J‑PARCリニアック用レーザーアライメントシステムの開発
池上,A)

雅紀1A)

、東 保夫 、加藤A)

久保田 親A) 、伊藤A)

B)

A)

隆夫 、内藤崇富士雄 、吉野B)

、高崎

榮一A)

一男 、田中宏和A)A)

高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設〒305-0032 茨城県つくば市大穂1-1

日本原子力研究所 大強度陽子加速器施設開発センター〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方2-4れる。レーザー光源としては、波長が532nmのダイオード励起固体レーザーを採用した。レーザー光源の直後に置かれた光学系を用いてレーザー光をほぼ原研およびKEKでは、J‑PARCリニアックのアライメ平行ビームにし、その後は光学系を入れない構成とントに用いるレーザーを用いたアライメントシステした。レーザー光軸は、負水素イオンビーム軸からムの開発を行っている。J‑PARCリニアックの全長は水平方向に700mm離れた位置に位置し、空気の流れにおよそ280mであり、横方向のアライメントの目標はよるレーザー光の揺らぎを軽減するために、気密ダ±50µmである。本論文では、このアライメントシスクトで覆われている。この気密ダクトの内径は80mm
テムの概要と、長さ50mの試験用ビームラインを用いである。KEKのPFリニアックでは真空ダクトが採用さた基礎実験の結果について発表する。
れているが、ハンドリングと製作の容易さから、本システムでは気密ダクトを採用することを計画して１．はじめにいる。
J‑PARC （ Japan Proton Accelerator Research
J‑PARCリニアックは、高周波空洞や四重極電磁石、Complex ） の 加 速 器 施 設 は 、 400MeV リ ニ ア ッ ク 、ビームモニターなどの加速器コンポーネントから構3GeVRCS（Rapid Cycling Synchrotron）、50GeVシン成されており、複数の加速器コンポーネントが１つクロトロンからなる[1]。そのうちリニアックは、の架台上に設置されるような構成となっている。J‑
50keV負水素イオン源、3MeV高周波四重極リニアック
PARCリニアックのアライメントにおいては、１つの（RFQ）、50MeVドリフトチューブリニアック（DTL）、 架台上に設置されたコンポーネント間の相対的なア190MeV分離型ドリフトチューブリニアック（SDTL）
ライメントについては、アライメントテレスコープおよび400MeV環結合型結合空洞リニアック（ACS）かなどを用いた従来の光学アライメントを行い、そのらなる。J‑PARCリニアックの全長は、下流のビーム後、架台間のアライメントをする際に、レーザー軸トランスポートラインの直線部も含め、約280mであを基準とすることを想定している。各架台は、上流る。ビームロスおよびエミッタンス増大を抑えるた側と下流側に１個ずつ、計２個のレーザーターゲッ
めには、各加速器コンポーネントの精密なアライメトを備えている。レーザーターゲットとしては、直ントが不可欠である。このような観点から、このリ径30mmの４分割フォトダイオードを採用した。このニアックの横方向のアライメントの目標を±50µmと直径は、レーザー光源から280m下流におけるレー定めた。さらに、J‑PARCの加速器施設が海岸沿いのザー光のスポット径より大きい。
脆弱な地盤の上に建設されることを考えると、長期にわたって床面の変動を監視する必要がある。このような要求を満たすために、原研およびKEKでは、J‑PARCリニアックのアライメントに用いるレーザーを用いたアライメントシステムの開発を行っている。
これまでに、主要なコンポーネントの試作と、長さ50mの試験用ビームラインを用いた基礎試験を行った。
本論文では、このアライメントシステムの概要と、この基礎実験の結果について発表する。

概要

Laser target boxes

Airtight duct

Airtight ducts

Bellows

Laser light source

Laser beam axis

Proton beam axis

Bellows

Accelerator stands

Laser beam axis

Proton beam axis

Laser
stage

２．レーザーアライメントシステム
本レーザーアライメントシステムは、KEKのPFリニアックのアライメントシステムを元に設計されている[2]。本アライメントシステムの概念図を図１に示す。レーザー光源は、リニアックの最上流に設置さ1

E-mail: masanori.ikegami@kek.jp

Floor level

図１：レーザーアライメントシステムの概念図

Laser target

ArmDTL tank

Template

AB

Laser target box

Optical target

図２：ターゲットボックスのDTLへの取り付け

図３：レーザー架台

個々のレーザーターゲットは、「レーザーターゲットボックス」と呼ばれるボックス内に格納されている。このレーザーターゲットボックスは、レーザーターゲットを必要に応じてレーザー光軸からそらすための駆動機構を備える。この機構はそのレー
ザーターゲットより下流に取り付けられたターゲットにおける測定を容易に行うために必要なものである。この駆動機構には、精密な位置の再現性が要求される。試作機による試験の結果、この駆動機構には、±5µm以内の位置再現性があることが確認された。
このターゲットボックスは、アームを介して架台に（あるいは直接加速器コンポーネントに）取り付けられる。例として、図２に、DTLにターゲットボックスを取り付ける方法を表した図を示す。DTLタンク
を加速器トンネル内に設置するのに先立って、レー
図４：ビームラインに設置されたレーザー架台
ザーターゲットの位置を、テンプレートを基準として調節する。レーザーターゲットの位置の調節をせる必要があり、そのためのレーザー光射出方向の行った後、レーザーターゲットボックスのタンクに対する位置を固定（ロック）する。テンプレートは、 微調整機構が必須となる。この微調整機構には、およそ0.1µradという極めて高いレーザー光射出角度鉄製のバーで、負水素イオンビーム軸位置にアライの分解能が要求される。この高分解能の角度調節をメントテレスコープ用の光学ターゲットを、レー実現するため、本システムでは、レーザー光源およザー光軸位置にレーザーターゲットをのせることがび光学系をのせたプレートを弾性変形させることにできるものである。DTLタンクの上流端と下流端に１よって、射出方向を調節する方式を採用した。このつずつのテンプレートを取り付け、それぞれにレー
レーザー架台は、レーザー光源および光学系を、４ザーターゲットをのせることによって、レーザー枚のアルミプレートを重ねた上にのせた構成となっターゲットボックスの位置調節の基準となるレーている。４枚のアルミプレートにはそれぞれくびれザー軸を設定することができる。負水素ビーム軸位た部分があり、その部分を支点として変形しやすい置にのせる光学ターゲットは、タンクとドリフトつくりになっている。各アルミプレートの支点からチューブの相対アライメントに用いられる。SDTLや離れた点をステッピングモーターで押すことにより、ACSなどの他の機器へのレーザーターゲットボックス
弾性的にプレートを変形させ、レーザーの射出方向の取り付けも、基本的には上記と同様の方法で行わを調節する。図３は、レーザー架台の構造を示したれる。レーザー光軸を回転軸とした回転は、水準器ものであり、図４は、試験用ビームラインに設置さ（傾斜計）を用いて抑える。
れたレーザー架台の写真である。この架台について
原則として、長期にわたる加速器トンネル床面ののR&Dは、現在KEKで進行中である。
変動を監視するため、ビーム運転中もレーザーターゲットは機器に取り付けたままにしておくことを想３．テストビームラインによる実験結果
定しているが、放射線によるフォトダイオードの損傷が無視できない場合に対応するため、レーザー
このレーザーアライメントシステムの実現可能性
ターゲットは精密な位置再現性をもって取り付け取を検証するため、KEKの陽子リニアック棟の加速器トり外しが可能な設計となっている。
ンネル内に長さ50mのテストビームラインをつくり、長期運転の後、地盤の変動のため、ある時期に再それを用いて長距離のビーム実験を行った。この実アライメントが必要となることが予想される。この験の主な目的は、試作した主要なコンポーネントの場合、レーザー架台を設置した床面も動くため、性能確認と、空気の揺らぎの影響の調査である。
レーザー光自体も当初アライメントを行った位置を長距離実験に先立って、システムの基本的な特性保存してはいない。再アライメントを行うためには、それに先だって、所定の位置にレーザー光軸をあわ50 m
Laser target

MirrorIsolater

Vynil chloride pipe
Expander Convex lens DPSS Laser

図５：長距離実験のセットアップ

100100

Horizontal

50Vertical

50

0Position (µm)

Position (µm)

は、光路長100mの実験において測定した同様のデータを示したものである。これらの図から、出力される位置信号には、周期が2〜3分かそれ以下の比較的速い成分のゆらぎと、周期が2〜3時間かそれ以上の遅い成分のゆらぎが含まれていることがわかる。周期が比較的速い成分については、アベレージをとることにより統計的に落とすことが可能で、図６では約30秒、図７では約2分にわたってアベレージをとっている。

-50４．ディスカッション

0-50

本実験において、比較的速い成分のゆらぎの振幅はほぼ光路長に比例し、ゆらぎの振幅を統計的に半分に落とすためには3〜4倍のアベレージ時間が必要であることがわかった。図６、図７からわかるよう
Time (hour)Time (hour)に、航路長100mの実験の鉛直方向を除いて、50µm以
Average time: ~30 sec
内の測定分解能が達成されている。航路長100mの実験は、光学定盤上に置いた平面鏡のなんらかの不安
図５：光路長50mの実験結果定性に影響されている可能性がある。わずかな光学定盤（あるいは平面鏡）の傾きが生じても、この航路長100mの実験のセットアップでは、大きな測定誤Vertical
Horizontal差が生じる可能性がある。航路長100mの実験について、より確度の高い結果を得るためには、50m地点の光学系を改善する必要がある。
先に述べたように、比較的速いゆらぎの成分はアベレージによって軽減できるが、遅い成分についてはその軽減が難しい。本実験において観測された遅Time (hour)Time (hour)
い成分は許容できる範囲のものであるが、実際のア
Average time: ~ 2 min
ライメント時には光路長がさらに長いことやトンネ
ル内の環境が異なると予想されることから、ゆらぎ
図６：光路長100mの実験結果の振幅がより大きい可能性がある。そのため、このをおさえるため、約0.3mの光路長での実験を行った。 遅い成分のゆらぎの原因を特定し、それを軽減する方策を確立することが急務である。
この実験において、本システムで用いるレーザーターゲットが5µm以内の位置分解能をもつこと、および信号処理回路の長時間ドリフトがおよそ±5µm
５．謝辞以内であることが確認された。
三菱重工業株式会社の壁谷氏、柿崎氏、リコーエ
図５は、長距離実験のセットアップを模式的に示
レメックス株式会社の菊池氏、平松氏には、レーしたものである。上流端には、レーザー光源と光学ザーターゲットおよびレーザーターゲットボックス系をのせたレーザー架台を設置した。本実験で用いの機械設計をしていただいた。KEKの荒川氏には、た光学系は、光ファイバーやコリメータを含まないレーザーターゲットの出力信号を処理するフィル単純なものである。レーザー光路は、空気の流れにター回路を設計していただいた。
よる揺らぎを抑えるため、塩化ビニール製の仮の気密ダクトで覆った。ビームラインの下流端には光学参考文献定盤を設置し、光路長50mの実験を行う際にはここにレーザーターゲットを、光路長100mの実験を行う際[1] Y. Yamazaki, “The JAERI-KEK Joint Project (the J-PARCにはここに平面鏡を設置した。実験中、トンネルはProject) for the High Intensity Proton Accelerator”,Procs.
空調されており、リニアックのための冷却水系が稼of PAC 2003, in print.
[2] Y. Ogawa et. al., “Improvement of the Alignment System働していた。レーザー光源について、温度調節は特に行わなかった。
for the KEK 2.5-GeV Electron Linac”,Procs. of PAC 1995,p. 2087 (1995).
図６は、光路長50mの実験において測定したスポット位置を時間の関数として表したものである。図７-100-150-200-150-200-250-250

0102030400950-1600

900-1650

850-1700

Position (µm)

Position (µm)

-100

800
750
700
650

10203040-1750-1800-1850-1900

600-1950

0510152025300510152025