Proceedings of the 22nd Linear Accelerator Meeting in Japan

11a-2

SPEC TR A M EASURENT OF TH E LINAC BEAM NEARFIELDUSING SLOT ANTENNAS
Shusiike NISIYAMA, Hiroyasu ITOH, Satoshi TOM IOKA，Takeaki ENOTO
Division of Quantum Energy Engineering, Graduate school of Engineering, Hokkaido University
Kita-13jo Nisi-8chome Kita-ku Sapporo, Hokkaido, 060, JapanA BSTRA CT
The spectra, of an electromagnetic field around an electron LINAC beam was measured with small
slot antennas. The shown spectra are described as the products of frequency response of the slot
antennas and the LINAC beam spectrum, which depends on the micro-pulse structure. The results
show that the detected signals were mainly harmonics, since the dimensions of the antennas weresmaller than the wavelength oi the acceleration microwave. It is also shown that the relation of thedetected signal power and the distance between the beam and the slot varied at very adjacent to thebeam in some frequencies, that depends on the antenna plate size.
スロットアンテナを用いたライナックビーム近傍電磁界のスペクトル計測1• はじめに
これまでに、著者らはビーム近傍の電磁場に注目し、それをスロットアンテナで検出するタイプの非接触型ビーム位置モニタの研究を行ってきた。
スロットア ンテ ナは、原理的には無限に広い導体テナを用いて検出した電子線型加速器ビーム周辺の電磁場のスペクトノレと、各高調波におけるビー
ム 位 置 モニタ として の特 性を示 す。

2 . 実験体系

板上に設けたスロ ット（細 孔 ）が磁流ダイポーノレと実 験 は 北 海 道 大 学 の 45M eV 電子線型加速器して働くアンテナであり、通信用にはスロットの(2855M H z ) を 用い、パ ル ス 幅 10ns 、繰返 し周波

長 さ が 目 的 の 周 波 数 で 1 / 2 波長となるように設計

数 lO pps 時 の ビ ー ム 電 流 が 4 0 n A のビームでおこされる。 しかし、 ビームモニタとして、ビームのなった。実験に用いたスロットアンテナは、両面周囲や加速器の内部に複数のアンテナを配置するに銅箔が張られた矩形の誘電体基板 ( 厚 さ 1.6mmグ ラスエ ポキシ 製）の片面中央に矩形のスロット

た めに は、導体板の寸法は加速高周波の波長の数
分 の 一 に 、スロットの長さはさらに小さくせざるを得ない。一 方 、線型加速器やシンクロトロンのを設け、スロット中央部に生じる電位差を裏側から同軸ケーブルを通して取り出す溝造である。スような高周波加速によるビームでは、位相集群のロットの大きさは 3 X 6m m 、誘電体基板の大きさ

結 果 、 ビーム近傍の電磁場には加速高周波の周波は 12 X 24mm、 18 X 36m m 、24 X 48mm の 3 種

数 のみではなくその高調波も多く含まれる。その類のスロットアンテナを用いた。 これを電子ビー

た め 、高調 波 成 分 に 合 わ せ た 寸 法 、形状のスロッ

ムの側方に、スロットをビーム上流へ向け、加速器トアンテナを用いることでビームからの電磁場をのビーム取り出し窓から 600m m 下流に設置した。

検 出 す る こ と が で き る 。ま た 、微細構造パルスのまた、スロットアンテナの周囲は、一 辺 が 600mm

状 態は電 磁場のスペクトルに反映されるため、測の電波吸収材を用いて簡易な電波暗室の状態にし定系 の周波 数特 性が既知であれば、スペクトルかた。スロットアンテナから取り出された信号は、

ら微細構造パノレスの状態を非破壊的に推定するこ

図 1 に示すようにバンドパスフイルタで特定のとが可能である。

高調波を選別し、クリスタ ル検波 器 (HP423B ) で
マ ク ロ ノ く ノ レスのエンベロープに変換した 後、 オシ

本 稿 で は 、導体板の寸法が異なるスロットアン

Band Pass Filter
2.855GHz (dominant)Electron Beam

Oscilloscope

Crystal Detector
HP423Bd = 2 / ~ / 0mm

22.84GHz (8th)

図 L 実験体系

ロ ス コ ー プ で そ の ピ ー ク を 読 み 取 っ た 。 バンドパ

2 0 d B 低 い 。また、ピークとなる周波数は、スロッスフ ィルタの通過周波数は、加速高周波の基本波

トアンテナの導体板が小さいほど高周波側になる。

(2855M H z) かこれは、いずれのアンテナでもスロット長が 6mm

8 次高調波（22,84G H z) ま で の 8

種 類 を 用 意 し 、順 次 交 換 し て 実 験 を 行 っ た 。

であ り 、基 本 波 の 波 長 （105mm ) よりかなり小さいためで ある。ま た 、アンテナ全体の大きさが注3 。実験結果
3 . 1 ア ン テ 尤 による スぺク トルの 違い
図 2 にビー ムと スロツ卜中心の距離が 3 0 m m の場合 におけ る各 高調波成分の強度を示す。見やすいよう に折れ 線で表 した が、実際のスぺクトルは加 速周波 数 の 整 数 倍 に 集 中 し た 、線スペクトルに目する電磁場の波長と同程度であり、導体 板表面の電流分布や誘電体基板内部での空洞共振器としての影響が現われていると思われる。このことか
ら、加速管の近くなどで加速高周波が直接伝播して来るような位置に設置してもビームからの電礎場のみを選択的に検出することが期待できる。

近 い 状 態 で あ る 。横 軸 は 周 波 数 、縦軸はアンテナから取り出された信号のピーク電力を表す。 ピー値をもとに補正した結果である。したがって、図 2にはビーム周辺の電磁場のスぺクトルと用いたスロットアンテナの周波数特性の積が現れているはず である。ビームの微細構造パルスが半値幅 20ps
程 度 の ガ ウス 分布を してい るとす ると 、.電磁場のパ ワ ー ス ペ ク ト ル の エ ン ベ ロ ー プ は 、5 次高調波が ほ ぼ 华 値 の 0 を中心とした ガウス 分布 となる 。

trUJ

Mo d >1<3d VN9IS

挿 入損 失とク リスタ ル検 波器の 変換効 率を 、実測

EmpJ【

ク電力は、同軸ケーブルやバンドパスフイルタの-J02.855 5.71 8.565 11.4214.27517.1319.98522.84

FREQUENCY [GHz]図 2: スロットアンテナの信号出力のスペクトル一 方 、スロット アンテ ナの 周波数 特性は 、導体板の 幅 が 1 / 4 波長となる周波数より低周波側では感度が低ぐ高周波側では周波数と共に増加することが簡略化したモデルで行った数値解析の結果から得られている。 [2]3 . 2 ビームまでの距離と出力の閨係
相 対 論 的電子 ビーム 近傍 の電界 は、パルス列が十分長い場合にはどの高調波成分でもビームの進図 2 の結果は、加 速 高 周 波 の 基 本 波 （2855MHz)

行 方 向 に 対 し ほぼ 垂直 な方向 を向き 、電界強度はの強度は弱く、最 も 強 い 高 次 高 調 波 に 比 べ て 1 0 〜

ビームからの距離に反比例する。アンテナの出力

信 号 が 、本 B を 定 数 と し て A r 一s と表される場
ANTENNA OUTPUT vs. DISTANCE

合 は 、2 つのアンテナの間にあるビームの位置は、が で き る 。 [3]スロットアンテナで検出した信号のピーク電力
は 、検 波 器 の 特 性 を 補 正 し た 結 果 、電 界 強 度 に従ってほとんどが距離に対しほぼ - 2 乗に比例して い る 。 しかし、アンテナの導体板の大きさと周Emp H iMo d >1v d 1VNol【】

ビーム強度などによらない簡単な式で求めること

米ぅtl

も i. .

N
Nul6h(PLATE SIZE*24x48)— x— 2.855GHz
5.71—e ~ 8.565— 鼉 一 11.42__嚎— 14.275~ - a - 17.13—19.985— v — 22.84-iま'】\kco20

波数 に よって は、 ビ ー ム に 近 付 い た 時 に 一 2 乗か

3040 50 60 70

100

BEAM-SLOT DISTANCE [mm]ら大きく外れる場合もあった。図 3 に示した導体板が 24 x 48mm の 場 合 は 、 2.86GHz, 5.71GHz

図 3 : ビームまでの距離による信号出力の変化（
導ではビームとアンテナが近い場合には距離に対体 板 が 24x48m m )す る 信 号 出 力 の 変 化 が 少 な く な り 8.57GHzでは逆に変 化が 大きく なった 。そ れ に 対 し 、導体板がぼ 距 離 の - 2 乗に 従 っ て お り 、 ビームの近くでも近 く な る と 、導体板表面の電流分布が平面波の受電界方向の幅と波長とが近 V、周波数で顕著に現わ

Q.

LU
DL

IVNOIS

信の 場合と は 大 き く 異 な り 、その影響が導体板のCC01

5 0 ^Vほとんど変わらない。導体板の縁とビームがごく(PLATE SIZE=18x36)

tErna

1SX 36m m の 場 合 （図 4 には、 どの周波数でもほANTENNA OUTPUT vs. DISANCEれる た めと思 われる 。 このことから、導体板の大BEAM-SLOT DISTANCE [mm]

きさと検出する周波数を適切に選ぶことにより、位置モニタの検出部として望ましい特性を持たせることが可能であるといえる。

0 4 : ビームまでの距離による信号出力の変化（
導体 板 が 18 X 36mm)

4. おわりに周波数特性が異なるスロットアンテナを用いて、電子線型加速器ビーム周辺の電磁場のスぺクトルを測 定し、小型のスロットアンテナでは主に高調波成分を検出していることを示した。
それぞれのアンテナの周波数特性が分かれば電子ビー ムの スぺクトルの強度比が分かり、微細構造パルスの状態が推 定可能 であ るが、通信用の遠方界の特性を求める場合 とは異 なり 、実験的に周波数特 性を測 定する のは 簡単で はない 。今 後 、数値解析でビーム近傍での周波数特性や指向性を求め、加速器ビームの位置モニタや加速状態のモニタとしての応用を予定している。

参考文献[ 1 ] 家 入 孝 夫 ： “ビ ー ム 計 測 ，，，O H O ,9 1 高 工 ネ ル
ギ ー 加 速 器 セ ミ ナ 一 ，(1991)[2] S.NISIYAMA et a l . “CHARACTERISTICS
OF THE SMALL SLOT A N TEN N A AS AN

ELECTRON BEAM M ONITOR ，，，Proc. ofthe 21st Linear Accelerator Meeting in Japan,pp.343-345, 1996
[3] S.NISIYAMA e ta l. “AN ELECTRON LINAC
BEAM POSITION M ONITOR USING SLOTA N TEN N A S” ，Proc. of the 19th Linear Ac­
celerator Meeting in Japan, pp.254-256, 1994