Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, Japan

PASJ2016 TUP057

光ファイバビームロスモニタとワイヤスキャナ-2
OPTICAL FIBER BEAM LOSS MONITOR AND WIRE SCANNER-2矢野喜治#,A),B),福田茂樹 A),B) , 道園真一郎 A),B) , 明本光生 A),B)
Yoshiharu Yano #,A),B), Shigeki Fukuda A),B) , Shinichiro Michizono A),B) , Mitsuo Akemoto A),B)
A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
B)
Department of Accelerator Science, Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI)

Abstract
The beam loss monitors using Ionization chamber, Photo-diode, Scintillator, etc are widely used at accelerators. Usually,
we need more than one sensor to measure the distribution of the beam loss. By using an optical fiber as a sensor of a beamloss monitor, the distribution of the beam loss can be measured with single optical fiber. Especially this optical-fiber
based beam loss monitor is valuable for the beam commissioning of the accelerator.
This optical fiber beam loss monitor is applied to the SuperKEKB linac as a sensor of a wire scanner. We predicted theplace where a signal of a wire scanner goes out by a simulation. We confirmed that a signal goes out to the place expectedby a simulation using an optical fiber beam loss monitor.

1.

はじめにビーム源である電子銃は HER 用にエミッタンスの小さなビームを作る RF 電子銃、LER 用には大強度の安定なビームを作る熱電子銃を採用している。ビームラインの 1階を RF 電子銃のライン、2 階を熱電子銃のラインとし 2階建て構造にし下流で合成する方式を取っている。熱電子銃直後の A セクタに光ファイバを布設し立上げ時のビームロスの様子を観測した。またアーク部及び陽電子ターゲットの前後である 1 セクタと 2 セクタにビームロスモニタを布設しビームロスを観測した。
また、ワイヤスキャナのセンサを設置する最適な場所を決めるためにシミュレーションで信号の出る場所を予測し、光ファイバビームロスモニタで確認した。Linac 最下流の 5 セクタのワイヤスキャナは様々なエネルギーのビームに対応する必要がある。ここでは PF ビーム（2.5GeV の電子）と SuperKEKB ビーム（7 GeV の電子）其々に最適なセンサの設置場所を決定した。

2.

Linac の光ファイバビームロスモニタ[1] [2][5 ] [6] [7]（ダクトの左右に１本づつ）、１セクタ（ダクトの左右に１本づつ）、２セクタ（ダクトの左右に１本づつ）、５セクタ後半からビームダンプ（ダクト上に１本）の光ファイバを布設している。ビーム上流側の光ファイバ端には光電子増倍管（PMT）を組み込んだロスモニタ（NIM モジュール）が接続されている。ロスモニタはネットワークに接続されリモー
トで PMT のゲインを調整することができる。現在ロスモニ
タの信号はネットワーク接続されたオシロスコープで観測
し て い る が 、 高 速 の ADC （ VME ﾓ ｼ ﾞ ｭ ｰ ﾙ 4channel
1.25GS/s 10-bit SIS3305）の導入が制御グループによって進められている。
ここで、光ファイバはビームダクトに密着して布設することが非常に重要である。特に偏光電磁石のダクトは通常の場所に比べてダクト径が小さいためビームロスが起きやすい。ダクト上で発生したシャワーによる荷電粒子は光ファイバを通過しチェレンコフ光を発生する。チェレンコフ光は光ファイバ内でコーン状に出るため特定の角度で入射した荷電粒子によるチェレンコフ光しかファイバ端まで届くことはない。光ファイバがダクトに密着しているとシャワーの発生場所とチェレンコフ光の発生場所を同一視することができるが、２者が離れていると不可能になる。

Figure 1: Layout of linac.
Figure 1 に示すように A セクタ（ダクト上に１本）、ARC___________________________________________# yoshiharu.yano@kek.jp- 1008 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 2: Beam loss at A sector.

3.

A セクタ立上げ時のビームロス

昨年、電子銃ラインを２階建構造にして初めてのビームチューニングを開始した時のビームロスの様子を Fig. 2に示す。ch-1 の波形はビーム上流側の光ファイバ端から見た信号。ch-2 は下流側のファイバ端からからの信号である。この波形から ch-1 と ch-2 のピークの時間差が 160
nsec と読み取れる。布設した光ファイバの全長は 62 m なので TOF の原理から上流側ファイバ端から 15 m の所にビームロスのピークがあると言える。この場所は光ファイバ布設時の実測値から QF_AT_J3 の中であることが分かる。その他のピークは QF_AT_J3 からの相対値で示すことができる。この場合ピーク間の時間差を 8.3 nsec で割ればピーク間の距離（m）となる。このルールでビームロスが発生している場所を特定すると偏光電磁石と四極電磁石でビームロスが発生していることが分かる。
Figure 3 はビームチューニングの状態によってビームロスが変わる様子を示している。①は Fig. 2 の波形である。②は QF_AT_J3 の下流にあるスクリーンをラインに挿入した時の波形である。スクリーンで大量にビームロスが起きているため下流までビームが届いていないことがわかる。③と④を比較すると③は BM_AT_J5 でのビームロスが多く下流までビームが届いていないが、④はBM_AT_J5 を通過し下流の QD_A2_1 と BP_A2_2 で多くビームをロスし QD_A2_3 までビームが届いていない。
⑤は上流のビームの条件が異なっているためBM_AT_J5 で多くのビームをロスしている。

①②③

④⑤

Figure 3: Variation of beam loss.

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4.

5 セクタのワイヤスキャナ(WS)

4.1

シミュレーション[7]ト上でシャワーを引き起こす荷電粒子やγ線のピークの位置を予測する事ができる。

Figure 4 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した。入射ビームのエネルギーは 2.5 GeV と7.0 GeV について行った。
e±, gammae

真空ダクト（ステンレr= 10

100 μm 厚タングステン

Figure 4: Model of a simulation.
シミュレーションの結果を 5 セクタのワイヤスキャナの配置図に重ね合わせたものを Figure 5 に示す。2.5 GeVの電子の場合は荷電粒子のピークが約 8 m、γ線のピークが約 10 m にあるが、7.0 GeV の電子の場合は荷電粒子のピークが約 20 m、γ線のピークが約 30 m である。この図は A ワイヤに対応しているが B、C、D ワイヤに対してはグラフの起点をそれぞれの場所に移す事でダク

4.2

ワイヤスキャナとロスモニタの信号[3] [4] [6]Linac の 5 セクタのワイヤスキャナシステムは 4 箇所（A、B、C、D）のワイヤ駆動部とそれらに対応して設置された 3 台の PMT の組み合わせで運用している。A ワイ
ヤのセンサは AC_53 に設置された PMT、B ワイヤのセンサは AC_56 に設置された PMT、C ワイヤと D ワイヤのセンサは Q_58_4 上流に設置された PMT の組み合わせで運用している。現在の PMT の設置場所とこれらの組み合わせでは PF ビーム（e- 2.5 GeV）は正常に計測できるが、SuperKEKB ビーム（e- 7.0 GeV）の場合は SN が悪く正常に計測できていない。
これらのビームに対してセンサの最適な設置場所を調査するために Fig.5 に示すように Q_58_4 の上流から光ファイバを引き入れダクトの上部に敷設した。
シミュレーションの結果から予測すると 2.5 GeV の電子ビームに対しては A ワイヤと B ワイヤの信号は期待できない。これに関しては別途上流部にセンサを設置する。
異なるエネルギーの電子ビームについて WS のワイヤを挿入した時にダクトから出てくる荷電粒子の分布を光ファイバビームロスモニタで観測した。光ファイバをダクトに密着させているのでダクトに当たる荷電粒子とγ線が引き起こすシャワーの密度分布と光ファイバを通過する荷電粒子、つまり光ファイバ内のチェレンコフ光の強度分布は比例関係にある。エネルギー2.5 GeV の電子ビームの測定結果を Fig.6 にエネルギー7.0 GeV の場合をFig.7 に示す。この場合電荷量は共に 1.0 nc である。

Figure 5: Signal prediction by a simulation.

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WS のセンサとして使用する場合はビームの下流側のファイバ端から読みだすのが良い。何故なら上流からの信号に比べ信号強度も強く時間軸方向に圧縮されているのでゲート巾を狭くする事ができる。2.5 GeV のビームを A、B ワイヤで測定する場合は別途 B ワイヤ下流の Qマグネットの中にビーム下流側から光ファイバを設置するのが良い。

5.

Figure 6: Measured signal of beam loss monitor.
(Energy = 2.5 GeV, Charge = 1 nc )ビームエネルギーが 2.5 GeV の場合はシミュレーションでの予測通り A ワイヤと B ワイヤではほとんど信号が見られない。C ワイヤと D ワイヤでは Q_58_4 の中で強い信号が見られる。7.0 GeV ビームでは全ワイヤの場合でQ_58_4 と BM_61_1 の中でシャワーが起きている事がわかる。
これから WS のセンサは Q_58_4 と BM_61_1 の中に光ファイバを設置すれば良い事がわかる。光ファイバをまとめと今後の方針

大きく改造した A セクタのビームチューニング時にビームロスの場所が手に取るように分かるのは非常に心強かった。しかしオペレーターに活用してもらうにはオシロスコープで観測するだけではなく、ユーザーインターフェースを充実しなければならない。現在、制御グループによって高速の ADC による読み出しが精力的に進められており間もなく ARC、1 セクタ、2 セクタのデータ取得が可能になると思われる。WS のセンサも B セクタ、C セクタ、2 セクタ及び 5 セクタの設置が済んでいる。今後、既存の PMT との入れ替えが進んで行くものと思われる。
SuperKEKB Phase-1 で HER/LER リングの入射部に光ファイバを布設してビーム入射時のビームロスを観測した。現在データの解析中である。来年から始まるダンピングリングの運転に備えダンピングリングのビームロスを観測するために光ファイバを布設する予定である。

参考文献[1] 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 of Particle
Accelerator Society of Japan, Osaka, August 8-11, 2012,
pp.902-906.
[2] T. Obina and Y. Yano, “OPTICAL FIBER BEAM LOSSMONITORS FOR THE KEK PHOTON FACTORY”, Proc.
of IBIC2012, TUPA10[3] N. Iida, Y. Funakoshi, T. Kawamoto, M. Kikuchi, T.
Mimashi, T. Suwada, M. Tanaka, M. Yamauchi, S. Yoshida,"RECENT PROGRESS OF WIRE SCANNER SYSTEMSFOR THE KEKB INJECTOR LINAC AND BEAM
TRANSPORT LINES", Proceedings of EPAC 2000, Vienna,Austria, 2000, pp.1738-1740.
[4] Y. Yano, N. Iida, S. Michizono, “ワイヤー・スキャナ用センサーへの光ファイバーの応用”, Proceedings of 9th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Osaka,
August 8-11, 2012, pp.898-901.
[5] Y. Yano, S. Michizono, S Fukuda, T Sanami, “ BEAM
LOSS INVESTIGATION NEAR THE PULSE BENDING
MAGNET OF KEKB INJECTOR LINAC”, Proceedings of10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Nagoya, August 3-5, 2013, pp.403-405.
[6] 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 11th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,Aomori, August 9-11, 2014, pp.443-447.
[7] Y. Yano, S Fukuda, S. Michizono, “光ファイバビームロスモニタとワイヤスキャナ”, Proceedings of 12th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, Fukui, August 5-7,
2015, pp.915-919.

Figure 7: Measured signal of beam loss monitor.
(Energy = 7.0 GeV, Charge = 1 nc )- 1011 -