OPTICAL FIBER BEAM LOSS MONITOR
Yoshiharu Yano#, Takashi Obina, Shinichiro Michizono
High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801 Japan

Abstract
We have been developed an arc sensor with high sensitivity since 2007. When the arc sensor was installed into thecavity coupler located in the beam tunnel, it is found that an arc sensor reacted to beam loss sensitively. This is because
Cherenkov light occurs in the optical fiber by the charged particle. This means that the state of the beam loss can bedetected by observing the Cherenkov light. Large-diameter optical fibers were set into the acceleration structures andvacuum ducts. We observed light from an optical fiber by the photomultiplier tube (PMT). When we observed lightfrom the upstream, we can identify the point of the beam loss in position resolution of 8.3 nsec/m. We observed beamloss at various points of the Linac.

光ファイバービームロスモニター
1.

はじめに

2.

光ファイバーを加速器のエレメントに密着して布設しファイバー端から出てくる光を高電子増倍管(PMT)で観測する。この光は、ビームロスによって発生した荷電粒子が光ファイバーの中を通過する時に発生するチェレンコフ光である [1] 。この信号にはビームロスの場所と強度の情報が含まれている。
ビーム上流側から観測するとほぼ(0.12m/nsec)の時間分解能で荷電粒子がダクトに当っている箇所を特定出来る。ここでは電子陽電子入射器のビームロスの多い場所の特定を行なった。さらに PF リングにも光ファイバーを布設しビーム入射時の何ターン目に何処でビームロスが発生しているか観測した。

光ファイバー中のチェレンコフ光

図 1 に示すようにビームダクトに沿わせて設置した光ファイバーを考える。ビームロスにより発生した荷電粒子はシャワーを作りダクト外に出て光ファイバーを通過する。これらの荷電粒子は充分エネルギーが高いので光ファイバー内でチェレンコフ光を発生する。この発生個所は電子の速度であるほぼ光速(3.3 nsec/m)で下流方向に移動して行く。一方、光ファイバー中の光速は約 5 nsec/m であるから 1 m 離れた箇所で発生した 2 つの光は上流から観測すると8.3 nsec、下流から観測すると前後の位置が入れ替わった 1.7 nsec の間隔を置いて見える。この光を上流側から観測出来れば 8.3 nsec/m の位置分解能でダクト上のシャワーの箇所を特定することが出来る。

図１：光ファイバー中のチェレンコフ光____________________________________________#yoshiharu.yano@kek.jp

3.

ビームロスモニター

3.1

ビームロスモニター

ジから内部にかけてビームロスが観測された。図 3にビームロスが起きている分岐ダクトの写真を示す。

PMT(H10721;浜松フォトニクス) 2 個または 4 個をNIM モジュールに組込んだものと大口径の純粋石英光ファイバーを組合せたものが光ファイバービームロスモニターである。図 2 に測定の様子を示す。

図 3 ： BM_58_1 下流の分岐ダクト
3.3

図 2 ：ビームロスモニター
光ファイバーのコア径は用途に応じて 400 μm、600 μm、800 μm のものを使用している。前章で示したように光ファイバーをダクトに密着して布設し、ビームの上流側から出てくる光を観測すると8.3 nsec/m の位置分解能でビームロスの場所を推定することが出来る。但しこれはビームロスの発生箇所を示しているのではなくビームロスが発生した結果荷電粒子がダクトの外に出て来た場所を示しているということ、また光ファイバーの終端では下流側に出た大量の光が反射し上流側に来ている事にも注意が必要である。何が原因でビームロスが起きているかによってシャワーの方向も異なるため一概にはいえないが、経験上同じロスポイントで発生した光を上流側と下流側で観測すると下流側の方が上流側の信号より 3〜4 倍大きい。ワイヤスキャナーのセンサーの様に信号が小さく出る場所がはっきりしている場合は下流側に出る信号を観測するのが有効である。
3.2

パルスマグネット内部のビームロス

PF ビ ー ム を 振 り 分 け る パ ル ス マ グ ネ ッ ト(BM_58_1)の下流で大量にビームロスが発生している事が分かっている[1]。BM_58_1 の内部でもビームロスが発生しているとセラミックダクトに損傷を与える可能性があるのでマグネット内部に光ファイバーを布設し内部のビームロスの測定を行った。その結果、通常の運転状態ではマグネット内部でビームロスが起きている様子は観測出来なかった。ビームチューニングを行なった時もマグネット内部でビームロスが起きる事は無かった。上流のワイヤスキャナーを動作させた時にマグネット上流のフランPF ビームラインのビームロス

BM_58_1 から BM_61_F1 の間でビームロスが発生している事は既に分かっており、様々なビームチューニングを施したが殆ど効果はなかった [1] 。今回はさらに下流のビームロス分布を観測するために400μm×110m の光ファイバー2 本をダクトの左右に布設した。図 3 にその観測波形を示す。CH1(通路側)、CH3(壁側)は 400μm×110m の光ファイバー、
CH2(通路側)、CH4(壁側)は既存の 600μm×30m の光ファイバーで QF_61_F1 まで布設してある。

図 3 ： PF ビームラインのビームロスCH3 の信号に注目すると最初の信号は分岐ダクトでのロスによるものである。最後の信号はそれがファイバー端で反射して見えているものでそれらの間隔は 1μsec である。つまり分岐ダクトからファイバー端までの距離は 100m である。ビームライン終端付近でビームロスがあった場合を考慮してビームライン終端から 5m 余分にケーブル長を取ってあるので分岐ダクトからビームライン終端までは 95m である。一方、ビームラインの図面から読み取るとその長さは 95.6m になる。分岐ダクトから BM_61_F1の間は波形から計算すると 19.3m、図面から読み取ると 19.5m となる。
3.4PF リングのビームロス

PF リングの中でビーム入射時に放射線レベルが高いところや残留放射能が高いところが複数箇所ある事が分かっていたが詳しくは調べられてはいなかった。ここでは入射部と超伝導ウィグラーマグネット(VW14)付近のビームロスを観測した。
3.4.1 入射部のビームロス

図 4 ： PF ビームライン下流のスリット

図 6 に入射部の写真を示す。
PF の入射モードにはキッカー入射と偏向６極マグネット(PSM)入射があるが両者のビームロスのパターンに明らかな違いが見られた。図 7 に二つの入射モード時のビームロスのパターンを重ね合わせたオシロスコープの波形を示す。	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  図 5 ： PF ビームラインのビームロスの分布
CH4 に終端の反射の影響が見て取れる。CH4 の最後に見られる信号は 2 分岐ダクトでロスして下流側に出た光がファイバー端(QF_61_F1)で反射して前後が逆になって重ね合わさった波形である。
分岐ダクトから 67.5m の位置に大きく出ているビームロスであるが図面にコンポーネントが記載されていないため現場で実測したところ BM_61_F7 から 7m の位置にスリットが設置されていた。図 4 にその写真を示す。
BP_58_1 直後の分岐ダクトから BM_61_F7 までは図面から 58.8m あるのでビームロスが見えている場
所はスリットの下流 1.7m の位置が推定される。その他の場所の波形から計算した距離と図面からの距離のずれを考慮するとおそらくスリットから 1.2m付近に削られたビームが当っていると思われる。図5 に各コンポーネントの配置とビームロスの位置関係を示す。

図 6 ： PF リング入射部

ビームロスの場所の特定をするためにケーブル終3.4.3 VW14 付近のビームロス端からの反射波形を考慮する。PSM 入射の波形で最図 8 に VW14 付近の写真を示す。
後のピークは最初のピークの反射波形であることを考慮すると、このビームロスはセプタムマグネット直後のダクトで発生していることが分かる。またキッカー入射、PSM 入射ともに同程度出ているビー
ムロスはセプタムマグネット後方の Q マグネットで起きていることがわかる。PSM 入射ではセプタムマグネット直後のダクトで大量にビームロスがあるがキッカー入射の場合はあまりビームロスしていない。

図 8 ： VW14 と下流のマグネット
図 9 にビームロスの波形と VW14 付近の各コンポーネントの対応を示す。CH1 は壁側、CH2 は通路側に布設した光ファイバーの信号である。VW14 以
外はコンポーネントの中のダクトに接して布設している。ビームロスが見えている灰色の部分はベローズである。
図 7 ：キッカー入射と PSM 入射	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  図 9 ： PF ビームラインのビームロスの分布

3.4.4 PF 入射時のビームロス

4.

まとめ

これまではリング上でビームロスが起きているビーム（電子、陽電子）の速度と光ファイバー中場所の特定を行なって来た。図 10 に VW14 付近に を進む光の速度差からビームロスの場所の特定が出布設したロスモニターの信号を示す。ビームロスの 来る事を示して来た。但し、あくまでもビームロスマクロな様子を見るために時間レンジを広げてある。 の結果荷電粒子がダクト外に出て来た場所を特定出
これによって入射何周目にどの様なビームロスが起 来るだけである。これを理解して使用すればビームきているかが分かる。
チューニング時の強力なツールになると確信している。また、布設も非常に容易であるため観測場所の移動等も即座に対応可能である。
さらにリング型加速器の場合は周回ごとのビームロスを解析すればリング内でビームがどの様に振動しているかを推測する事が出来る。
但し、布設経路を充分考慮しておかなくてはならない。見たくない光が混ざっている可能性がある事を常に頭に入れて信号を解析しないと間違った結論を出してしまう可能性がある。
今後は測定精度を上げるとともに、表示系の整備を行い運用して行きたい。

参考文献
図 10 ：入射時のビームロス@VW14
PF リングの周回時間は 0.6μsec であるから、3 周回、2 周回ごとに起きていることが分かる。図 11 に入射部付近に布設したロスモニターの信号を示す。

図 11 ：入射時のビームロス@入射部
入射時のビームロスはわずかに見えている。入射ビームがリングを 1 ターンして戻って来た時にセプタムマグネット直後のダクトで大量にロスしている。
その後 2 ターン目と 4 ターン目にロスがわずかに見える。リングに入射されたビームはベータトロン振動を起こしながら主に VW14 近傍でビームロスを起こしていることが分かった。

[1] Y. Yano, et al., “光ファイバービームロスモニターの開 発 ” Proceedings 8th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, Tsukuba, August 1-3, 2011