光ファイバビームロスモニタとワイヤスキャナ	 
OPTICAL FIBER BEAM LOSS MONITOR AND WIRE SCANNER矢野喜治#,A),B),福田茂樹 A),B), 道園真一郎 A),B)
Yoshiharu Yano #,A),B), Shigeki Fukuda A),B), Shinichiro Michizono A),B)
A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
B)
Department of Accelerator Science, Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI)

Abstract
A wire scanner (WS) is usually used by a set of the wire drive part and the detection part. A tungsten wire of 50 μm-100 μm and a photomultiplier tube (PMT) are used. WS in Linac is using 100 μm of tungsten wire and PMT.
Addition of WS is scheduled for SuperKEKB. A SuperKEKB Linac delivers an electron beam of 7 GeV to a
SuperKEKB high-energy ring (HER) and a positron beam of 4 GeV to a SuperKEKB low-energy ring (LER).
Furthermore, electron beams of 2.5 GeV and 4 GeV are supplied to the PF and the PF-AR, respectively. Therefore it'snecessary to install a detector in a place which corresponds to beam energy. So the place where a signal goes out by asimulation including an installation site of existence was predicted. We installed an optical fiber beam loss monitor in
the B sector where beam energy is about 1.5 GeV. We measured a signal of WS using the optical fiber beam loss
monitor installed in a B sector. We confirmed that a signal of WS goes out to the place predicted by a simulation by abeam loss monitor.

1.

はじめに

光ファイバビームロスモニタは大口径光ファイバと光電子増倍管（PMT）等の光検出器で構成される分布型の検出器である。加速器のビームダクト等に光ファイバを布設しファイバ端から出てくる光を観測することでダクト上のビームロスの分布を知ること が 出 来 る [1][2][3][4] 。 こ れ ま で も 光 フ ァ イ バ を使った様々なビームロスモニタの研究が進められてきた。[5][6][7][8]。
ワイヤスキャナはビーム中に 100 μm 程度のタングステンワイヤを挿入し弾性散乱や制動放射による荷電粒子やγ線を検出しビームサイズを計測する測定器である。ワイヤスキャナの検出器にはこれまで光電子増倍管（PMT）が使われてきた。検出器を設置する場所は測定対象のビームのエネルギーによって異なっている。ここでは電子陽電子入射器の B セクタに設置されたワイヤスキャナと B セクタ後半に布設した光ファイバビームロスモニタでワイヤをビーム内に挿入した時ダクト外に出てくる荷電粒子の強度分布を観測しシミュレーション結果と比較した。

2.

シミュレーション

Figure 1 に示すように半径 10 mm のステンレスのダクトに厚さ 100 μm のタングステンの板が付いた系を考える。タングステンの板に垂直にペンシルビームが入射し散乱と制動放射により出てくる荷電粒子とγ線の分布をシミュレートする。入射ビーム
は 1.0 GeV、1.5 GeV、2.5 GeV、8.0 GeV の電子について行った。KEKB の電子のエネルギーに合わせ8.0 GeV で計算した。
____________________________________________#yoshiharu.yano@kek.jp

e±,	 gammae-r=	 10	 mm

真空ダクト（ステンレス）
100	 μm 厚タングステン

Figure1:

2.1

Model of a simulation.

厚さ 100 μm のタングステン板に入射した電子による荷電粒子とγ線

厚さ 100 μm のタングステン板に 1.5 GeV の電子が 10,000 個入射した時に放出される荷電粒子とγ線をカウントしエネルギーと放射角の関係を Table1と Table2 にまとめた。
相関係数(Energy vs Angle)

粒子数

平均散乱角(mrad)

0.004~0.1 GeV-0.74136211.52

0.1~0.5 GeV-0.294

908.32

0.5~1.0 GeV-0.198205

2.33

1.0~1.5 GeV-0.0079711
1.86
Table1: Correlation between the energy and scatterangle(Charged particle)
散乱粒子のエネルギーと散乱角の相関係数は低エネルギーの粒子(0~500 MeV)は相関係数も比較的大
きく粒子エネルギーと散乱角との間に相関が認められ散乱角も大きい。しかし全体の粒子に占める割合は 1%程度である。99%の粒子はエネルギーと散乱角の間に相関が無いことがわかる。それら粒子の平均散乱角は約 2 mm radian である。
(counts)

相関係数(Energy vs Angle)

粒子数

平均散乱角(mrad)

0.004~0.1 GeV

0.016

1199

1.30

0.1~0.2 GeV

0.012

267

1.23

0.2~0.5 GeV

0.002

298

1.310.5~1.0 GeV-0.012200

1.17

1.5 GeV

1.0~1.5 GeV
0.023
82
1.40
Table2: Correlation between the energy and scatterangle (gamma)
散乱粒子のエネルギーと散乱角の相関係数を見るとでてくるγ線はエネルギーと散乱角の間に相関が無 い こ と が わ か る 。 低 エ ネ ル ギ ー の γ 線 (0~200MeV)は全体の 72%を占めている。全エネルギー領域で平均散乱角は約 1.3 mm radian である。
入射ビームのエネルギーが 1.0 GeV、1.5 GeV、2.5 GeV、8.0 GeV の場合に放出される荷電粒子とγ線の数と平均散乱角を Table 3 に示す。
エ ネ ル粒子数(荷平均散乱粒子数(γ平均散乱ギー電粒子)

角(mrad)線)

角(mrad)1.0 GeV 100322.81865
1.9
1.5 GeV 10042
1.92046
1.3
2.5 GeV 10052
1.122690.8
8.0 GeV 10077
0.342652
0.6
Table3: Number of particle and average scatter angle
半径 10 mm のダクト中心にペンシルビームが入射し、厚さ 100μm のタングステンの板で散乱を起こした場合を考える。散乱と制動放射で発生した荷電粒子とγ線がダクトに当たる粒子の分布を Fig.2〜
Fig.5 に示す。
(counts)(m)

Figure3: Histogram of the particle when the energy of
the incident beam is 1.5 GeV .
(counts)

2.5 GeV(m)

Figure4: Histogram of the particle when the energy of
the incident beam is 2.5 GeV .

(counts)

8.0 GeV

1.0 GeV(m)

Figure5: Histogram of the particle when the energy of
the incident beam is 8.0 GeV .

(m)

Figure2: Histogram of the particle when the energy of
the incident beam is 1 GeV .

2.2

ダクトに入射した荷電粒子とγ線

厚さ 100μm のタングステンの板で散乱を起こしダクトに入射する荷電粒子のエネルギーはほぼ入射ビームのエネルギーに等しく、制動放射で発生したγ線のエネルギーは 200 MeV 以下のものが大半を占める。Figure 1 に示すように厚さ 100μm のタングステンの板に 1.5 GeV 電子 10,000 個が入射した時に出たγ線が半径 10 mm のダクトに当たる場所とエネルギーの分布を Figure 6 に示す。
(counts)

(MeV)

(m)

39.8° < φ < 56.6°
0.69 rad < φ < 0.99 rad
180 - θch + θc > φ > 180 - θch - θc
140.2° > φ > 123.4°
2.45 rad > φ > 2.15 rad
よって入射角φが上の条件を満たす荷電粒子のチェレンコフ光のみファイバ端に到達する。	  つまり、ダクト内壁に荷電粒子或いはγ線が入射しダクト内部でシャワーを起こし外部に出てきた荷電粒子のうち上記範囲にあるもののみが検出可能である。10 MeV のγ線 10,000 個が 2 mm 厚の SUSに入射角 0.1 mrad〜5 mrad で入射した時に出てくる荷電粒子の放出角φが 39.8° < φ < 56.6°のものを前方、140.2° > φ > 123.4°のものを後方とする。
入射角100*(f(mrad)
前方後方
total +b)/tf/b

Figure6: Histogram of the gamma when the energy ofthe incident beam is 1.5 GeV .

0.1989448715320.09

2.210.51258

510

9005

19.632.47

このグラフでγ線のピークは散乱点から 7 m 下流、エネルギーは 4 MeV〜10 MeV となっている。

11373

575

9985

19.51

2.39

1.5

1481

639

10799

19.63

2.32

21604

711

11408

20.29

2.26

光ファイバを通過する荷電粒子によるチェレンコフ光

2.5

1709

754

12062

20.42

2.27

31845

695

12646

20.092.65

Figure 7 に示すように光ファイバの中を荷電粒子が通過する場合を考える。ここでビームの入射角をφ、光ファイバの臨界角をθcr、チェレンコフ光の放出角をθch とする。

3.51877

7501311320.03

2.504

1977772

13698

20.07

2.56

4.5

2016861

14198

20.26

2.34

2.3

チェレンコフ光チェレンコフ光

5
2279
818
14726
21.03
2.79
Table4: The number of charged particles which comesout when a gamma ray was incident on SUS of thickness
2 mm.

θ1

θ2
θch

θch
φ

荷電粒子
Figure7: Cerenkov Light by the electric charge
particle which passes an optical fiber.
cosθch = 1/nβ、β = vp/c ~ 1
光ファイバのコアの屈折率；n = 1.5
θch = 48.2°
sinθcr = Nclad/Ncore
ncore = 1.5、NA = 0.22
θc = (90° - θcr) = 8.4°
θ1 = φ - θch、	  θ1< θcθ2 = φ + θch、	  180 - θ2< θcこれからθch - θc < φ < θch + θc2.

ビームロスモニタ[9]入射器のビームロスモニタはセンサとして大口径の純粋石英光ファイバ、検出器として PMT(H10721;浜松ホトニクス) 2 個を NIM モジュールに組込んだものを使用している。光ファイバのコア径は用途に応じて 600 μm、800 μm のものを使用している。
光ファイバをダクトに密着して布設すること、電磁石の中も通してチェンバーに密着させることでビームロスの場所の特定が容易になる。

3.

ワイヤスキャナ(WS) [11][12]3.1

B セクタ WS とロスモニタの信号入射器には現在 5 セットの WS システムが設置されており今後も増設予定である。これらは一部を除きワイヤ駆動部と PMT によるセンサ部で 1 セットになっている。1 つの WS システムは駆動部 4 台とセンサ部数台がビームオプティクスを考慮して配置されている。Figure 8 に B セクタの WS システムの

配置図と A,B,C,D の各ワイヤをビーム中に挿入した時のロスモニタの信号を示す。

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ギャラリー

光ファイバ

加速管室
（地下）

光ファイバ端

光ファイバ
AC_B
7_2

AC_B
7_3

AC_B
7_4

AC_B
8_1

B1

A1

AC_B
8_2

AC_B
8_3

C1

BM_R0_1

AC_B
8_4

D1

Wire
A,B,C,D_0
WireA1_7800

WireB1_7000

WireC1_7100

WireD1_7700

0.5 V/div
20 nsec/div

Figure 8: Layout and signals of wire scanner system at B sector.

3.2

シミュレーションとロスモニタ信号の比較

WS のワイヤを挿入した時にシミュレーションで予測されたダクトに当たる荷電粒子とγ線の粒子数の予測をこれらのロスモニタの信号に重ね合わせたものを figure 9 に示す。

(counts)A1C1B1析しビームロスの様子を観測している。陽電子ターゲットの前後の 1 セクタと 2 セクタに光ファイバを布設し制御グループが管理するモニタステーションに設置した高速の VME-ADC を使ってロス波形を取り込む予定である。

D1(m)

参考文献

A1r=10 mm(counts)
B1r=15 mm(m)(counts)
C1r=15 mm(m)(counts)D1r=15 mm(m)Figure 9: Signal prediction by a simulation and resultof measurement of a beam loss monitor.

4.

まとめと今後

半径 10 mm の真空ダクト中心部で厚さ 100μm のタングステン板にビームが当たり散乱と制動放射によって発生した荷電粒子やγ線がダクト壁でシャワーを引き起こした結果、ダクト外に布設した光ファイバを通過すると期待される荷電粒子の分布をシミュレートした。
B セクタ後半に設置済みのワイヤスキャナのワイヤ駆動部と当該箇所に布設したコア径 800 μm の光ファイバを使用してワイヤをビーム内に挿入した時に発生するビームロスの分布を測定した。
布設した箇所のダクトの構造、例えばダクトの直径と厚さ、ベローズ部の構造、フランジ部分でのダクトへの密着度などでビームロスモニタの信号の様子が異なる事を考慮するとシミュレーションの結果と光ファイバビームロスモニタの信号は良く一致している。
今後、既存のワイヤスキャナの検出器である PMTの代わりに光ファイバの検出器を使用するとともに新しく設置するワイヤスキャナの検出器として光ファイバを使用してゆく。
ビームロスモニタに関して、現在はある特定の場所に光ファイバを布設しオシロスコープの波形を解[1] P. Gorodetzky, D. Lazic, G. Anzivino, E. Chiavassa, A.
Contin,G. Dellacasa, N. Demarco, R. De Salvo, M. Gallio,
P. Guaita, K.F. Johnson, P. Juillot, M. Lundin, M. Marino,A. Musso, A. Piccotti, E. Scomparin, E. Vercellin “Quartz
fiber calorimetry” Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research A 361, 1995, pp.161-179.
[2] A. Intermite, M.Putignano, A.Wolski, “First calibration of a
Cherenkov beam loss sensor at ALICE using SiPM”,
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A
677, 2012, pp.80–88.
[3] G. Mavromanolakis 、 “ Quarz fiber calorimetry andcalorimters”, HEP-Cavendish/04/34, UA-NPPS/06/2003.
[4] S.H. Law, S.C. Fleming, N. Suchowerska, and D.R.
McKenzie, "Optical fiber design and the trapping ofCherenkov radiation", APPLIED OPTICS, Vol.45, No.36,
20 December 2006, pp.9151-9159.
[5] W. Goettmann, M. Körfer, F. Wulf, "BEAM PROFILEMEASUREMENT WITH OPTICAL FIBER SENSORSAT FLASH", Proceedings of DIPAC 2007, 2007, pp.123125.
[6] F. Wulf, M. Körfer, "BEAM LOSS AND BEAM PROFILEMONITORING WITH OPTICAL FIBERS", Proceedingsof DIPAC09, 2009, pp.411-417.
[7] X.-M. Maréchal, Y. Asano, T. Itoga, "Design, development,
and operation of a fiber-based Cherenkov beam loss
monitor at the SPring-8 Angstrom Compact Free Electron ",Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
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[8] J.W. van Hoorne, ”Cherenkov Fibers for Beam Loss
Monitoring at the CLIC Two Beam Module, CERNTHESIS-20120112, 2012.
[9] Y. Yano, T. Obina, S. Michizono, “光ファイバービームロスモニター”, Proceedings of 9th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, Osaka, August 8-11,2012, pp.902-906.
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[14] Y. Yano, N. Iida, T. Obina, S Fukuda, S. Michizono, “光ファイバビームロスモニタの応用”, Proceedings of
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