239■研究紹介

T2K 実験の陽子ビームモニター
KEK 素粒子原子核研究所

柴 田

政 宏

masahiro.shibata@kek.jp

Nicholas C. Hastings

石 井

hastings@neutrino.kek.jp

ishii@neutrino.kek.jp

孝 信

東京大学大学院理学系研究科

角 野

秀 一

kakuno@hep.phys.s.u-tokyo.ac.jp
2010 年 2 月 12 日

1 はじめに2 ビーム強度モニター

本稿では T2K 実験の陽子ビームラインで使用している

CT(current transformer)を用いてビーム強度を測定する。

ビームモニターについて紹介する(T2K 実験全体に関して得られたデータから，ビームの安定性，輸送効率，POT がは本誌前々号の記事[1,2,3]を参照)。陽子ビームラインでは算出される。また，DAQ のゲートに対してビーム信号がど加速器から取り出したビームが標的まで輸送されるが，そこにあるかというビームタイミングの測定にも使用される。

の際に重要なことは，標的でのビーム位置およびサイズのそのため，われわれのビーム強度モニターでは，単に積分制御とビームロスを抑えることである。標的でのビーム位電荷を測定するのではなく，ビームの時間構造も測定でき

置は生成されるニュートリノの方向に影響を与え，ニュー

るように CT の中でも応答の速い FCT(fast current trans-

トリノの方向を 1mrad の精度で合わせるためには，ビーム

former)が用いられている。

位置を 1mm の精度で制御しなければならない。また，陽子ビームは 750 kW という大強度なので，ビームが標的に対し

2.1 原理て偏って当たったり，ビームサイズが細くなりすぎたりす

CT は強磁性体をコアにしたトロイダルコイルを用いた電ると標的を破損する可能性がある。
ビームロスに関しては，

流トランスであり，ビームを一次電流，信号を二次電流と場所にもよるがもっとも条件の厳しい部分では 1W/m 以下

して動作する。つまり，信号電圧 V は，ビーム電流 I，読に抑えなければならない。また，生成されたニュートリノ

み出し抵抗 R，コイルの巻数 N に対して， V = IR/N で表ビームのフラックスを見積るために POT(protons on target)

される。この式から分かるように，信号がビーム電流(強度)の測定を行う。

に比例するので，ビームの時間構造も測定することが可能

上記の目的を達成するために，陽子ビームラインには強である。ただし，上式が成立するのは CT のインダクタン

度，位置，プロファイルおよびロスの 4 種類のモニターがスと浮遊容量から決まる平坦応答領域と呼ばれるある周波設置されている(図 1)。以下の各章でそれぞれのモニター

数領域においてのみである。さらに，コアがビームの周波の詳細について，コミッショニングで得られたデータも交数成分に対して強磁性体であることと，コアが飽和していえて紹介する。

ないことの 2 点も必要である。

2.2 実際の CT取り出したビームは一つのパルスの中に幅 20  60 ns のバンチが 581ns 間隔で並ぶという時間構造をしている(図2)。そのため，時間構造を押さえるには 10 kHz  50 MHz という幅広い平坦応答領域が必要となる。また，ビーム強度
は電流に直すとピークでは瞬間的に 200 A にも達するので，飽和しないコアを選ばなければならない。
そこで，コアには幅広い周波数領域での比透磁率と飽和磁束密度の両方に優れるファインメット(日立金属製)を用
図1

ビームモニターの配置図

I：強度モニター，C：位置モニター，P：プロファイルモニター，
BLM：ロスモニターを表す。

重いている。
ビームダクトの大きさに合わせて内径 260 mm，
量 7 kg の比較的大型のものを使用するので，十分な機械強度を持たせるためにエポキシ含浸を施している。このコア

240

スト信号を入力し，FADC で読んだ信号と比較して変換係数を決定した。

2.3 ビームコミッショニングの結果
2009 年 4 月のコミッショニング開始からこの原稿の執筆時まで，計 27 日間ビームコミッショニングが行われた。
CT の動作は概ね好調で期待通りの性能を発揮している。

われわれのビームラインには図 1 に示されているように
計 5 台の CT が設置されているが，この 5 台間での測定値の相対誤差は 1.6% であった。また，5 台の CT の平均値と図2取り出したビームの時間構造(CT を用いて測定したもの)

加速器リング内での測定値との相対誤差は 1.2% である。これらの誤差は，ビームライン，加速器取り出し部ともに，に銅線を 50 回巻いてトロイダルコアが構成されている。コ
アと銅線の間の絶縁には耐放射線性を考慮して，ポリイミ
ドテープとアルミナ繊維テープが使用されている。
ビームが完全に導体に覆われていると測定ができないので，CT を設置する場所はビームダクトがセラミックブレー
クになっている。セラミックブレークの上にトロイダルコ
イルが設置され，さらに外部からの電磁ノイズを遮蔽するための鉄シールドが取り付けられている(図 3)。
ビームラインから読み出しエレキの設置されている制御

0.01% を超えるようなビームロスは検出されていないことから考えると，CT 自体の測定精度によるものである。この誤差はそれぞれの CT の周波数特性に個性があることによるものだと考えているが，実験を行う上では十分な精度である。
図 4 は連続運転時の測定結果をプロットしたものである。
約 3% 強度が変動しているが，加速器リング内のビーム強度の変化によるものであることが分かる。また短期的な測定結果のばらつきは RMS で約 1% 程度であるが，このばら室までは約 100 m の距離があるが，20D コルゲート型ケー

つきにもビーム強度自体のふらつきが含まれている。5 台

ブルを用いることによって信号のロスは 2  3% に抑えられの CT 間の相関をとることによって，ビーム強度のふらつている。
読み出しには 160 MHz の FADC が用いられている。

きを差し引くと CT に由来する測定結果のふらつきは 0.5%

入力段で時定数 50 ns のシェイパーを用いて高周波成分をなとなる。つまり，1 ショット毎に 0.5% の精度でビームの安

まらせ，情報のロスを防いでいる。図 2 は実際に FADC で定性をチェックすることが可能である。この 0.5% という結取得した CT の信号である。1 パルス内のそれぞれのバンチ

果は FADC のサンプリングタイミングによる誤差とノイズに対する陽子数を測定することが可能である。

から予想される値とよく一致している。

較正は CT をビームラインに設置した後，実際の運転時

ビームタイミングの測定には，一つ目のバンチのピークとまったく同じ状態で行っている。コイルに信号線とは別位置を用いている。
タイミングは加速器の RF の設定によっにワイヤーが一巻きされていて，これに信号生成器からテて変わることが観測されているが，RF の設定を固定した後はふらつきが RMS で 5 ns 以下と非常に安定している。

図4

連続運転時のビーム強度の安定性

加速器リング内(MR)，ビームライン最上流(CT01)，最下流(CT05)を示す。見やすいように，MR と CT05 の測定値は 0.1 ´ 1013 ずら
図3

CT の外観してプロットしてある。

241

3 Beam position monitor

To an excellent approximation the beam produces only a

To ensure the stability of the beam along the beamline

transverse electric field which produces an image charge on

and at the target, 21 Beam Position Monitors (BPMs)

the ESM electrodes. The capacitance between the electrodewere installed.

and the beampipe wall acts as a differentiator circuit, re-Constraints for the BPMs included: mechanical robustness, radiation hardness, nondestructive measurements (nodirect interaction with the beam), and the ability to operate over a large dynamic range, from beam tuning with
only 1010 protons per bunch up to 1013 protons per bunch,sulting in the ESM raw signals representing the first time
derivative of the beam bunch shape. As such, the signals
are bipolar, very fast and not easy to treat with conventional low pass filter/integrator circuits.
The signals on the installed ESM electrodes are trans-betterported from the beamline to the readout electronics bythan 0.5 mm. Beam tests were performed and the decisioncables averaging 100 m in length. These signals are thenwas made to adopt conventional Electrostatic Monitor

optionally passed through attenuators before being sampled(ESM) design with rectangular electrodes with 80 coverageby 12 bit,160 MHz Fast ADCs(FADCs).

accuracy

and

bunch

positionresolution

toper electrode. The inside of an ESM is shown in Fig. 5.

The four waveforms from one ESM for a single bunch,
digitized and sampled by the FADC are shown in Fig. 6.

Figure 6
Figure 5

An ESM viewed from inside the beampipe.

Fifteen 125 mm long ESMs were installed in the normal
conducting sections, and five 210 mm long ESMs were installed in the superconducting arc section of the beamline.
A third type of ESM of 160 mm length was installed in the“Monitor Stack” located in the wall between the primary
beamline and target station—containing the beam target
and focusing horn magnets. The ESMs lengths were maximized given the geometrical constraints of the beamline inorder to increase the signal size for very low beam intensities.
Prior to installation the response of the ESMs were
mapped by simulating the beam with a current carrying
wire. Each ESM was placed on a 2D X-Z stage. To simulate a particle beam a current carrying wire was threaded
through the ESM and the monitor responses were recorded
for a grid of 91 relative beam/wire positions. By fitting thesignal sizes for the different wire positions the relative
gains of the four electrodes were determined to a precisionof 0.1%.

Waveforms from four ESM channels digitized by
the 160 MHz FADC.

To the leading order the beam position within an ESM
can be determined simply from the asymmetry in signal
sizes between opposite electrodes. For example the beamhorizontal position could be given by x µ LL -+RR where L andR represent signal sizes from the two electrodes in the ho-

rizontal plane, and the constant of proportionality is afunction of monitor radius and electrode angular coverage.
However, this simplistic analysis method becomes invalid
when the beam is not close to the centre and ignores theconstraints that can be applied by using information fromthe third and fourth electrodes in an ESM. For these reasons, the four signals are fit to the theoretical response(using higher order terms) of the ESM (with channel gain
calibration results applied) to obtain both x and y beam
positions and an additional parameter proportional to theoverall signal size. Using this method the ESMs have provided beam position measurements with a linear response
for beam displacements up to half the beampipe radiusfrom the beampipe centre.

242
During stable beam operation with 2 ´ 1012 protons per

このモニターの利点は，直接的にビームの形を測定出来

bunch and six bunches per spill, the ESMs have provided

る点であるが，欠点として，ビームとモニターの相互作用

bunch-by-bunch beam position measurements with 0.5 mm

による大きなビームロスおよびモニター自身の劣化がある。

and 0.3 mm resolution in the super and normal conducting

ビームチューニング時はビー
そのため T2K 実験においては，sections of the beamline, and spill average (combined mea-

ムプロファイルモニターをビーム中心に挿入してビームの

surement of six bunches) measurements of 0.3 mm and診断に用い，定常運転時はビームラインから退避させる。

0.2 mm.
Further work is being undertaken to minimize noise and

4.1

SSEM 駆動機構

crosstalk and to treat backgrounds in the waveforms

19 台それぞれの SSEM にはビームラインから退避させる

caused by charged particles directly deposited on the ESM

ための駆動機構が取り付けられる。駆動機構にはターゲッ

electrodes.

ト直前の SSEM，超伝導ビームライン部の SSEM およびその他常伝導ビームライン部の SSEM の 3 種類がある。ター4 ビームプロファイルモニター

ゲット直前の SSEM 駆動機構はカナダ TRIUMF グループ
によって開発された。ちなみにこの SSEM は万が一壊れた

ニュートリノビームラインには 19 台の Segmented Sec-

際に遠隔操作で交換できるよう設計されている。
超伝導ビー

ondary Emission Monitor(SSEM)をビームプロファイルモニ

ムライン部の駆動機構は KEK の機械工作センターおよびターとして配置している。SSEM の原理を図 7 に示す。ス超伝導低温工学センターと共同開発を行った。超電導ビー

トリップ状の金属薄膜をならべ，ビームが横切るように配ムライン部の SSEM はその両側に設置された超電導電磁石

置する。ビームがストリップを通過した際二次電子が放出の冷却システムにより約 120 K 程度まで冷やされる。ビー

されるが，その二次電子量は各ストリップを通過したビー

ムラインへの熱流入を最小限に抑えるためには駆動機構をム強度に比例するため，ストリップの位置を横軸にして二冷却された真空容器内に収める必要があり，上記の温度で次電子量のヒストグラムをプロットすれば，そのヒストグ動作する駆動機構の開発を行った。開発には真空に引いた

ラムはビームプロファイルに一致する。T2K 実験用に製作

駆動機構を液体窒素などで冷却して駆動させる試験を繰りした SSEM には， 5 mm のチタン箔を用いた。HV プレーン返した。低温環境下で駆動機構を動作させるのが困難な点を挟んで 2 枚の信号プレーンを配置し，水平方向および鉛は材質の熱収縮であり，常温でスムースに動作していても直方向のビームプロファイルの測定を行う。信号プレーン

冷却すると熱収縮により駆動機構の一部がかしめられて動にはそれぞれ 2 mm，3.5 mm または 5 mm 幅の 22 本のセン作しなくなってしまう。駆動機構の位置再現性を損なわな

サーストリップを配置してビームプロファイルを測定し，いよう加工精度や固定箇所の見直しを繰り返し，
インストー

さらにその外側に配置した数 cm の幅の広いストリップでル直前の 2008 年 7 月にようやく 80 K の低温環境下においビームハローを測定する。

てストレスなく駆動出来ることを実証できた。その後レー

Anode foil:
sweep electrons

ザートラッカーを用いた測量で約 10 mm の精度で位置が再Cathode strips:
emit electrons

現することも確認され，全数 4 台のインストールを行った。
図 8 は，そのうちの最初の一台のインストール時の写真で
ある。

-

e

beam

HV
signal∝ secondary
emission
図7

SSEM の動作原理

図8

超電導部の SSEM およびその駆動機構

243
その他の常伝導部の SSEM 駆動機構は，SSEM 用に特注

ニングが行われた。 SSEM で得られるビーム中心位置ので製作した直進導入機を用いている。こちらも SSEM を駆ショット毎の測定値のばらつきは約 10 mm 程度でビーム自動した際に約 10 mm の精度で位置が再現することが確認さ

身のばらつきに比べて十分小さく(図 11)，取り出しビームれている。

の安定性や電磁石の安定性を精度よく測定することができ

4.2

幅の測定から，ビームエミッタンス，ビーム取り出し位置る。また紙面の関係から省略するが，SSEM によるビーム

SSEM の信号読み出し

SSEM のチャンネル数は 19 台のモニターを合わせて総計の光学パラメータおよびターゲット位置でのビームサイズ

約 900 になる。この数の信号ケーブルに同軸ケーブルを用の見積りなどを行うことができる。これらの情報は加速器

いるのは現実的でなく，ツイストペアケーブルを用いてモグループへのフィードバックや，T2K 実験におけるニューニターから約 100 m 程度はなれた建屋まで信号を伝送する。

トリノ生成数のスタディにも役立てられている。

本実験では，マイクロバンチ毎にビームプロファイルを測定したいため，信号の長時間積分ではなく，波形そのもの
をサンプリングして解析する必要がある。そのためツイス
トペアケーブル 2 本の内信号ストリップに継っていない方をストリップ直前まで這わせて電気的に浮かせておき，差動入力の FADC でツイストペアケーブルの信号を読み出す。
これによりツイストペアケーブルの一方でノイズ成分のみを測定し，差動入力の FADC で差し引き，信号波形のみを取り出す。図 9 に典型的な 6 バンチビームに対する SSEMの波形を示す。
大きなノイズやクロストークは見られない。
なおこの差動入力 65 MHz サンプリングの FADC は KEK
回路室によって開発され，ソウル大学で全数製作された。

図 10

一次ビームライン機器をすべて立ち上げた後の SSEM のイ
ベントディスプレー

拡大されているビームプロファイルは最下流の SSEM で，ビームが最下流部まで通過したことが分かる。

1

2

3

4

5

6

t(us)

ADC
ADC

図9

-2.24
-2.26

-2.26

-2.28

-2.28
-2.3

-2.3

-2.32

-2.32

6100

6120

Shot(Spill) number x10
1

2

3

4

5

6

-2.2

-2.22

-2.24

2

-3.2 -3.175-3.15-3.125 -3.1

SSEM19Y(mm)

t(us)

図 11

SSEM01Xch11

1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0

-2.2

-2.22

SSEM01Xch10

1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0

-2.18

-2.18

SSEM18Y(mm)

1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0

SSEM18Y(mm)ADC

SSEM01Xch9

2010 年 1 月連続運転時の 2900 ショット(約 3 時間)の最下
流部鉛直方向のビーム中心位置

左図：最下流部 SSEM のショット間のばらつき。右図：最下流部 2台の SSEM の相関。ビーム自身がばらついていることが分かる。

1

2

3

4

5

6

t(us)

最上流 SSEM の中心付近のストリップの波形

上：中心から 2 ストリップ隣り，中：中心の隣り，下：中心のストリップ。2010 年 1 月， 2 ´ 1012 ppb， 6 バンチビーム。

5 ビームロスモニター
5.1 目的
ビームのロスを測るのがビームロスモニター(BLM)である。ビームロスが多いと，ビーム量が減るばかりでなく，

4.3

SSEM を用いたビームの診断

ビームライン機器が故障し，放射化によってそのメンテナ

2009 年 4 月にビームコミッショニングが開始された。図

ンスに支障をきたす。BLM は，大きなビームロスが起こっ

10 に一次ビームライン機器をすべて立ち上げた後の最初のた時にビームを止め，機器のメンテナンスのために放射化

SSEM はビームコミッ
ビームのビームプロファイルを示す。

を正確に予測し放射化を減らすためのビーム調整を促す。

ショニング当初から正常に動作し，順調にビームコミッショ

BLM は大強度加速器 J-PARC に必須の機器である。

244

5.2 検出器の選択

5.5 ビームロス測定

ニュートリノグループでは，BLM としてアルゴンベース

メインリングでは 2008 年 12 月に，陽子ビームを初めてのガスを封じ込めたワイヤープロポーショナルカウンター

30GeV まで加速し，速い取り出しでニュートリノビームラを選んだ。これは，J-PARC の加速器で一般に使用されてインの反対側のアボートラインに取り出した。
そのときに，

いるものと同じものである。加速器と同じものにすること

ニュートリノビームライン側に設置されている BLM でビー

によってそのノウハウを活かすことができる。

ムロス信号を検出した。これは，T2K 測定器による初めてのビーム信号である。

5.3 エレクトロニクス

ニュートリノビームコミッショニング時の BLM 信号を

バンチ毎のロスを見るために生信号を 30 MHz の FADC

図 13 に示す。コミッショニング時はほとんどの期間 SSEMに入れることにした。また，各スピルでのロス信号の積分を挿入状態でビームを出している。1 台の SSEM のチタン値によってアラームを出すことにした。そのために，BLM

SSEM 物質は BLM
箔によってビームの 0.005% をロスする。

からの信号を入力とし，FADC 用生信号と積分値によるアにとってはよい較正材料となる。図 14 には各 BLM で測っラーム用信号を出力とする BLM 信号処理回路を製作した。

たビームロスを示す。SSEM を引き出して退避させるとロ積分波形自身も出力とした。ビームが周回しているメイン

スはほとんどなくなることがわかる。

リングなどと違って，ニュートリノビームラインの特徴は単発で大強度ビームが通ることである。そのために，処理回路は加速器のものを基礎としたがパラメータを大幅に変えなければならなかった。積分ゲインを大きくしたことによってノイズが問題となった。ゲートの間だけ積分するためのアナログスイッチからのノイズがどうしても落とせなかったのでゲート方式をやめ，放電抵抗をいれてビーム通過後適当な時間でラッチする方式とした。

5.4 設置BLM は，前段部および最終収束部については，磁石の間にほぼ 1 台の割合でビームダクトの近くに設置した(図 12)。
アーク部(超伝導電磁石)については，おもに放射線に弱い
図 13とされるコールドダイオードの近くに設置してロスを監視

BLM の信号波形するようにした。コールドダイオードは，超伝導ダブレッ

上から，BLM11 の生信号，BLM02 の積分信号，BLM03 の積分信

ト 1 組につき 1 個存在する。前段部に 19 台，アーク部に号，ビームタイミング信号。

21 台，最終収束部に 10 台の計 50 台を設置した。

図 14

各 BLM で測ったビームロス( 4 ´ 1011 ppb，1 バンチ時)

SSEM 挿入時(上：菱形点)と SSEM 引き出し時(下：四角点)のFADC 信号の積分値をプロットした。
図 12

前段部に設置された BLM

245

5.6 強度依存性

6 さいごに2009 年 5 月のランでは故意にロスを増やすなどして，BLM

本稿では T2K 実験の陽子ビームモニターについて紹介しの応答のビーム強度依存性を測定した。
電荷にして約 0.2 nC

た。昨年 4 月の実験開始からすべてのモニターが順調に稼までは直線性が見られたが，それ以上で飽和していること

働しており，今後の物理データ取得のための長期連続運転がわかった。この強度依存性データを用いて，その後のデーにおいても十分な性能を発揮すると期待される。

タを補正することにした。

5.7 フィルムバッジ測定

謝辞

一定期間 BLM にフィルムバッジを貼り付け，その間に本稿で紹介した陽子ビームモニターの開発に際しては受けた放射線量を測定した。その結果，フィルムバッジ測J-PARC メインリングのモニターグループの方々をはじめ

定による放射線量と BLM 信号の積分値の和とはよい比例として，多くの方からのご助言およびご支援をいただきま関係にあることが確かめられた。

した。この場をかりて厚くお礼申し上げます。

5.8 残留放射線測定

参考文献

長期ランの終了後，磁石の入口と出口での残留放射線を測定した。現在のビーム強度では最大のところでも100 mSv/h 程度であった。今後，ビーム強度はますます上がっていくことが期待される。
そういった中で電磁石やビー
ムモニターのメンテナンスのためビームダクトの近くでの作業がありうる。放射化を抑えながらビーム運転しなければならない。どのくらいのロスまで許されるかを知るために，残留放射線量と BLM のデータとを比較した。残留放射線測定点と BLM の場所とは必ずしも一致しないが，もっとも近いもの同士を比べた。BLM データから残留放射線量を求める換算係数を二つのランで比較すると，図 15 に示す
ようによい一致を見た。この事実は，BLM データから残留放射線量を予言できることを意味する。今後はこの関係を用い，放射化を抑えながら物理に使えるビームを供給していく。

図 15 BLM の残留放射線推定能力「T2K 実験の概要」，高エネルギーニュース[1] 小林 隆，
28-2, 62 (2009).

[2] 藤井芳昭，山田善一，「ニュートリノ実験施設の概要」，
高エネルギーニュース 28-2, 67 (2009).
「J-PARC ニュートリノビームライ[3] 荻津透，槇田康博，
ン用超電導複合磁場電磁石システムの開発」，高エネル
ギーニュース 28-2, 76 (2009).