光ファイバビームロスモニタとワイヤスキャナ-3
OPTICAL FIBER BEAM LOSS MONITOR AND WIRE SCANNER-3
矢野喜治#, 福田茂樹, 道園真一郎, 明本光生
Yoshiharu Yano #, Shigeki Fukuda, Shinichiro Michizono, Mitsuo Akemoto
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract
We have observed a beam loss of various locations of Linac by an optical fiber beam loss monitor up to now. We
installed an optical fiber beam loss monitor on a part of beam injector in Super KEKB and observed a beam loss. We
relocated a wire scanner in A sector in Linac. We simulated and checked the signal by a beam loss monitor as it wasrelocated, to decide about the place where a sensor is installed. We investigated the wire scanner beam energy installedin the location beyond 1 GeV up to now. Beam energy in an installation site of a wire scanner in A sector is 45 MeV.
We investigated an installation site of a sensor by a beam loss monitor, but the specification of most suitable place wasdifficult. But after a sensor was installed with a result of the simulation, we checked the signal of a wire scanner.
Linac からの電子、陽電子のビーム入射が始まった。最初のビーム入射時にビームが何処まで届いて何処で2010 年に光ファイバビームロスモニタの開発を始めて、 ビームロスしているか調査するために（1）HER Ring の入主に電子陽電子入射器(Linac)でビームロスを観測して 射部と（3）LER Ring の入射部に光ファイバを布設し入きた。Linac でビームロスが観測される主な場所は４極電 射部近傍のビームロスを観測した。Ring の運転が進み磁石、偏向電磁石、ビームダクト等であり、加速管の中で 入射部以外のビームロスを観測する必要があり、（2）発生したビームロスによる荷電粒子は加速管壁によって HER Ring 入射部の上流部と（4）LER Ring のコリメータシールドされ観測は困難であることが分かった。2012 年 下流に光ファイバを布設しビームロスを調査した。
電子陽電子入射器では電子銃直後の A セクタのワイに PF リングのビーム入射時のビームロスを調査し、加速ヤスキャナ(WS)の移設が必要になり検出器をそれまで器室内の残留放射能が高い場所はリングのどの場所のの光電子増倍管(PMT)から（5）光ファイバと PMT の検ビームロスが原因かを特定した。
2016 年 2 月に Super KEKB Phase-1 がスタートし、 出器に変更した。

1.

はじめに[1] [2] [5 ] [6] [7] [8]PF"ARe+e"

Positron.
Generator

PF
Fuji

Super-KEKB

e+ e "GUN"e"

Linac

Figure 1: (1) a part of e- beam injector, (2) upstream of (1), (3) a part of e+ beam injector, (4) downstream of e+beam collimator, (5) wire scanner for A-sector.

____________________________________________#

yoshiharu.yano@kek.jp

2.

ビームロスモニタ

光電子増倍管（PMT）と高圧電源回路を内蔵した浜松
フォトニクスの光センサモジュール（H10721-110）とブロック図及び本モジュール 2 個を組込んだビームロスモニタの NIM モジュールを Fig. 2 に示す。このビームロスモニタモジュールはネットワーク経由で PMT のゲイン制御が可能である。

3.

ビーム入射部近傍のビームロス

3.1

HER 入射部のビームロス

Figure 1 の（1）に示す場所に布設した光ファイバビー
ムロスモニタの波形を Fig. 3 に示す。ビーム入射調整の初期は最適なビーム軌道が確定していないためリングに入射した電子が入射軌道から外れビームダクトに当たりビームロスを発生する。ビームロスによりダクトに当たった電子はそこでシャワーを発生しダクト外部に多量の荷電粒子を放出する。それらの荷電粒子はビームの下流側だけでなく上流側にも放出されダクトに布設した光ファイバを通過し内部でチェレンコフ光を発生する。但し、チェレンコフ光はファイバ内で頂角約 50 度のコーン状に発生するので光ファイバの軸に対して約 50±8 度の角度で入射した荷電粒子によるチェレンコフ光しか光ファイバ端まで届かない。ビームロスが発生した場所と光ファイバの間に距離があると上流側に出た光と下流側に出た光は同じ場所から出たものと見なせないが、光ファイバをビームダクトに密着して布設しておくとビーム上流側に出た光も下流側に出た光も同じ場所から出たものと見なすことができる。
光ファイバはリングのビームダクトに密着して布設しているためビームの上流側に届いたチェレンコフ光を観測
Figure 2: Beam Loss Monitor Module.
するとビームロスの発生箇所を推測することができる。まセンサ部はフジクラの大口径ファイバ（S.600/660）を使 たビームの下流側に発生したチェレンコフ光は光ファイ用している。コア材質は高 OH 純粋石英でコア径 600μ バの下流端で反射し上流側に戻ってくる。最初に上流m、クラッド材質はフッ素ドープ石英でクラッド径 660μm、 側に届いた光と下流端で反射して戻ってきた光の時間
心線外径は 1.4mm、伝送損失は 10 dB/km 以下（λ 差から光ファイバの下流端からの距離が判明する。
=0.8μm）である。
入射調整初期のビームロスの波形（1）と調整が完了し

Figure 3: Schematic of a magnet on a part of beam injector and waveform of HER beam loss monitor.
An upper waveform (1) indicates the state of the beam loss which is at a start of beam tuning. An lower waveform(2) indicates the state of the beam loss which is at an end of beam tuning.

安定にビーム入射が行われている時のビームロスの波形（2）を機器の配置図面に重ねたものが Fig.3 である。
調整初期の時ビームはまだリングを周回しておらずセプタムマグネットの下流約 15m 付近で大量にビームロスが発生しておりここでビームを失っていると思われる。調整完了後は入射セプタム下流の Q マグネット付近のビームロスが最も多く最初の B マグネット近傍までビームロスが続いているのがわかる。
3.2

LER 入射部のビームロス

Figure 1 の（3）に示す場所に布設した光ファイバビー
ムロスモニタの波形を Fig. 4 に示す。ビームの入射調整が完了し安定的にビーム入射が行われている時のビームロスの様子である。オシロスコープの時間レンジを広げて約 20 ターン分を記録しビームロスが観測される場所を重ねたものが後ろの 7 個の波形である。

ビームロスを 1 m 離れた場所に布設したビームロスモニタで観測していることになる。そのためビームロスの位置を直接入射ラインの場所に当てはめることはできない。
入射ビームのビームロスを正しく判定するためには入射ラインに直接布設する必要がある。
入射ビーム以降の波形は光ファイバの終端から 54 m付近でビームロスが発生していることを示している。この場所はランバートソンマグネットの上流約 2m の位置にある Q マグネット入り口付近である。リングに入射したビー
ムはベータートロン振動をしておりこの場所でビームロスを起こしやすい光学系になっていると思われる。

4.

ビームアボート時のビームロス

4.1

HER ビームアボート時のビームロス

Figure 5 に HER ビームがアボートした時に入射部に布設した光ファイバロスモニタの波形を示す。

Figure 5: Waveform of the beam loss monitor
when a HER beam has aborted.
ここで使用している PMT は Fig.2 でわかるように非常に小型化されており高圧回路もこのモジュールに内蔵されている。そのため PMT に大量の光が入り大きな信号が連続して出ると内部回路への電源供給が間に合わないためこのような波形になる。つまり光ファイバの何処かで大量のビームロスが連続して発生したことを示す。
Figure 6 に同じアボート時の波形の最後の部分を示す。

Figure 4: Schematic of a magnet on a part of LER beam
injector and waveform of beam loss monitor.
入射ビームは光ファイバの終端から 86 m の近傍で最大のビームロスが発生している。その上流 5 m に次に大きなビームロスが観測される。通常の解釈ではスクレー
パーとセプタムマグネット付近でビームロスが発生していることになる。しかし、これらの場所は入射ラインに該当しリングから約 1 m 離れている。つまり入射ラインで起きた

Figure 6: The last ~1 µsec of a beam loss monitor
waveform when a HER beam has aborted.

これから光ファイバの終端から 92 m の近傍でビームロスが起きていることがわかる。それは HER のビームダンプがある場所に一致している。つまり正常にビームアボートが行われておりビームダンプの窓でのビームロスを観測していることがわかる。
4.2

LER ビームアボート時のビームロス

Figure 1 の（4）に示す場所に布設した光ファイバビー
ムロスモニタの波形を Fig. 7 に示す。この場所はコリメータ下流のビームロスを観測するためにビームダクトの左右に光ファイバを布設している。尚、この付近にビームダンプは無い。

これは Fig.1 の（5）に示すように Linac の上流部に設置されている。この場所でのビームエネルギーは 45
MeV である。写真の右端に WS のワイヤ駆動部がある。
以前はこの場所に検出器(PMT)が設置されワイヤ駆動部は約 1.5 m 上流側に設置されていた。ワイヤ駆動部を移設したことで従来の検出器を設置する場所が確保出来なくなり検出器を光ファイバに変更した。最適な検出器の設置場所を確認するためにシミュレーションを行い光ファイバビームロスモニタで確認した。
5.2シミュレーション[7]ワイヤスキャナのワイヤは 100μm のタングステン、ダクトの半径は 15 mm、ビームエネルギーは 45 MeV の条件でシミュレーションを行う。半径 15 mm、厚さ 1 mm のステンレスのダクトの一端に厚さ 100 μm のタングステンの板を置き、ダクトの中心に 10,000 個の電子が垂直に入射した場合を考える。散乱と制動放射により出てくる荷電粒子とγ線が半径 15 mm のダクトに当たる数を計算すると Fig.9 のようになる。

Figure 7: Waveform of the beam loss monitor when aLER beam has aborted.
このビームロスの波形は何らかの原因でビームの不安定が起きロスモニタアボートでビームが停止した時のものである。ビームアボートを出すロスモニタはイオンチェ Figure 9: Histogram of the particle when the energy of
ンバタイプとピンダイオードタイプで KEKB 運転当初か the incident beam is 45 MeV.
ら設置されているものでそれぞれ約 100 チャンネルある。
散乱などによって出て来る粒子のうち 2 MeV 以下のアボート信号でトリガがかかり、トリガ前 280μsec からトリガ後 120μsec までの光ファイバビームロスモニタの信 エネルギーのものはダクト外に出てシャワーを作らない号である。トリガ前 80μsec からビームロスが増加しトリガ ので除外した。この結果を Fig.8 に当てはめるとワイヤの下流 20 cm にはゲートバルブが設置されている。A セク
後 80μsec でビームが無くなっているのがわかる。
タに布設したビームロスモニタでワイヤスキャナの信号を調査したがノイズに埋もれて確認出来なかった。

5.

Linac のワイヤスキャナ[3] [4]5.1

A セクタのワイヤスキャナ(WS)Figure 8 に A セクタのワイヤスキャナの写真を示す。

Figure 8:

Photograph of wire scanner at A sector.

Figure 10:

Waveform of wire scanner.

ワイヤスキャナのセンサとして光ファイバを使う場合はビームの下流側に出た光を観測する。光ファイバはゲートバルブに沿わせて設置しビーム下流側から光信号を読み出す。尚、上流側のファイバ端は遮光している。
ビーム内にワイヤを挿入し散乱させた時の信号を
Fig.10 に示す。Ch-1 は左に見える加速管の下流に光ファイバを設置し観測した波形。Ch-2 はここで指摘した場所に設置し観測した波形である。Ch-2 は信号が非常にはっきりと見えている。一方 ch-1 はノイズに埋もれて信号がよく見えない。このノイズは加速管のフィールドエミッションによる電子がダクトでシャワーを引き起こしたものである。

6.

まとめと今後の方針

SuperKEKB Phase-1 で HER/LER リングの入射部に光ファイバを布設してビーム入射時のビームロスを観測した。ビーム調整の初期段階で何処までビームが到達しているかを知ることは非常に有用であった。更に入射ビームのターンごとのビームロスの様子が詳細に分かるのもビームに何が起こっているかを知る手がかりになる。
今後は入射部以外にも光ファイバビームロスモニタを設置しビームロスの監視を行いたい。既存の PIN ダイオードタイプのロスモニタの情報を元に設置場所を決定しそのロスモニタの信号をトリガに光ファイバビームロスモニタのデータ収集を行いビーム監視に役立てたい。
今年の秋から始まるダンピングリングの運転に備えダンピングリングのビームロスを観測するための光ファイバをリング入射部と引出し部に布設する計画である。又、ダンピングリングの入射ラインに設置する WS の検出器として使用することになっている。

参考文献[1] Y. Yano, T. Obina, S. Michizono, “光ファイバービームロスモニター”, Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, Osaka, August 8-11, 2012,
pp.902-906.
[2] T. Obina and Y. Yano, “OPTICAL FIBER BEAM LOSSMONITORS FOR THE KEK PHOTON FACTORY”, Proc.
of IBIC2012, TUPA10.
[3] N. Iida, Y. Funakoshi, T. Kawamoto, M. Kikuchi, T.
Mimashi, T. Suwada, M. Tanaka, M. Yamauchi, S. Yoshida,"RECENT PROGRESS OF WIRE SCANNER SYSTEMSFOR THE KEKB INJECTOR LINAC AND BEAM
TRANSPORT LINES", Proceedings of EPAC 2000,Vienna, Austria, 2000, pp.1738-1740.
[4] Y. Yano, N. Iida, S. Michizono, “ワイヤー・スキャナ用センサーへの光ファイバーの応用”, Proceedings of 9th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Osaka,August 8-11, 2012, pp.898-901.
[5] Y. Yano, S. Michizono, S Fukuda, T Sanami, “BEAMLOSS INVESTIGATION NEAR THE PULSE BENDING
MAGNET OF KEKB INJECTOR LINAC”, Proceedings of10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Nagoya, August 3-5, 2013, pp.403-405.
[6] Y. Yano, N. Iida, T. Obina, S Fukuda, S. Michizono, “光ファイバビームロスモニタの応用”, Proceedings of 11th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,Aomori, August 9-11, 2014, pp.443-447.
[7] Y. Yano, S Fukuda, S. Michizono, “光ファイバビームロスモ
ニタとワイヤスキャナ”, Proceedings of 12th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, Fukui, August 5-7,2015, pp.915-919.
[8] Y. Yano, S Fukuda, S. Michizono, M. Akemoto, “光ファイバビームロスモニタとワイヤスキャナ-2”, Proceedings of
13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Makuhari Messe, Chiba, Aug. 8-10, 2016, pp.10081011.