Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

Precise measurement of small sized beam from electron-gun using characteristic
X-raysMitsuo Ikeda 1,A), Satoshi Ohsawa A), Takashi Sugimura A), Masafumi Tawada A), Yasufumi Hozumi B)
A)
High Energy Accelerator Research Organization, Accelerator Laboratory
B)
Graduate Univ. for Advanced Studies
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801
Abstract
This system was developed in order to measure small sizes of an electron beam on a target. For a higher brightness
X-ray generator a new electron-gun beam is required, which sizes are 0.1 mm x 1mm on the target, however, become assmall as 0.1mm x 0.1mm when observed from diagonal of 10 degrees. The system is composed of a pinhole camera forcharacteristic X-rays, an optical system, a micro-channel plate (MCP) and a low illumination CCD camera. We
succeeded in observing precisely beam sizes in the order of 0.1mm. The setup and system performance are described indetail.

特性X線を用いた電子銃ビームの微小サイズ精密測定ものである。ターゲットから発生したX線はBe窓に貼られた直径100μmのピンホール板を通った後、光本件は、実験室で利用可能な超高輝度X線発生装学系の入光部に設けられた蛍光スクリーン
置開発 [1] の過程に於いて必要なビーム測定システム（Fluorescent screen）上に、ターゲット上のビーである。現在強力なX線を必要とする研究には、放ム像を結像する。このX線により蛍光スクリーンか射光（SR）が利用されているが、さまざまな制約がら発する光は、電子ビームがマイクロ秒パルス（1伴うので本発生装置の実現が期待されるものである。 μs,20Hz）であるため極めて微弱である。パルスビームを用いているのは、ターゲットを水冷する煩２．X線発生装置と測定系の構成雑さを避けるためである。像を明るくして、ビーム[2]サイズをより正確に測定するために、ストリーク管
図 1 に 示 す よ う に 、 電 子 銃 か ら発生した電子のマイクロチャンネルプレート（MCP）を用いて、ビームは、直径3mmのコリメーターを通り磁気レン光の強度を最大数千倍に増幅できるようにした。こズで集束され四重極磁石とステアリング磁石を通過れによりストリーク管の蛍光面に映し出された画像した後、偏向磁石で180度曲げられて銅板のターが明るくなり、暗視カメラによる測定が短時間で行ゲット上に集束する。この時発生するX線をピンえるようになった。図1はX線発生装置と光学測定系
ホールカメラとストリーク管（MCP)及び暗視カメラの構成図で、図2にその全景写真を示す。
を用いた測定装置によりビームサイズの測定を行う

１．はじめにeCollimator (3mmφ)xMagnetic lensQ-magnetz

Steering magnet

Fluorescent Screen
X-ray
Pin holeCamera

MCP

Targete-Optical System
180-Bending magnet

図1：X線発生装置と光学測定系の構成図
図2：X線発生装置と光学測定系の全景
1E-mail: mitsuo.ikeda@kek.jp-723-

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電極で偏向させるが、今回はその必要がないので、この電極は使用せず接地している。

３．光学測定系の構成機器
3.1 光学系

表1：ストリーク管の各種電極電圧
各電極の名称
印可電圧

図3に、光学測定系の構成図を示す。ターゲットから発生したX線ビームは、ピンホールカメラの原理で蛍光スクリーン上に結像する。光学系は、その像をストリーク管の光電面にフォーカスさせるためのものである。蛍光スクリーン上に方眼紙を貼り付け、暗視カメラの画像を見ながら、接眼レンズの位置を調整して光学系の焦点を合わせる。
光学系
暗視カメラ

ストリーク管光電面（カソード）-6.5kV

加速電極（メッシュ）-5.0kV

集束電極（フォーカス）-5.5kV±0.5kV

アノード0V（GND）MCP出力+400V～+900V

蛍光面+3.9kV

ピンホール(100μm)

フォーカス電圧及び、MCP出力電圧は、出力画像をモニターしながら適正値に調整する必要がある。

X線
MCP

3.3 暗視カメラ
ストリーク管（MCP）の蛍光面に結像した画像を、暗視カメラによって観測する。このカメラには、浜松ホトニクス社製のモノクロチルドCCDカメラC5985を使用した。このカメラは、低照度下での観察用として開発されたもので、CCD電荷蓄積時間を0.000１秒から最大5分まで設定することができるので幅広い光量領域に対応している。また、バックグランド減算機能により光学系の固定パターンやシューディングを取り除くことができる。表2にその仕様を示
す。

制御器
蛍光スクリーン

高圧電源

図3：光学測定系の概略図

表2：モノクロマルチCCDカメラC5985の仕様
映像素子
信号方式
映像出力
レンズマウント
冷却方式
露光時間（蓄積時間）
有効画素数
画像メモリ

図4：ストリーク管用の各種高圧電源
3.2 ストリーク管（MCP）
ここで使用したストリーク管（MCP）は、浜松ホトニクス社製のN895-01である。その動作は、入射した光が、まず光電面で光電効果により電子に変換され、加速電極で加速された後、マイクロチャンネ
ルプレート（MCP）で最大数千倍に増幅され、最後に蛍光面に当たり増幅された光となる。今回光学測定系を構築するために市販の高圧電源（図4参照）との間を配線し、各電極に表1の電圧を印可した。
尚、ストリーク管として使用する場合は一対の偏向-724-

1/2型インターラインCCD
EIA
コンポジットビデオ1.0V/75Ω
（BNC）
Cマウント
空冷方式（ペルチェ+ファン）
0.0001秒～5分
756(H)×483(W)×8bit(D)

画像積算機能メインメモリ 1面
サブメモリ 1面
コンピュータアクセス 1面
減算(バックグランド積算)

同期方式

内部同期

ガンマ
ゲイン

10～+18dB

外形寸法：
カメラヘッドカメラコントロールユニット

70(W)×60(H)×140(D)
232(W)×81(H)×308(D)Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

４．測定結果160

図5は、ビームサイズの校正のために蛍光スクリーン上に貼った方眼紙を、本件の光学測定系で観察した画像である。この1mm角のメッシュ画像からx,yy-beam size=
FWHM=0.37mm
0.37mm（FWHM）

140

Beam intensity (bit)120100806040
205mm

0100

150

200

250
300
350
Vertical position (bit)

400

450

500

500

550

図7：垂直方向の電子ビーム分布

5mm
160

x-beam size=0.27mm（FWHM）

FWHM=0.27mm
140
Beam intensity (bit)120

図5：サイズ校正に用いた1mmメッシュの方眼紙画像方向の画素当たりのサイズを決定した。この画面はストリーク管（MCP）の出力画像を暗視カメラで測定したものである。画面中央部の暗黒箇所はMCP面の不活性箇所である。この箇所へのX線ビームの照射をできるだけ避けるように、蛍光スクリーンのビーム位置を下方に調整して測定した。尚、ビームサイズを測定する時は方眼紙を取り外した。

100806040200150200250300350400
Horizontal position (bit)450

図8：水平方向の電子ビーム分布

５．まとめ
今回開発したシステムにより、0.1mm程度の微小な電子ビームサイズが、X線を用いて光学的に測定できることを確認した。この装置は、高輝度X線発生用電子銃の開発に於いて必要不可欠なものである。
0.1mmよりもさらに微小なビームサイズも、ピンホールのサイズと蛍光スクリーンまでの距離を調整することにより測定可能である。

Beam spot

６．謝辞
X線ビームサイズ測定に際して坂部知平先生には、蛍光スクリーンや、モノクロチルドCCDカメラC5985を快くお貸しいただきました。またご指導、ご助言により本開発が滞りなく遂行できましたことを心よ
図6は、光学測定系で見たターゲット上の電子ビーり感謝いたします。また、ストリーク管の仕様を調ム像である。ターゲットから発生したX線ビームを、 査いただき使用方法についてご助言いただきました
斜め10度方向から見ている。この画像をパソコンで浜松ホトニクス社殿に深く感謝いたします。
処理し、電子ビームの分布を画像の輝度から求めた。
ビームスポットの垂直断面を図7に、水平断面を図8
参考文献に示す。この例では、垂直及び水平方向の電子ビー[1] S.Ohsawa, et al., “X線発生装置用電子銃の要素開発研
ム サ イ ズ は 、 そ れ ぞ れ 0.37mm （ FWHM ） と 0.27mm
究” , Proceedings of the 30th Linear Accelerator Meeting（FWHM）である。ビームスポットは綺麗に測定されin Japan, Saga, July 20 – 22, 2005
[2] S.Ohsawa, et al., “HIGH BRIGHTNESS ELECTRONており、目標とする0.1mmのビームサイズは充分測GUN FOR X-RAY SOURCE” , PAC2005, Knoxville,
定可能であることがわかった。
図6：図5と同じシステムで測定したターゲット上の電子ビーム像（1μ秒、20Hz、66mA）

USA, May 16 - 20, 2005

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