統合計画陽子リニアック MEBT1 用ビーム・モニターとそのビーム・テスト
五十嵐 前衛1,A)、木代 純逸 A)、濁川A)

和幸 A)、廣木文雄 B) 富澤哲夫

高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂１−１B)

日本原子力研究所〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方白根 2-4

セプタンスから外れる部分をあらかじめ削る、ビーム・チョップ、およびビーム診断等[1],[2]を行う。図１に全長約 3m の MEBT1 のレイアウトを示す。
ビーム・モニターとしては電流モニター(CT)、位相モニター(FCT)、ワイヤー・スキャナー(WS)、ビー
ム位置モニター(BPM)、エミッタンス・モニター(EM)、ファラデー・カップ(FC)がある。

概要
高エネルギー加速器研究機構（KEK）と日本原子力研究所（JAERI）の統合計画として大強度陽子加速器の建設が現在、進められている。この加速器のうちイオン源、RFQ および MEBT1（RFQ から DTL までの BT ライン）が完成し、KEK サイトで組み立てられ、ビーム加速試験を行っているところである。
本年度中には更に DTL リニアックを設置してビーム加速試験を行う予定である。
本稿では上記、MEBT1 に設置されたビーム・モニ
ターとそのビーム・テスト結果について報告する。

２．各ビーム・モニターについて
2.1 リニアックのビームについて
統合計画リニアックのビーム・パラメーターおよびビーム構造を表１、図２に示す。特徴的な事はビーム・チョップを行うためにビームがバースト・パルスとなることである。従って、ビーム・モニターとしては 300ns〜500µs のパルスに対する十分な応答が要求されるところが設計上、難しい点である。

１．はじめに
統 合 計 画 陽 子 リ ニ ア ッ ク [1] は H- イ オ ン 源 、RFQ(3MeV), DTL(50MeV), SDTL(190MeV)そしてACS(400MeV)から構成される。次段の加速器 3GeV
リングは出力ビーム・パワー１MW を目標としており、これを達成するためにリニアックは平均 330μA以上のビーム電流が要求されている。このような大強度ビームを加速するためにはビーム損失をいかに抑えるかが鍵となる。このためには高品質ビームの発生や加速とともにビーム診断系の役割も重要である。
MEBT1 では RFQ と DTL 間のビーム・マッチング、３GeV リングの入射損失を抑えるため、縱方向アクRFQ
vane end

Q-1
Q-2
BPM1 BPM2CT1
FCT1
ST WS1 ST

Q-3
BPM3

表１：ビーム・パラメーター
バンチ周波数 ：324MHz
チョップ周波数：1.36MHz
繰り返し：25Hz
最大ビーム電流：50mA

パルス幅

Q-4
BPM4CT2
FCT2 ST
WS3

WS2

GV：500µs

Q-5
BPM5Q-6 Q-7 Q-8
BPM6 BPM7 BPM8CT3DTL
バンチャー-2
FCT3 end plate
スクレーパ
STST

GV

チョッパーx2
偏向磁石

バンチャー１
BPM = ビーム位置モニター
CT = 電流モニター
FCT = 位相モニターWS = ワイヤー・スキャナー
1E-mail: igarasiz@post.kek.jp

Q ＝ 四極電磁石
ST ＝ ステアリング電磁石
GV ＝ ゲートバルブ

ビーム・ストッパー

エミッタンス・モニター
ファラデー・カップ

図1

MEBT1 のレイアウト

3ns
324MHz

BUNCH

735ns
1.36MHｚ
338ns

25ms
40Hz
500µs

図２：ビーム構造

2.2

ビーム電流モニター（CT）

コアー材はファインメット（日立金属 k.k 製、FT-3M 型 ） 、 外 径 ｘ 内 径 ｘ 幅 ＝ 59 ｘ 45 ｘ 10で、巻線は５０ターンである。シールドは内側アルミと外側純鉄の二重構造。ヘッド・アンプは図３に示すような低入力インピーダンス回路[1]で低域の特性を伸ばしている。図４にパルス応答波型、図５に実際のビーム波型を WE7000(YOKOGAWA 製)で取り込みディスプレー上に表示したものを示す。
2.2k
2.2k0.1uOFSETADJUS T

LF356

100k

100k
OFSET
ADJUS T

1.5k
INPUT

BUF634

AD811100(1/4W) x250

OUTPUT

図５ WE7000 システムによる CT の表示（CT1:RFQ 出口、CT2:Q4 前、CT3:MEBT1 出口）
ンチ波型を、図８に２つの FCT のバンチ位相信号を
WE7000 に取り込み TOF(Time of Flight)によりエネルギーを計算しディスプレーに表示したものを示す。
この TOF により MEBT1 で２ヶ所、MEBT1 の下流に設置のテスト・ベンチで１ヶ所の計３ヶ所でのビー
ム・エネルギー測定結果は 3.00±0.03MeV であった。
この±1%の誤差は FCT 間の距離測定の精度によると思われる。

100500

AD811
820

0.1u

360

1000u (nonpol, 35V) x3

図３ ヘッド・アンプ

図６

図４2.3

FCT の周波数(0.3MHz~1GHz) およびパルス(0.5ns/div、上:入力、下:出力)応答

左：50mA/200ns
右：50mA/500µsに対する CT の応答波型（上:入力、下:出力）

位相モニター（FCT）

多空胴の陽子リニアックではバンチ位相モニターは各空胴の加速フィールド・レベルや位相を決定する上で極めて重要である。本リニアックでは空胴間に 1 台以上の位相モニターを設置する方針である。
FCT(Fast CT)の構造は上記の CT と同様であるがコアー ・ サ イ ズ が 外 径 ｘ 内 径 ｘ 幅 ＝ 59 ｘ 45 ｘ 5で、巻線は 1 ターンとなっている。図６に FCT の周波数およびパルス応答を示す。また図７に実際のバ

図７

FCT1の生信号 1ns/div 0.1V/div
ビーム電流＝8mAできるが 324MHz では出来ない。したがって、BPMの感度がβ=1 の場合と異なり、ワイヤーやアンテナを用いた方法では校正不能である。計算により感度を求めるとともに、ステアリング磁石とワイヤー・スキャナーを用いて、これを確認する必要がある。
BPM 処理回路はビーム・チョップの様子を測定するため 20ns 程度の応答を要求されていること等からAM/PM 方式を採用し準備を進めている。
図 10 BPM1 の生信号
1ns/div
50mV/div
ビーム電流=8mA

2.5 ワイヤー・スキャナー(WS)

図8位相／エネルギーの表示、上から FCT1，FCT2、エネルギー、エネルギー１０回の平均値

2.4 ビーム位置モニター（BPM）
検出器はストリップ・ライン型電極を採用し、スペース的な制約から全て四極電磁石の内部に設置した。また、アライメントは電極が四極電磁石の２つの隣接したポール端の基準面に接触することにより行うこととした。 図 9 に設置途中の電極を、また
図 10 には BPM の生信号示す。

ワイヤーは当初 50µmφのタングステンを用いたが恐れていた通り溶断してしまった。エネルギー損失が少なく融点が高い材料ということで、現在 7µmφのカーボン・ファイバーを用いたものを準備している。
駆動装置はパルス・モーターを使用し、制御は新たに開発した WE7000 用モジュールを用いて行う。

3．おわりに．おわりにCT および FCT に関しては細かい点を除けば、ほぼ満足の行く結果が得られたが、BPM と WS は準備不足もあり今回の原稿に間に合わなかった。しかし
BPM に関しては当初、危惧された RFQ、バンチャー、チョッパー等からの RF の回り込みが全く見られず、これだけでも１つの成果だと考えている。
研究会の発表時には各モニターのビーム・テスト結果について発表したい。

参考文献“Accelerator Technical Design
Report for High-Intensity Proton Accelerator Facility
Project”
http://hadron.kek.jp/member/onishi/tdr/index.html[2] JHF Project Office. “JHF ACCELERATORDESIGHN STUDY REPORT” KEK Report 97-16[3] R.E.Shafer,“BEAM POSITION MONITORSENSITIVITY FOR LOW-β BEAMS ” Proceedings ofthe 1994 International Linac Conference.” p905-907[1] Y.Yamazaki, et al.,

図9四棘電磁石(Q3)に設置途中の電極3MeV、H-ビームのβは 0.08 程度であり、その発生する電磁場は Lorentz 収縮の効果が十分でない[1],[3]ため、ビーム方向にも電場成分を持つ。すなわち TEMモードには成らない。バンチ周波数が低ければ無視