The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

バンチモニタの応用北條悟 A)、本間壽廣 A)、坂本幸雄 A)、宮原信幸 A)、河野耕二 A)、岡田高典Ｂ)、小松克好Ｂ)、辻A)

聰 A)、

放射線医学総合研究所〒263-8555
B)

那由多 B) 、山田

千葉市稲毛区穴川 4-9-1

加速器エンジニアリング株式会社〒263-0043 千葉市稲毛区小仲台 2-13-1
ここで、運動エネルギーT は、

概要
放医研サイクロトロンでは、固定型のバンチモニタと位置可動型のバンチモニタを増設した。２カ所のバンチモニタにより、ビームバンチ間隔距離を測定し、サイクロトロンからの平均取り出し半径を求めるエネルギー測定や、周期の速い内部イオン源アーク状態の変動の監視、また、高周波加速電圧との位相差を観測し、ビームの安定化に用いる計画である。その測定方法等についての報告を行う。

1

はじめに

放医研サイクロトロン[1]では、ビーム診断用モニタとして３台のバンチモニタを設置している。１台は、ビーム輸送系の最上流に配置し、Ion 源の調整及びビーム安定化に用いる。２台はセットとして、輸送系の直線部に設置しビームエネルギーを測定する。この報告では、後者について述べる。
この測定方法は、ビーム輸送系の直線部に固定型と位置可動型バンチモニタの２カ所のバンチモニタにより、サイクロトロンからの平均取り出し半径を求めることによってエネルギーを測定する方法である。

2

⎛
⎞
1− 1⎟
T = E0 ⎜⎜ 1− ⇓ 2⎟⎝⎠
ここで、 T は、 T = E − E 0

E0 は、静止エネルギーである。
また、⇓は、

⇓=v L
=f RF
c hc

(1)

ここで、ｃは光速、ｆRF は加速周波数である。
従って、L を測定することによりエネルギーを求めることができる。

L=2πR-exth=1h=2理論

バンチモニタは、ビームを止めてカレントをモニタするのではなく、ビーム軌道上に円筒状の電極をおき、ビーム粒子の電荷による誘導電荷を検出するビームモニタである
ため、ビームを止めることなくモニタすることができる。
また、バンチモニタでは、ビームバンチ毎の観測が可能となる。これにより、カレントモニタではみられない速い時間でのビーム変動をとらえる事ができる。
一般的なバンチモニタを用いた TOF エネルギー測定では、２つのバンチモニタをバンチ間隔内に設置し、通過時間の測定を行いエネルギーの測定が行われる。しかし、こ
こで、バンチ間隔距離 L は、サイクロトロンの取り出し平
均 半 径 を R-ext と し 、 ハ ー モ ニ ッ ク 数 を ｈ す る と 、L = 2πRext h の距離となる。そのため、図１の様に２πRext の位置にモニタを設置することにより、ハーモニッ
ク数に関係なく同じタイミングでの観測ができ、その距離が L となる。

図１：バンチ間隔とモニタの位置関係

3構成

今回導入されたバンチモニタは、口径φ52mm 長さ 32mm の円筒型のものが２台、サイクロトロン本体室と汎用照射室間のストレート部に設置されている（図２参照）。下流側のモニタは、上流側のモニタ位置からの距離がサイクロト
ロンの最外周長と、同じ程度の距離５７７ｃｍの位置を基準位置とし、ビーム軸方向に±９０mm の範囲を 0.1mm 間隔で可動できる。
現在、バンチモニタ電極からの出力信号は、直接１Ｗアンプ（20～300MHz 55dB 50. ）に入力されるため、入力インピーダンスが低くなっており、観測波形は、微分波形になっている。この波形は、ビーム周期であるためサイクロトロンの加速周波数と同期した周期で、その加速周波数との関係は、ハーモニック数により異なっている。

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A V F930

バン
チモニタ
位置

HM-1 8C3C1Benddown
9 0 deg.

図４：観測波形（原点位置 0mm . T＝70psec）
ビーム条件 α４０MeV 0.5∝A
ch1:上流側 ch2:下流側

C2

図２：エネルギー測定用バンチモニタ配置図4

測定

アンプの出力を直接オシロスコープで観測を行い、２つの波形を見ながら、最外周長の測定を行う事により、ビームのエネルギー測定を行った（図３参照）。
サイクロトロン本体室

L=2πR-ext.L

汎用照射室

Beam

図５：観測波形（原点＋30.5mm . T＝ 0sec）
ビーム条件 α４０MeV 0.5∝A
ch1:上流側 ch2:下流側

5
図３：測定配置図
上流下流それぞれのバンチモニタ用アンプおよびケーブルの長さによる時間差は、0.2nsec 以下にした。両波形をみながら、下流側の可動型モニタの位置を動かし、両波形の重なる位置での上流モニタとの距離が実際の加速におけるサイクロトロンの最外周長となり、この最外周長と加速周波数から、式（１）よりエネルギーを求めた。（図４，５観測波形）

測定結果

エネルギー測定の結果を表 1 に示す。この結果より、公称値との比較を行うと、各ビームエネルギーにより、差が生じた。α40MeV では、公称値に非常に近い値を得ることができた。これに比べα65MeV では、３％程度高いエネルギーであった。この原因としては、まず、セプタムの入り口の位置が、α65MeV では、α40MeV よりも外側の位置でビームを取り出している為だと考えられる。一方、α65MeVと P65MeV では、公称値のエネルギーと加速周波数から算出した取り出し半径は、α65MeV では、91.8cm、また、
P65MeV では、92.6cm となり、実際に測定されたデータより大きくずれている。今後、ビーム各種のデータをセプタム入り口の位置や、加速周波数の影響等について引き続き測定を行っていく。

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表 1：エネルギー測定結果

運転パラメータ
測定値
公実粒 称R ext F R F Septum
測子 値Input ｈ［ｃｍ］ ［ M H z］
［M eV ］ 値Set
［M eV ］
α4039.992.3 15.00

2702α6567.293.319.23332P6563.491.6

18.32661

輸送系最上流側のもう 1 台のバンチモニタは、イオン源のアーク状態の安定性を観測し、最善のアーク状態の調整に用いることができる。
また、高周波電圧とビームバンチの位相差を観測することにより、ビームの安定化を計ることも可能である。

A M P (20～300ＭＨｚ)

Ｍａｉｎ
Ｓｙnthesizer
phaselock
10M H zA N A LO G
G A TEC rossover
Timing S C A

また、下流側の可動型モニタの位置による上流側との時間差（両波形のずれ幅）の変化を、図６に示す。これにより、時間差と位置のリニアリティは、良いことが確認できた。

基準位置からの変位（m m ）1000-100start

800

TA Cstop

600
400200M CA0-50-200 050

100-400-600-800

図７：MCA を用いたエネルギー測定ロジック図-1000
時間差（psec）

図６：下流モニタ位置に対する時間差の変化（P65MeV）

6

まとめと今後の課題

今回の報告では、直接オシロスコープにより波形を観測して、エネルギーの測定を行い、また、位置と波形のずれ幅、つまり時間差のリニアリティの確認をすることができた
事について述べた。今後、測定結果にＭＣＡを用いた測定方法の検討行っている。その方法としては、まず、ビーム周期のままでは、観測するのに速すぎるため、サイクロト
ロンのメイン周波数発振器と同期をとった、同一のゲートパルスによりアナログゲートをかけて、周期を１／１００程度に間引きし、周期の長くなった波形にたいして、TimingSCA により、ゼロクロストリガをとり、タイミングパルスをつくる。このタイミングパルスを、上流下流それぞれＴＡＣに入力し、その出力をＭＣＡ（1024ch）に入力することにより、時間差による分布、つまり、エネルギー分布を観測する事ができる。分解能としては、ＴＡＣの出力によって変化するが、ＭＣＡの 1ch は約 50psec 程度になり、全チャンネルでは、50nsec 程度の測定幅を持つことができる。ロジック構成図を図７に示す。

参考文献[1] H.Ogawa,et al, IEEE Trans. Nucle. Sci. NS-26,No2,(1978)
1988[2] Z.Kormany, Nucl. Instr. And Meth. In Phys. Res. A 337(1994) 258-264.