要とする区域）と一般区域の境界にビームロスモニター

Fig. 1 の様なモニターを設置し、平均的なビームロスを測定している（mSv/h）。KEK では、国の1. ビームロスモニターの目的

法律で定められた値よりも厳しい基準（法令値の加速器の運転では、ビームの状態を常にモニタ1/2～1/10）で管理しており、単位時間内にそのレーし異常が起きた場合にすぐ反応しなければなベルを超えた場合はビーム入射を停止する。そのらない。ここでいう異常とは、機器の故障やビーため測定に必要な時間スケールは秒～時間単位

ム不安定性が原因となって、軌道異常やビームサで、絶対値の較正が重要である。通常我々の使うイズ増大、ビーム振動等が起こり、期待されるビビームロスモニターは MPS としての役割が大きーム状態と異なる状態になることを指す。加速器

いが、PPS のバックアップ的な役割も果たす。

では常にある程度のビームロスは起こっているが、異常時には通常では見られない量や分布のビームロスが起こり、期待していた運転性能を保持することが出来なくなる。ひどいときには機器に損傷を与え、長期的運転にも被害を及ぼすことがある。そのため、異常が発生した場合には、出来るだけ早く検知して、対応することが重要である。
大きなビームロスが起こると、加速器の外部に放射線をまき散らすことになり、人間の被ばくも起こる。運転時だけでなく、加速器運転停止時に加速器トンネル内に入域した際に、運転時に放射化した機器からの放射線被ばくも起こり得る。ビームロスを検知して警報を出す目的には、加速器・検出器のハードウェアを守る MPS (machineFig.1 中性子測定用 6.5cm 厚ポリエチレン減速protection system) と、人間に対する被害を抑え材付き He-3 比例計数管（左）及び光子測定用る PPS (personnel protection system)の両方があ10 リットル空気電離箱（右）る。
KEK の PPS は加速器運転の安全システムとして、放射線管理センターと連携した、加速器運転とは独立に扱われる監視システムがある[1]。
KEK の加速器群は地下の厚いコンクリート製の遮蔽体トンネル内に設置され、加速器が稼働したときに発生する種々の放射線や放射能を閉じこめる役目を果たしているが、加速器の運転状況によっては、発生する放射線の中でも透過力の大きい中性子やγ線が、遮蔽体の外側にごくわずかに透過してくる場合がある。放射線集中監視システ
ムは、放射線や放射能が問題とならない基準以下であることを常時監視し、安全に万全を期している。放射線管理区域（放射線のレベルが有り、出ハドロン加速器や大電流加速器は、MPS として、ビームの不安定性やハードウェアトラブルが起こった際に、加速器・検出器のハードウェアに損傷を及ぼす前にビームを捨てる「ビームアボートシステム」を備えている。加速器の各機器は自分自身を守るためのインターロックシステムからアボートシステムにトリガー信号を送るが、それとは別にリング全周をモニターするためにビームロスモニター(BLM) を設置している。特にロスを検知しやすい場所には重点的に設置し、問題が起きた場合すぐにアボートトリガーを出せるようにしている。何度もビームがぶつかると機８－ 1

器損傷のリスクはそれだけ高くなるので、時間スケールは数ターン（µs～ms）と非常に速い。
BLM は、ビームの状態に敏感なため、被害を抑えるだけでなく、入射パラメータや衝突パラメータを変更する際の反応を見ることで、ビーム性能向上のための調整にも使用することが出来る。

2. ビームロスモニターの原理
真空チェンバー中を周回中に失われたビームは、チェンバーの壁や電磁石などを通り抜ける際

Fig. 2 シンチレーションカウンターの原理にシャワーを起こす。これらの粒子（放射線）を測定するために真空チェンバーの外に設置したセンサーが、ビームロスモニター（BLM）である[2,3]。シャワーによって出てきた粒子数は、ロスしたビームに比例しているはずだが、絶対値はセンサーの位置や大きさに依存するため、BLM の信号から、ロスしたビームの絶対値を正確に出すことは難しいが、シミュレーションや各種較正から必要な値を出すことは出来る。また、定常運転時にも一定のビームロスは起きているので、BLMの値を常にモニターすることで、定性的な運転状態の監視も行うことができる。BLM として使用されるセンサーには、シンチレーションカウンタ
ー、ダイヤモンドや PIN フォトダイオード（PD）といった半導体検出器、イオンチェンバー、光フFig.3 PIN フォトダイオードの原理ァイバー等がある。
シンチレーションカウンターの原理を、Fig. 2に示す。電磁シャワーによって発生した荷電粒子

半導体は伝導帯に伝導電子が存在しないためはシンチレーターに入射した時のエネルギーに電圧をかけても電流は流れないが、価電子帯のエよって、価電子帯の電子を伝導帯に押し上げ、価ネルギーレベルにある電子にエネルギーを与え電子帯には正孔が出来る。電子と正孔が自由運動て、その電子を伝導帯のエネルギーレベルにバンした結果、再度電子が価電子帯に落ち込む時に、ドギャップを超えて励起させると、電圧をかける余分なエネルギーがシンチレーション光としてことで電流が流れる。そこで半導体材料に放射線放出される。このシンチレーション光を光電子増が入射するとエネルギーが与えられることを利倍管（PMT）や PD で読み出し、電気信号として用した検出器が半導体検出器である。BLM とし取り出す。シンチレーターとして使われる物質には、NaI、CsI、YAG、アルミナ蛍光板等様々な種てよく使われるようになってきたものに、ダイヤモンドがある[4]。UV から測定可能（5.5 eV, 220

類があるが、反応時間、検出したい粒子（電子、nm）で、放射線耐性が強い、ノイズレベルが低く、γ線、中性子）、エネルギーなどを考慮して、それ暗電流も小さく、測定速度もナノ秒オーダーと長ぞれの加速器の目的に適したものを選ぶと良い。

所が多いが価格が高い。安価な PIN PD は、P 型半導体・I 型半導体・N 型半導体を接合したもの

８－ 2で、粒子が入射すると絶縁性 I 型半導体で電子正孔ペアが出来る。その後、電子は N へ、正孔は Pへ移動することで電流が流れる。材質にはシリコ

3. SuperKEKB のビームロスモニター
3.1. SuperKEKBンやゲルマニウムなどがあり、検出に使用する光

SuperKEKB は、Table 1 のパラメータを持つの波長（バンドギャップ＜光の波長のエネルギ

高ルミノシティを得るための大電流衝突型加速ー）、量子効率、暗電流（光の入射が無い時にフォ器である[5]。ビーム電流を最高 2.6A（電子：HER）

トダイオードを流れる電流）が異なるため、必要と 3.6A（陽電子：LER）まで入射する。ビーム電に応じて選択する。

流が高くなると共に、寿命も短くなるため、ビー

イオンチェンバーは、ガスを封入したチェンバ

ム不安定性によるビームロスが起こった場合、加ーに電場をかけたもので、荷電粒子が通り抜けた速器機器が受ける損傷は大きくなる。大電流から際にガスを電離する。生成されたイオン電子ペア

加速器・検出器のハードウェアを守るため、ビーはそれぞれ負電極と正電極に集められ、電気信号ムの不安定性やハードウェアトラブルが起こっを発生する。チェンバーを長くすることにより、た時に素早くビームをダンプするアボートシス

広い範囲のロスの検出が可能である。N,Ar,テム[6]を整備している。

Xe, 空気など、中に封入するガスによって、検出
Table1 : SuperKEKB の主なパラメータできる粒子のエネルギーや検出速度が異なる。

Parameter

LERHERDRunit

Energy

4.0

7.0

1.1

GeV

No. of bunches

2500

4Circumference

3016

135.5

Max.

3.6

2.60.07

A

Emittance (h)

3.2

4.6

42.5

nm

Emittance (v)8.64

12.93150pm

Bunch length

6.0

5.0

6.53mmβx/βy at IP

32/25/0.27

0.30

storedcurrent

Fig.4 光ファイバーの原理[3]Luminosity

8x1035cm-2s-1

RF frequency

509

MHz

光ファイバーを使う BLM は、ビームロスによる荷電粒子が光ファイバー中を通る時に発するチェレンコフ光を両端に取り付けた PMT 等の光検出器で読み出す。Figure 4 で示す通り、出てきた信号をオシロスコープで観測し、上流と下流の信号の時間差を取ることで、ビームロスの位置を計算することが出来る。
コア径が 400～800µm と細いので真空チェンバーに直接取り付けることが出来る。また長距離にわたって設置できるため、細かい位置分解能が得られる。

Fig.5 SuperKEKB リング

８－ 3mm3.2. アボートシステム

れているため最長で 5µs 、CCR からキッカーまリングを周回しているビームを蹴り出してダンプに捨てるためのアボートキッカーは、Fig. 6にある通り複数の磁石から成り立っている。傾斜を持った垂直方向電磁石、水平方向電磁石、ランバートソン DC セプタム電磁石、及び LER はパルス 4 極電磁石、HER は 6 極電磁石から成る。
アボートの所要時間は、ビームの 1 周回時間に相当する 10µs 以内でなければならない。ビームバンチは 2ns を単位とした間隔で入射されているで送る時間（400m）2µs 、キッカーに届いてからサイラトロンが ON になるまで 1μs、キッカー立ち上がりに 200ns かかるので、t3 – t2 は 3~8 µsかかる。最後に全ビームを捨てるのに 10µs かかるので、t1 を仮に 2µs とした場合アボートにかかる時間は 17~30µs になる。つまり、どんなに異常察知が速くともビームを捨て終わるまでに 2,3ターンは周回してしまい、t1 が遅くなればなるほど異常な状態でビームが周回し続ける事になる。

が、正しくアボートするために、キッカーの立ち上がりに必要な 200ns 間はバケットが空になっており、このビームギャップタイミングとキッカータイミングを正しく合わせることは重要であFig.6 SuperKEKB Abort Kickerる。
BLM を含むハードウェアからのアボートトリガー信号は、SuperKEKB 加速器の 12 か所のローカル制御室（LCR）にいったん集約される。光信号に変換された各 LCR からの信号、ソフトウ
ェア的なアボートトリガー、手動アボートトリガー信号を中央制御室で集約した後、アボートギャップと同期したトリガー信号を生成し、アボートキッカーに送る[7]。

Fig.7 アボートトリガー信号

実際に異常が起こってから全ビームがアボートされるまでの時間を示したのが Fig.8 である。
異常が起こった時刻を０として、各センサーが反応してインターロック信号を出した時刻を t1、
CCR で信号を受けとった時刻を t2、アボートキッカーがファイヤした時刻を t3、ビームがすべて捨てられた時刻を t4 とする。t1 は各センサーの反応速度、センサーから LCR までの距離、センサーからの信号を解析してトリガー信号を作る回路内での時間等に依存する。t2 - t1 は主に LCR

Fig.8 アボートトリガー所要時間

から CCR までの光ケーブルの長さに依存し、CCR から遠い BelleII 検出器付近の LCR からは10µs 、CCR に近い LCR からは 2µs と実測され3.3. ロスモニターている。ここまでで集約されたアボートリクエス

特に異常ビームによる損傷が心配される機器

ト信号と、ビームの周回信号を同期させ、アボーにとって、アボートトリガーが高速である必要性

トギャップの位置でアボートキッカーを立ち上は理解できることと思う。また、SuperKEKB のがらせる信号を作るが、 出来るだけ速くアボー様な 3km という広い加速器リングのどこで異常トするためアボートギャップを１周に２か所入が発生してもそれを感知しなければならない。そ８－ 4

こで SuperKEKB では BLM として、イオンチェ入力される。応答速度は入力インピーダンス 2kΩ

ンバーと PIN PD の 2 種類のセンサーをトンネルとケーブル容量で決まるため、ケーブルが長いほ内各所に約 150 個配置している[8]。
イオンチェンバーの断面図を Fig. 9 に示してど遅くなる。周長 3km のリングの 4 か所にあるLCR 及び BelleII 検出器のある IR で信号を集約いるが、20D の中空同軸ケーブル（FC-20D-S）

しているため、ケーブル長は数 10m から 400m にで外部導体にノイズフィルターを通して 200V の及ぶ。積分回路の後ろにコンパレータ回路を入れ電圧をかけ、内部導体でプラスイオンを収集するて設定閾値を超えるとアボートトリガーを出す

ことで電流が流れる。特にガスを封入していない様にしている。また、分岐したピークホールド回空気イオンチェンバーであるため、200V の電圧路には 1s の放電時間を持たせて、モニターのたに対してイオンのドリフト時間は 1km/sec 程度めの ADC に入力する。PIN PD はビームロスをで、反応時間は 1ms 程度である。この信号を検出した後１ターン（10µs）内でトリガーを出す

Fig.10 の積分回路で読み出す。運転条件に応じてことが可能である。また、真空チェンバーに直接10ms~1s の積分時間と、１倍/10 倍/100 倍（場所取り付けているため、HER と LER のどちらのリによっては 1000 倍）の倍率の選択が可能である。

ングがビームロスを起こしたのかを判定するこ

その後設定された閾値に達するとインターロッとが出来る。

ク信号を出す。同時に積分出力を ADC に入力、記録することで、長期間の常時モニターが可能である。イオンチェンバーの長さは 5~11m で、Fig.11 の写真の様に SuperKEKB のメインリング（MR）、ビームトランスポートライン（BT）、ダンピングリング（DR）の各トンネル内の壁やケーブルラックにほぼ均等に配置することで、広い範囲のビームロスに対応できる。
イオンチェンバーは広範囲のビームロスを検出できるが、イオンのドリフト時間が長いため、Fig.9 イオンチェンバーの断面図

アボートを出すのに ms オーダーの時間がかかる。速いアボート信号を出すために使用されているのが、ns オーダーの応答速度を持つ PIN PD である。 SuperKEKB には、BelleII 検出器へのバックグラウンドを抑えるためのコリメータが設置されている[9]。コリメータはビームに非常に近い位置にあるため、軌道の変動に敏感である。コ
リメータ以外の場所で異常が起きた場合でもビームロスはアパーチャーの狭いコリメータ部で起き始める。そのため各コリメータの下流に PINPD を設置している。2.65mm × 2.65mm の PD 2個をアルミボックスに入れたものを真空チェン
バーの上下左右 4 か所に直列に繋いで設置し、どの方向にシャワーが出ても検出できるようにしている(Fig.12)。PIN PD からの信号は同軸ケーブ
ルで直接 LCR まで送られ、Fig.13 の積分回路に

８－ 5

Fig.10 イオンチェンバーの読み出し回路

(a)

(b)

Fig.13 PIN PD からの信号読み出し回路

Fig.14 ビームロスモニター信号の流れ
Fig.11 (a)SuperKEKB MR コンクリートシー
ルドの壁に取り付けられたイオンチェンバー

イオンチェンバーと PIN PD は同じアボートシ及び（b）DR ケーブルラックに取り付けられたステムの下で動くため、積分回路より下流の信号イオンチェンバー。の扱いは同じになっている。それぞれ、アボートトリガーとなるインターロック信号と、長時間記録のための ADC 入力信号、アボートの瞬間を記録するための信号の 3 つの信号を出力する。ADCは 16 ビットの VME モジュールで１秒のサンプリング時間でピーク値、平均値、最小値を常時記録している。3 つめの信号は、アボートトリガーが出た時のみ短い時間を速いサンプリングでデータロガに記録し、アボートの原因解析に使用する。
イオンチェンバーと PIN PD の他に入射点付近には光ファイバーを張って、ビームロスの起きた場所をより精度よく見つけようとする試みもなされている。また、BelleII 検出器も検出器まわりに独自のダイヤモンドセンサーを使った BLM をFig.12 コリメータ下流に取り付けられた PIN
PD ボックス配置し、アボートシステムの一部として使用している。

８－ 6

3.4. アボートモニター

矛盾がない。この信号例を基準として、実際に異BLM やその他のアボートシステムが正しく働常が起こった場合の信号遅れや形を判断する。

いているか、またそのアボートはなぜ起こったのかを調べるためにアボートモニターシステムを導入した[10]。これはアボートの瞬間の BLM やその他のビームに直接関係する信号をデータロガに入力し、アボートの前後の様子を記録するシステムである。前述した通り、加速器トンネル内でイオンチェンバーはほぼ均等に、PIN PD は主にコリメータ下流に配置されており、それらの信号は 4 か所の LCR 及び BelleII 検出器のあるFig.15 手動トリガーアボート時のアボートモ

TSUKUBA 実験棟で集められる。
RF 加速空洞は、ニター信号

トンネルの直線部 3 か所に設置されており、RF関係の信号は 6 か所の LCR でやり取りされる。
Figure 5 で分かる様に、アボートモニター用デー
タロガはロスモニター信号と RF 信号にアクセスしやすい 5 か所の LCR と TSUKUBA 実験棟に設置した。
データロガへは、すべてのコリメータ部 PIN
PD 信号とイオンチェンバー信号の一部、RF の空洞電圧、クライストロンの出力パワーを入力している。その他に、ビーム電流値、ビーム位相、入射トリガータイミング、アボートトリガータイミングも入力した。これらの信号を、アボートトリガーの前後 300ms から 600 ms の間、1µs またはFigure 16 は、BLM のインターロックレベル調整前で、コリメータが傷ついたと思われるアボート例である。RF 空洞がトリップしたせいでビーム位相が振動を始め、約 1.4ms 後に HER ビームがロスを始めている。同時に各コリメータ部のPIN PD が信号を出し、アボートトリガーを出す前に何度もコリメータにぶつかっていることが分かる。実際にアボートリクエストまで 100µs かかり、コリメータ損傷に至った。この後、閾値を調整して数 mA のビームロスであってもアボート信号を出すようにした。

5 µs のサンプリングタイムで記録する（時間の違いはデータロガの種類による）。ハードウェア毎に応答が異なるため，各信号の応答や遅れを測定し，信号間の関係を調べ，必要な測定時間・サンプリング時間を決定した。Figure 15 は手動トリガーでビームアボートしたときの信号例である。手動トリガーは、ビームに異常はないが何らかの理由でビームを捨てたくなった時に使用する。この信号例
を見ると、アボートトリガーが出てすぐに RF 空
Fig. 16 コリメータが傷ついた時のアボート例

洞電圧やビーム位相が動き出していることが分かる。ビーム電流は直後に 10µs 内で捨てられたはずだが、測定回路内の遅れのせいで 45µs の遅Figure 16 のビームロスは、RF 空洞トリップれと、90µs の鈍りが見られる。これはデータを記が原因だったが、真空悪化が原因でビームロスが録している LCR により異なり、制御室間の距離起こった例が Fig.17 である。BLM アボート発報

や介するモジュール数からの予測値と実測値は後にアボートモニターを調べると、数 ms 前から８－ 7

ビーム位相振動がおこり、同時にわずかなビームが不完全な運転初期には、リング内にばらまかれロスが始まっていることも観測された。真空度をたビームが QCS にも飛び込んでクエンチを引き調べると、この様な信号が見られるときにリング起こすことが頻発した。Figure 18 はその一例でのどこかでスパイク状に悪化していることが分ある。左列上から 2 段は HER および LER のビかった。リングのどこで真空悪化が始まってもビーム電流、3,4 段目はそれぞれの入射タイミング、ームはリング内のアパーチャーの狭いところで5,6 段目はそれぞれのアボートタイミングで、7段ロスを始めるため、コリメータを調整することで目から右列８段目までは PIN PD 信号である。ア

出来るだけ速いタイミングで PIN PD によるアボボートのタイミングで PIN PD が一斉に跳ね上がートトリガーを発報させることができる。っていることが分かる。これを詳しく見るとリン
グ内で失われたビームは、IR 前の曲線部のコリメータの PIN PD、IR に近い直線部コリメータのPIN PD、 直線部のケーブルラックに付いたイオンチェンバーの順でアボートトリガーを発報し、両リングアボートに至っている。100mA 程度の大きなビームロスがおこり，一瞬で IR 付近直線部にビームをばら撒き、QCS にも同時にロスしたビームが飛び込んで、アボートとクエンチを引き起こしたと思われる。QCS クエンチが起こると加Fig.17 真空悪化が原因のロスモニターアボー

速器の再立ち上げまで時間がかかるため、安定しトた運転を続けるためにコリメータを調整して、SuperKEKB では、超電導電磁石（QCS）を使って衝突点（IP）でのビームサイズを絞っている。
IP でのアパーチャーは狭いため、コリメータ調整

QCS よりアパーチャーが狭くなるようにしたところ、QCS クエンチを引き起こすビームロスは減少した。

Fig.18 QCS クエンチを引き起こしたビームロス時のアボート

８－ 8

Fig.19 入射ビームが原因のロスモニターアボート
(a)

(b)

Fig. 20 2020 年春の運転での全アボートの原因(a)と、ビームに起因すると思われるアボート（b）
入射ビームが原因でビームロスが起きることり、BelleII 検出器まで飛び込んでアボートを誘発も多い。Figure19 の例では、LER 入射タイミンしてしまったためである。入射異常の原因を探す

グと両リングアボートタイミングが同期しておと、入射器のパルスマグネットのトリガー抜けやり、7,8 段目の PIN PD 信号も同時に跳ねている

クライストロンダウン等の入射器側の問題が見ことがわかる。これは、入射器から MR にビームつかることが多い。リング側に問題がある例としが入射された瞬間のアボートで、うまく入射が出ては、入射キッカーの故障が見つかったこともあ来ず、入射ビームが直接コリメータに衝突した

る。

８－ 9

アボートモニターで記録されたデータは、アボートが起こってから数分以内に制御ネットワー
クで CCR に送られ、運転シフト員が原因解明に役立てることができる。2020 年春の運転での全アボートの原因を調べた結果が Fig.20 である。入射調整中や、スタディのための手動アボートをのぞくと、ビームが不安定になって起こる BLM アボート（BelleII 検出器のダイヤモンドセンサーも含む）の回数が多く、BLM の重要性が分かる。
3.5. 運転調整
ADC で記録される BLM 出力は、運転中常時モニターされている。Figure 21 のリング内のビー
ムロス分布を表すパネルを見る事で、平常運転中にどこでロスが起こっているかが分かる。入射調
整の初めには、どこでビームロスしたかを見るこ

Fig. 22 ビーム電流、入射効率とビームロスモとで、どこまでビームが回ったかを確認することニター信号も出来る。衝突実験が始まると、BLM 信号と、ビーム電流や、入射効率を比較した Fig.22 を見ながら、コリメータや入射セプタム・キッカーのパラ4. まとめ

メータ、衝突パラメータを調整する。この様にビームロスモニターは、不安定なビームから人BLM はインターロック信号としてだけではなやハードウェアを守るために必要なモニターで、く、運転調整のツールとしても役立てられていそれぞれの加速器に応じてビームロスから起こる。

る２次シャワーを検出するセンサーを選択して使用している。トンネル内に多数設置することで、どこでロスが起きたかを見分けることができるので、定性的に加速器の安定性を監視する役割を果たしており、特に電流値の高い加速器では重要なモニターである。同時に、正しい衝突状態、入射状態にビームを調整するためにも使用される。
参 考 文 献[1] https://www2.kek.jp/ja/newskek/2003/mayjun/norm.html

Fig.21 ビームロスモニターの出力分布[2] K. Wittenburg, “ Beam Loss Monitror ” ,CAS2008.
[3] T.Obina, “Optical Fiber Based Loss Monitor forElectron Storage Ring”, IBIC2013, Oxford, UK,
WECL1.
[4] https://cividec.at/８－ 10

[5] Y.Funakoshi, “SuperKEKB のフェーズ１のビームコミッショニング”, 第 13 回日本加速器学会年会 千葉県 MOOL02.
[6] T.Mimashi, “SuperKEKB 電子リングのビームアボートシステム” , 第 14 回日本加速器学会年会 北海道 TUP001.
[7] S. Sasaki et al, “Upgrade of abort trigger system
for SuperKEKB”, ICALEPCS2015, Melbourne,Australia, MOPGF141.
[8] H. Ikeda et al., “Beam loss monitor at
SuperKEKB”, IBIC2014, Monterey, CA, USA,
TIPD22.
[9] T.Ishibashi et al., “LOW IMPEDANCEMOVABLECOLLIMATORSFORSUPERKEKB”,
IPAC2017,
Copenhagen,Denmark, WEPIK009.
[10] H. Ikeda et al., “SuperKEKB でのアボート診断”, 第 14 回日本加速器学会年会 北海道WEP089.

８－ 11