空胴型ビーム位置モニター実用機の開発研究
井上洋一1,A)、樋口A)

正人 A)、早野仁司 B)、内藤孝 B)

東北学院大学工学研究科応用物理学専攻〒985-8537 宮城県多賀城市中央一丁目 13 番 1 号B)

高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

概要
JLC や FEL などの将来型線形加速器では高精度高分解能のシングルショット測定可能なビーム位置モニターが必須である。その要求を満たすビーム位置モニターとして空胴型ビーム位置モニターが候補にあげられ、現在開発研究をおこなっている。空胴型
ビーム位置モニターは高分解能はもとより、機械的加工精度が出しやすく外周基準面から中心までの絶対位置精度が出しやすいと考えられる。その絶対位置精度を損なわすものは、ビーム通過と同時に位置に依存しないコモンモードの信号が混じり込むためである。本稿では絶対位置精度を追求するため機械的加工精度と電気的中心の偏差を測定する測定装置について報告する。

1．はじめに．はじめに
JLC のための試験加速器である ATF では、高分解能ビーム位置モニターとして空胴型ビーム位置モニターをロシアの BINP 研究所と共同で開発を進めており現在、実用運用段階にある。得られた分解能は最高 0.2μm と将来型線形型加速器の要求を十分に満たすものであるが、絶対位置精度は考慮に入れていないため空胴外周加工面から空胴の電気的中心まで数 100μm 程度であろうと考えられ問題である。
そこで本開発研究では Q マグネットの中心および加速管の中心位置に対して通過するビーム位置を 10μm 以下の絶対設置精度でかつ分解能 0.2μm 以下で検出できるビーム位置モニターとして空胴型ビーム位置モニターを採用する事とし、現状の BINP のモニターから発展的に改良、開発する。これは空胴の分解能を上げて位置測定をする際には処理回路のダイナミックレンジが小さいため測定可能範囲が小さくなるため、絶対精度をあげ初期の設置精度をよくすれば常時高分解能測定が可能となるためである。
この開発は BINP 研究所との共同開発した空胴型位置モニターをベースにして、機械加工精度をあげ、基準面を正確に出し、かつ絶対位置精度を損なわせるコモンモードを排除する電気設計とし、長時間安定に精度を維持できる安価な検出回路を開発しようというものである。この開発研究は始まったばかりであるので本稿では実験室で絶対位置精度を測定するシステムについてのみ報告を行う。
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E-mail: yinoue@post.kek.jp

2．絶対位置精度の必要性．絶対位置精度の必要性
空胴型ビーム位置モニターは、中心付近を通過するビーム位置分解能は 0.2μm 以下が容易であり、機械加工精度だけから電気的中心と機械的中心がキャリブレーションなしでも 10μm 程度以下であわせることが可能である、さらに円筒形状なので精度よく外形基準面を作り出せ、その基準位置を測定しながら Q マグネットなどに 10μm 程度以下の精度で設置することができる、などの利点を持つ。しかし、空胴製作コストが高い、検出回路がマイクロ波領域であり複雑でコスト高、長期間安定に動作する回路が難しいなどの理由もあり、空胴型ビーム位置モニタ
ーはこれまで各国の研究所、研究者らにより研究開発されてきたが、実用運用までなされたものは少ない。しかし JLC や FEL などの将来型線形加速器では加速管の中心や Q マグネットの中心を絶対精度 10μm 以下でビームを通し、かつ長時間安定に軌道を0.2μm 以下の分解能で観測し維持する必要がある。
初期設置時に数 100μm の誤差で設置された場合測定位置の分解能をあげようと回路のゲインを上げていくと測定範囲が 100μm 程度以下にまで狭まってくる。常に高分解能で位置測定をするためには初期設置を数 10μm 程度以下の精度で行う必要があり、そのためには空胴外側の基準面と電気的中心位置とのずれの精度は 10μm 程度以下が必要とされる。Q
マグネットの中心から位置モニター中心までの最終的なずれはビームベースアライメントにより求められるであろう。

3．ビ．ビ−．ビ− ム位置検出空胴
BINP 研究所との共同開発した空胴型位置モニターをベースにして、開発研究をするので現状の空胴型位置モニターについて述べておく。空胴の外観図を図１に示す。ダイポールモードの周波数は6.426GHz であり、検出空胴の端板部より半径方向に切った細いスリット穴により磁場結合でテーパー状導波管に結合される。ダイポールモードは各軸ひとつの導波管で信号引き出しがなされている。コモンモードはこの細いスリット穴には磁場が直交しているので結合度が低く抑制されている。導波管への結合度が低く抑えられているので Q 値は比較的高く約8500 程度と実測されている。

中心からの絶対的な偏差を測定する事は行っていない。
今後開発する空胴はこれをベースとし結合導波管を対称位置にもう２つ設け積極的に外付け回路でコモンモードの抑制をさらに行う。そして空胴外周面と空胴の中心の機械的精度をあげた製作とし、基準面にヒーターなどの面を隠すようなものを置かない設計とする。

4．コモンモードの排除．コモンモードの排除

図１：ATF に現在設置されている空胴型ビーム位置モニター

絶対精度は空胴の機械加工精度が主に原因として効いてくるが、電気的要因として考えられるのがコモンモードの存在である。空胴位置モニターの中心付近をビームが通過するとき、空胴内部には中心軸に対して対称なコモンモードと、ビーム位置測定に使用される非対称なダイポールモードが励起される。
コモンモードは軸対称に励起されるため、ビームの絶対位置精度を損なわせる原因となる。このコモンモードは検出周波数がコモンモード共鳴ピークからかなり離れるため誘起される信号の大きさとしては大分小さいのであるがダイポールモードで検出する電気的中心を数μm 以上ずらす効果をもっている。
空胴外壁で磁場カップルにより信号検出するような円形空胴のビーム位置モニターの場合、コモンモードよるビーム位置精度の誤差 error は、

λerror = 0.305 110
Q110

図２：X-Y ステージに設置されている空胴型ビー
ム位置モニター
ATF に設置するためビームの通過アパーチャーを確保する必要があり直径 20mm のビーム穴をとっているので、空胴周波数はそれほど上げる事はできず（周波数を上げると空胴がコンパクトになる）、結局 6.4GHz 程度になっている。空胴外周には電気ヒーターが貼られ空胴の周波数制御がなされている。
この空胴の加速器への設置に際しては取り付け基準（空胴外側面）が精度がないため Q マグネットに固定して位置調整するような取り付け方ができず、独立して設置位置調整ができるように各空胴毎に X-Yステージが取り付けられている（図２の写真参照）。
高分解能ビーム位置測定の際には電気回路の測定レンジに入るようにこの X-Y ステージを駆動させる。
すなわち現用の空胴位置モニターではビームの相対変動の測定のみに使用されていて、Q マグネットの(1)で表される[1]。使用するダイポールモードの周波数は 6GHz 程度であるのでλ110=50mm、また Q110=4000を仮定すると、error=3.8μm となる。この値は空胴の Q 値や磁場カップリングの仕方などによってより大きくなる可能性がある。しかし、コモンモードの排除を積極的に行っておけば、これによる電気的中心位置の検出誤差を 1/10 以下にはできるであろう。
そこで空胴から信号を対称的に配置された 2 ポートから取り出し、コモンモードによる信号が逆位相になるようにして合成し相殺すれば電気的中心位置のコモンモードによる揺らぎを 1μm 程度以下に保証することができる。本研究では機械加工精度にしわ寄せがいかない様に、組み込みでのコモンモード抑制立体回路などは避け、安価に実現できる外付けコモンモード排除回路を用いる事とした。

5．絶対位置精度の測定装置．絶対位置精度の測定装置
ビーム位置モニターの絶対位置精度を測定するには、空胴の電気的中心と機械的中心の一致精度を評価する必要がある。そこで図３に示される高精度回転ステージを使用した中心位置決め機構による空胴とアンテナのアライメント装置を作成した。
空胴には外付けコモンモード排除回路を取り付け、測定にはネットワークアナライザーを用いる。空胴とアンテナはともに同じ高精度回転ステージの上に設置され、それぞれ独立で高精度 XY ステージおよージにより移動させ、空胴のダイポールモードが最小となる点をさがす。このときのアンテナの位置を空胴の電気的中心とすると、アンテナの移動量から、空胴の機械的中心と電気的中心のずれを求めることができる。
現在この測定装置は製作中であり残念ながら本報
告には間に合わなかったが９月には初期の結果がでる予定である。

び、高精度 Z ステージ、ゴニオステージによって微細な位置調整を行う事ができる。ここで使用する高精度回転ステージは newport 製 RV160MS であり回転時の芯ぶれ量は 2μm 以下である。また高精度 XYステージは PI 製 M-013.00 の２段組のものであり位置精度 0.1μm で位置決めが可能である。高精度 Zステージは位置決めされたアンテナをまっすぐに空胴中心部に降ろしてくる必要がありその時の直進度は 1μm/100mm である。ゴニオステージはアンテナの保持角度を調整するものであり調整後はそのまま保持される。デジタル寸法測定器（keyence 製 測定部 LS-7030 とコントローラーLS-7000）は向かい合って設置された LD 投光部と受光部から構成されており、投光部から幅 30mm の均一な平行光が発生し測定対象物に照射される。このとき測定対象物によって生じた影の映像が受光部から出力され、測定対象物の影端部分の位置が±2μm 以下の精度で演算、表示される。空胴やアンテナはこの光をよぎるように設置され、そのときに計測されている端部の位置が回転によっても変わらない様に空胴やアンテナを位置決めする。ここで測定精度は回転ステージの芯ぶれによる機械的中心の設置誤差が 2μm 以下、アンテナ下部の XY ステージの設置誤差が 0.1μm、デジタル寸法測定器の測定誤差が 2μm 以下、これらから算出して 4.1μm 程度以下である。実際の測定精度は装置の完成後評価する。
測定の手順は、まず空胴を回転ステージで回転させデジタル寸法測定器で、回転したときのずれを測定し、ずれを無くするように空胴の中心を回転ステージの中心軸上に調整する。また、このときアンテナも同様にして回転の中心軸上に設置し、このアンテナの位置を空胴の機械的中心として決定する。この後、ネットワークアナライザーでダイポールモードの振幅を観測をしながらアンテナのみを XY ステ

E

6．今後の計画．今後の計画本研究は今年度始まったばかりであり絶対位置測定装置の構想と設計が終了し組立ての準備が進行中である。今後、その絶対位置精度の測定装置を用いて現用空胴および発展型のコールドテスト空胴の機械的中心と電気的中心の一致精度の測定、評価を行う予定である。さらに 2002 年中にはそれをもとにして空胴型ビーム位置モニター実用機の設計と製作、そして 2003 年にはビーム試験および設置運用試験を予定している。

7．謝辞
．謝辞
本研究をおこなうにあたり、菅原機構長、木村物質構造科学研究所長、神谷加速器研究施設長の方々にご理解を頂き共同開発研究として進める事ができました。この場を借りてお礼を申し上げます。

参考文献
[1]

J.P.H.Sladen and W.Wuensch.,“The effect of finite
Q on the precision of resonant beam position
monitors ”, CLIC Note 185, 8 January 1993.

FGA
B

DC
図 3：絶対位置精度の測定装置

A

Z 軸移動ステージ

B

XY 軸移動ステージ

C回転ステージ

D空胴E

ゴニオステージ

Fアンテナ

G

デジタル寸法測定器