Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

DEVELOPMENT OF BEAM LOSS MONITORAND DATA ACQUISITION SYSTEM FOR J-PARC LINAC
Mikio TANAKA1,A), Seishu LEEC), Hironao SAKAKIB), Yuko KATOB), Masato KAWASEA),
Hiroki TAKAHASHIB), Yuichi ITOHB), Kazuhiko WATANABEB), Hiroyuki SAKOB), Yasuhiro KONDOB),
Susumu SATOB), Zenei IGARASHIC), Junichi KISHIROB), Takeshi TOYAMAC), Hiroshi YOSHIKAWAB)
A)
Accelerator Engineering Center, Mitsubishi Electric System & Service Co., Ltd (MELCO SC)
2-8-8 Umezono, Tsukuba, Ibaraki, 305-0045 JapanB)
Tokai Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI)
2-4 Shirakata-Shirane, Tokai, Naka, Ibaraki, 319-1195 JapanC)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801 Japan
Abstract
In order to protect accelerator equipments from thermal and/or radiation damages due to beam losses, a machine
protection system (MPS) has been developed in J-PARC. The MPS requires the beam loss monitor (BLM) fast
response of less than several microseconds and good reliability. In this paper, results of beam loss experiments in KEK
20MeV DTL and a data acquisition system for BLM are discussed.

J-PARC LINAC のビームロスモニター(BLM)とそのデータ収集システム
１．はじめに加速器は安定した運転中であっても制御機器のゆらぎや突発的な異常により，ビームロスが変化することがある．J-PARCのような大強度陽子ビームのロスは加速器構成機器に対し，放射化および熱的なダメージを大きくする．そこでJ-PARCではビームロスによるダメージから機器を保護するためのインターロックシステム（Machine ProtectionSystem，MPS）が導入される．
MPSの発報はビームロスモニター（Beam LossMonitor, BLM ） か ら の 信 号 を 基 準 と す る た め ，BLMの開発はビームロスに対するその出力信号の特性を考慮しながら進める必要がある．本発表では，最近のビームロスモニター試験の結果および試験・製作中のVMEを用いたデータ収集システムについて報告する．

動 作 を MPSに 要 求 し な け れ ば な ら な い ． よ っ て
MPSユニットはノイズなどによる誤動作の防止を考慮に入れた高速処理設計がされている[1]．
MPS用BLMは性能として応答速度(〜1µs)，S/N比，耐久性，長期使用における信頼性が優れていることが要求される．特に検出器の性能がBLMの性能を左右するため，適切な検出器を選定することは重要である．J-PARCでの使用にあたり先述したすべての性能基準を満たす検出器は存在しない．このため従来から定評があり，また，これまでKEKPSにおける使用実績や感度，応答性，耐久性などの試験の結果を踏まえ，シンチレーション式，ガス増幅比例計数管式などそれぞれ特性の異なる検出器の長所を活かし組み合わせることでBLMシステムを作製する計画である[2]．
2.2

試験開発状況

J-PARC Linacにおいて陽子ビームエネルギーが100MeV以下，特に低エネルギーになるほど高速応答性能が要求されるため，MPS用主検出器に一般
2.1 概要的に応答性の良いシンチレータ，副検出器（校正MPSは設定されたロス量の値を超えるとビーム用）に比較的耐久性の良い比例計数管を使用する．
を停止させる．MPSの中でBLMはロス量を検出し， 以下にKEK-DTL 20MeVでの試験を中心にそれぞれインターロック信号を発報する役目を担っている． の特性を述べる．
陽子ビームの熱衝撃破壊に対する許容時間がJPARC Linac 上流のRFQ，MEBT部では〜2µs，またシンチレータ(S‑BLM)
DTL部では〜15µs程度との試算があり，熱衝撃を検出器はシンチレータ GSO（Ce:Gd2SiO5 大き回避するにはそれより速い時間でビームを止める
さ10×10×100mm），またはSCSN-81（大きさ10２．ビームロスモニター

1E-mail: mikio@linac.tokai.jaeri.go.jp522Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

比例計数管（P‑BLM）
ステンレス（SUS316L）製の2重管構造で芯線にタングステン（径φ60µm，有効長850mm），計数ガスにアルゴン‑メタン（90%：10%）を用いる．
アルゴン‑メタン封入管は放射線源を用いた試験
結果から長期使用により芯線に付着物が生じ，著しい信号低下が見られた[2]．このため付着物が生じないと予想されるアルゴン‑二酸化炭素（99%：1%）を用いた計数管の試験も行っている．

P-BLM は 電 流 モ ニ タ の 出 力 波 形 に 対 し て ジ ッ
ターと立ち上がりで数µs程度かかっている．また立ち下がり時はなだらかである．比例管とプリアンプの性能に依るところが大きい．入力インピー
ダンスを50Ωにすると立ち上がりは速くなる．ただし増幅率が約1/2となる．
図2にオシロスコープで計測した比例計数管のバイアス電圧に対する出力を示す．アルゴン‑メタン封入管，アルゴン‑二酸化炭素封入管ともにバイアス電圧を上昇とともに，信号出力が増加した．
同バイアスの印加でアルゴン‑二酸化炭素封入管はアルゴン‑メタン封入管の約2倍の出力が得られることが分かった．
10Signal(V) AMPx10×10×200mm）と石英窓を装備した光電子増倍管（PMT：浜松フォトニクス H3695-10）を組み合わせて用いた．GSOは耐放射線強度が1MGy，蛍光減衰時間が30〜60nsである．

KEK‑DTLにおける試験
陽子ビームエネルギー 〜20MeVに対するBLMの応答性，感度などを調べる試験を行った．

SCT

SCT 5mA, 20MeV
Ar+CO2
1Ar+CH4
0.1

0.01
P-BLM
(Ar+CH4)

11.2

1.4

1.6

1.8

22.2

H.V.(kV)

H.V1.5kV

図2 ビームロス出力のバイアス電圧依存性（P-BLM：オシロスコープによる測定）

S-BLM(GSO)H.V 750V

日本原子力研究所 高崎研究所における試験加速器施設では長期にわたるビームロス試験が困難である．そこで長期使用を想定したBLMの感図1 ビームロス波形
度特性を調べるため，γ線（Co-60）放射線源を用比例計数管（アルゴン‑メタン封入）およびいて試験を行った．それぞれの検出器を線源からシンチレータ（GSO）+光電子増倍管
3.3‑3.5m の 距 離 に 設 置 し た ． ま た 照 射 線 量 率 は0.24-0.27Gy/hで，26時間照射した．
図1にKEK DTL20MeVにおけるビームロスモニ
P-BLMについてアルゴン‑二酸化炭素封入管は試ターの出力を示す．Linacの運転条件は電流値6mA，験開始時から電荷収集量3mC/mmまでの出力低下がビーム幅50µs，繰り返し周期5Hzであった．それぞ約3%で，アルゴン‑メタン封入管に比べて非常にれの検出器をDTL出口から約30cm下流側のビーム良い結果が得られた[2, 3]．
ダクト中心直下約30cmに設置した．検出器からの出力をプリアンプ（入力インピーダンスを10kΩ）を通し計測した．
GSO
S-BLMは電流モニタ(SCT)の出力波形に対して時間的に追従している．処理回路を含め1µs以下のSCSN-81
応答性の実現へ期待できる．非常に応答性が速いため，図1ではオシロスコープで4回アベレージを掛けている．またDTLの透過率が100%に近いとき
H.V
H.V 330V
330V
はアベレージ回数を増加させると，S-BLMの出力波形はビーム電流波形と極似した．ロス量だけで012345678なく，ロス波形によりビーム診断を行える可能性
Radiation Dose (kGy)も考えられる．ビームエネルギー20MeVでは応答性，感度とも実用的であるが，さらに高速性能の
図3 γ線照射中のS-BLMの出力特性必要な3MeV以下での実証が今後必要である．
500mV
500mV

10µs

Ch450mV

Signal (A.U.)

Ch1Ch3523

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３．データ収集システム
BLM，MPSに関わるデータ収集および制御のためにVMEを用いたシステムを作製している．
Pre-amplifier

Detector

Integrating
CircuitReset
Signal

Processing
Circuit
MPS
Unit

VME

Interlock

Klystron,
GateValve

VME

Radiation
dose
Indication

Signal(V) AMPX10 (VME)

シンチレータについてはそれぞれ2個ずつ用意し， る．VMEで取得したデータは加速器室内各所の放射線量レベルの表示などに用いる計画である．
積算でγ線7kGy，1MGyの照射を行い，このうち現在，KEK-DTL 20MeVにおけるBLM試験に合わ
7kGyの照射試験についてはPMTと組み合わせて出せて，データ収集システムの動作試験を行ってい力計測を行った．図3にS-BLMへのγ線照射(7kGy)
る． 図5に計測対象となるP-BLMの信号（波形）試験の結果を示す．GSO，SCSN-81とも照射開始
例を示す．ここでは積分回路は使用していない．
直後から若干(2〜3%)出力が増加し，その後ほぼ一VMEのAD変換タイミングとしてビームのトリガ信定値となった．GSOの仕様耐性は1MGyでありこの号を基にディレイを調整して対象の波形に合わせ時点では大きな感度変化は見られないものと思わた．図6にVMEで計測した比例計数管のバイアス電れる．今後それぞれγ線照射後の検出器に対し圧に対するロス出力を示す．図2のオシロスコープ
DTL試験における応答性や感度の測定を行い，使で計測した場合と同様，縦軸（信号）を対数にす
用開始直後の特性との比較検証する．
ると，測定範囲内ではバイアス電圧に対してほぼ※7kGy：DTL付近で想定されているロスレベル 0.1W/m
直線的な変化が見られた．ただし出力の絶対値に下で約2年間の照射量に相当する．
相違があった．原因について現在調査中である．

1SCT 5mA, 20MeV
Ar+CO20.1

0.01

Ar+CH4

11.2

1.4

1.6

1.822.2

H.V.(kV)Interlock Input
StateThreshold
Indication Value

図6 ビームロス出力のバイアス電圧依存性（P-BLM：VMEによる測定）

図4 BLM-MPSのシステム概図

４．まとめ

図4にBLM-MPSのシステム概図を示す．ロス検出器からの信号はまずプリアンプで増幅を受ける． BLM試験において，P-BLM用ガスとしてアルゴン‑二酸化炭素は従来のアルゴン‑メタンと比べて次に処理回路内で， MPSユニットへの系統と積分有効性が認められた．またS-BLMは高速応答性が回路の系統に分岐される．MPS系統はビームロス確認された．今後，γ線照射試験後の特性評価やが設定されたしきい値を越えたときMPSユニット
ビームエネルギー20MeV以下の領域における試験に インターロック信号を送る．MPS側のVMEはを行う．
MPSの た め の BLMレベルしきい値の入力やインターロック作動状態の取得等の制御に用いられる． データ収集システムについては引き続き基礎的な動作確認および，表示・制御ソフトウエアの開また積分回路の系統はある一定時間ロス出力を積発を行うことが課題である．
算し，外部トリガ信号によって出力をリセットす

参考文献

SCT

[1] H. Sakaki et al., “Design for the Prototype-unit for JPARC Machine Protection System”, 2004-022 JAERITech, 2004 (Japanese)[2] S. Lee et al., “The Beam Loss Monitor System of the JPARC Linac, 3GeV RCS and 50GeV MR”, Proceedings
thP-BLM
Trigger
Ch1Ch3200mV
500mV

20µs
Ch4of the 9 European Particle Accelerator Conference，
2004[3] M. Tanaka et al., “Investigation of sensitivity property ofgas filled proportional counters for J-PARC Beam LossMonitors”, Proceedings of the 29th Linear Accelerator
Meeting, 2004 (Japanese)

5.0V

図5 ロス波形とADC変換スタート
トリガタイミング
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