Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

高放射化領域（J-PARC MR コリメータ部）における BPM 設置ⅡBPM INSTALLATION AT THE HIGH RADIATION AREA
(J-PARC MR COLLIMATOR)Ⅱ
花村幸篤#, A), 外山毅 B), 橋本義徳 B), 大越隆夫 B), 久保田親 B), 白形政司 B), 石井恒次 B), 仁木和昭 B),
堀洋一郎 B), 魚田雅彦 B)
Kotoku Hanamura #, A), Takeshi ToyamaB), Yoshinori HashimotoB), Takao OogoeB), Chikashi KubotaB),
Masashi ShirakataB), Koji IshiiB), Kazuaki NikiB), Yoichiro HoriB), Masahiko UotaB)A)
Mitsubishi Electric System & Service Co.,LtdB)High Energy Accelerator Research Organization (KEK J-PARC)

Abstract
J-PARC Main Ring (MR) delivers 230 kW proton beam at the maximum for physics experiments. To achieve higher
beam power, it has been planned to increase the beam loss capacity by upgrading the MR collimator system during thesummer shutdowns in 2012 and 2013. To accommodate the new collimators the Beam Position Monitors (BPMs) has
been reallocated. The workplace is already contaminated with high radiation more than 1 mSv/h. We have examined
efficient BPM alignment and installation method at a high radiation area.
The installation of BPMs in 2012 was drastically simplified, using the dowel pins and holes structure at the steering
magnets supports and the base plates on the floor. The alignment error was within 300 micrometers from the design
value.
化しているため、高放射化エリアに指定し、機器メインテナンスは、放射線シールドを施し、短時間に大強度陽子加速器施設（J-PARC）主リング（MR） 効率良く行い、作業者の被ばく線量を軽減する対策には、3-50BT と入射部にコリメータが設置されてい を施している。

1.

はじめにる。コリメータでは、ビームロスを局所化することで他の大部分の機器の放射化を最小限にして、機器の放射線損傷やメインテナンス時の被ばく軽減を図っている。今後の陽子ビームの大強度化に向け、コリメータシステムのロス容量の増強 [1]が行われ、それに伴った MR コリメータエリアの機器の配置変更が行われている。配置変更を行うビームモニタ機器 には、ビ ームの重 心を計測 す る Beam PositionMonitor (BPM)[2]が含まれている。
本論文では 2012 年に行われた#007, #009 の BPM配置変更について報告する。

2.

MR コリメータ部の現状

現在の MR コリメータ部のレイアウトを Figure 1に示す。MR コリメータ部では、ビームロスを局所

3.

#007, #009 の BPM

BPM は、高放射化エリアでの位置調整を行わず、上下流のビームダクトが繋がる様に、設置位置が設計値に±1mm 以内で一致することを目標とした。
3.1

BPM の構造#007，#009 の BPM には、Laser Tracker(LT)で測量をする際に使用する Corner Cube Reflector(CCR)を載せるための基準座を 3 箇所用意した。3 箇所の基準座を測量することで、BPM の設置位置が求められる。
BPM 上部に基準座を取付けるために、BPM の全長を 330mm から 380mm に変更した。BPM は設置前に、ワイヤー法によるマッピングを行い、校正用データ解析[3],[4],[5]を実施した。
BPM
Alignment point

Figure 1: Layout of collimator system.
Figure 2: Beam Position Monitor (#007, #009)________________________________________#hanamura@post.kek.jp- 709 -

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3.2

ステアリング電磁石への BPM 設置

BPM は、ステアリング電磁石(STM)のギャップ間に設置される。#007, #009 の BPM 移設前は、四極電磁石(QM)上流側に QM に取付けられた架台により支持されていた。移設後の BPM は QM 下流側の端板に支持架台を取付けるスペースが確保できないた
め、STM に取付けた架台より支持し、STM と BPMを一体とした。
STM 上部には、BPM 同様に基準座を 3 箇所用意して、BPM の基準座との位置関係が判る様にしている。BPM を誤差±1mm 以内で設置するためには、
STM をおよそ 0.5mm 以内で設置する必要があるという事になる。
STM
Alignment point
BPM
Alignment point

STM

BPM
BPM
Stand

4.

設置位置決め機構

4.1

ベースプレートの使用

BPM を取付けた STM を所定の位置に精度良く、短時間に設置するために、設置位置決め可能なベースプレートを用いている。
ベースプレートには CCR を載せることができる基準座が 3 箇所取付けてある。ベースプレートの嵌
め合い用の穴に STM 架台に取付けた位置決めピンを挿入することで、設置位置精度の再現性を実現している。
ベースプレートは、設置箇所(#007, #009)に設置する 2 台と、Reference 用の 1 台、計 3 台製作した。
ベースプレートの平面上の 6 点と基準座 1 を LTで測定を行い、座標データの解析を行った。6 点に最も近い平面への基準座 1 座標の射影を座標の原点O にとる。また、この平面上で基準座 2, O, 基準座3 のなす角の二等分線を Y 軸、Y 軸と垂直な軸を X軸、この平面に垂直な方向を Z 軸とした。この座標系を使用し、基準座の座標を求めたところ、誤差は
X 軸方向:20μm, Y 軸方向:60μm, Z 軸方向:25μm であった。

Base Plate
Alignment point

Figure 3: BPM and STM
3.3

BPM および STM の効率的設置方法

効率良く現場に設置するために、ベースプレートを所定の床面に設置する。その後、隣接する QM 基準座からの座標を求める。テストベンチに同形のベースプレート上で仮想 QM 基準座の座標系を作り出し、BPM のアラインメントを行う。一体化したSTM を現場のベースプレートに載せるだけで 、BPM を所定位置に設置することができる。

Figure 4: Coordinate system of BPM.

Figure 5: Base Plate
4.2

ベースプレートの位置再現性確認

製作したベースプレート 3 台をテストベンチに設置して、測量データの再現性の確認試験を行った。
測量データが再現しないと精密な機器の設置ができないので、コリメータ部に設置する前に行う。STMの吊上げによる基準座および STM と BPM 架台の歪みが考えられたため、以下の項目の再現性を確認した。
1. ベースプレート基準座を測定。
2. ベースプレート(#007)に STM(#007)を載せて、STM 基準座を測定。STM を降ろして、ベースプレート基準座を測定。（#009 も同様に行う）
3. Reference 用ベースプレートに STM(#007)を載せて、STM 基準座を測定。STM を降ろして、ベースプレート基準座を測定。（#009 も同様に行う）
1 から 3 の項目をそれぞれ 5 回程度繰り返し測定
し 、 測定 の 再現 性の 確 認を 行 った 。 測 定 結果 をTable 1 に示す。Table 1 の結果から、130μm 以内の再現性を確認できた。

- 710 -

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Table 1: Result of reproducibility check.
CheckNo.

Base Plate
No.

Alignment
Point

reproducibility[mm]1

Reference

Base Plate

0.022

1

#007

Base Plate

0.018

1#009

Base Plate

0.021

2

#007

Base Plate

0.130

2

#007

STM(#007)

0.088

2#009

Base Plate

0.087

2#009

STM(#009)

0.111

3Reference

Base Plate

0.025

3Reference

STM(#007)

0.030

3Reference

Base Plate

0.120

3Reference

STM(#009)

0.109

4.3

5.2

BPM 設置テストベンチで STM ギャップ間にアラインメントされた BPM を設置現場まで慎重に運搬した。
ベースプレート上には、チェーンブロックを使用して設置した。設置後に STM と BPM の基準座を測量して、BPM 設置位置の確認を行った。BPM 基準座
は STM のコイル冷却用ホロコンダクタに LT のレーザが遮られる可能性があるが、#007, #009 は共に遮られることなく測量することができた。

ベースプレートの現場設置再現性確認が得られたベースプレートを、設置場所に隣接する QM の基準座の座標を座標系の原点にとって設置した。また、ベースプレートを固定しているボルトが緩まない様に、溶接を行った。
その後測量を行い、ベースプレートの基準座と隣接する QM 基準座の位置関係(座標)を求めた。

5.

BPM アラインメントと設置

5.1

BPM アラインメント

#007

#009

Figure 7: Installed BPMs at #007, #009.
5.3

BPM アラインメントと設置位置の測量結果

BPM の設計座標とアラインメント後の座標及び現場設置後の座標を Table 2 に示す。LT は、テストベ
ンチでは Leica 社製 LTD500、トンネル内では API社製 T3 を使用した。

BPM アラインメントには、現場と同等の座標系を
非 放 射線 管 理区 域の テ スト ベ ンチ で作 り 出し 、Reference 用ベースプレート基準座に、現場 QM 座標系での座標を使用した。STM に BPM を据え付けた後、この座標系をもとに BPM を設計の座標に合わせた。BPM アラインメントは、STM 位置調整機構で行い、アラインメント後に BPM 基準座と STM基準座の位置関係を測定した。

Table 2: Result of alignment and installation.
Alignment
Point

Design Value [mm]
XYZ

BPM 1

560-50-477.5

BPM 2

560

50-477.5

BPM 3

830

0-477.5#007
Alignment
Point

Alignment [mm]Installation [mm]

X

YZX

YZ

STM 1

551.377-98.643-146.857

552.185-98.449-146.813

STM 2

552.337101.360-147.262

553.020101.544-147.275

STM 3

831.8980.028-145.882

832.6220.397-145.997

BPM 1

559.981-49.997-477.569

560.588-49.918-477.518

BPM 2559.970

50.006-477.568

560.51450.061-477.558

BPM 3

829.996-0.004-477.437

830.553

0.253-477.550#009
Alignment
Point

Figure 6: BPM Alignment at test bench.
- 711 -Alignment [mm]Installation [mm]

XYZX

YZ

STM 1

554.004-98.015-146.974

554.514-97.964-147.042

STM 2

554.897102.036-147.435

555.244102.076-147.471

STM 3

834.4900.737-147.444

834.904

0.998-147.568

BPM 1

559.872-50.048-477.556

560.250-49.975-477.624

BPM 2

559.81649.948-477.479

560.140

50.007-477.535

BPM 3829.874

0.014-477.474

830.2030.277-477.580

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6.

BPM ヘッドと信号伝送用ケーブルの健全性確認

BPM 設置後に、BPM ヘッドと信号伝送用ケーブ
ルの健全性を TDR(Time Domain Reflectometry)法 [6]で 調 査 し た 。 使 用 機 器 に Tektronix 製 DSA8200(Digital Serial Analyzer), TDR モジュール 80E04(RiseTime 23psec)を用いた。BPM ヘッドでは電極の反射波形と対向電極の透過波形の測定(Figure 8)、信号伝送用ケーブルでは特性インピーダンスの測定(Figure9, 10)をした。
0.0250.50.02

ch1ch2ch3
ch4

0.3

0.2

0.015

0.01

ch2ch1ch4
ch30.1

Voltage[V]Voltage[V]0.40
1.2 10 -7

1.4 10 -7

1.6 10 -7

1.8 10 -7

2 10 -7

Time[sec]

Figure 8: Measured reflection and transmission of #007
BPM head. Upper curves are reflections of electrode;|S11|, |S22|, |S33|, |S44|. Lower curves are transmissions ofelectrode; |S21|, |S12|, |S43|, |S34|.

56

Impedance[ohm]まとめ

放射化メインテナンスを考慮した BPM 設置方式
で設計値から誤差 300μm 以内（横方向の座標）で設置することができた。その後のビーム試験時にBeam Based Alignment (BBA)を行った結果、±1mmの位置に設置されたことを確認した。BBA の結果には伝送系、処理回路、設置の誤差が含まれている。
この結果から、今後のビームパワー増強に伴うメインテナンス手法として確立した。また、作業の時間短縮と作業者の放射線被ばくを最小限にすることが可能になった。

参考文献

585452ch1ch2ch3ch450

48
02 10-7

4 10-7

6 10-7

8 10-7

1 10-6 1.2 10-6 1.4 10-6 1.6 10-6

Time[sec]

Figure 9: Measured impedance of signal cable (#007-D1).
54
ch1ch2ch3ch453

Impedance[ohm]今後の計画

2011 年 に QM 上流か ら下流に 移設し た BPM(#008, #010, #011)は、現場でのアラインメントが必要な構造で、作業効率を考慮したものではない。そのためメインテナンス時には、作業時間増加による放射線被ばくが増加することが予測される。
2013 年のメインテナンス期間中に、本稿で報告した BPM 設置方式を採用することにより、メインテナンス作業が効率良く行われることが期待される。
現在の進捗状況は、新規 STM と BPM の作製を進めているところである。
2014 年以降は、コリメータ部下流（#013 - #015）のチェンバー内径が大口径化される予定である。
チェンバーの内径に合った BPM を新規製作して、今回の設置方式で変更する予定である。

8.

0.005

07.

525150[1] M. J. Shirakata, “Collimator Upgrade Plan of the J-PARC
Main Ring”, Proceedings of IPAC2011, San Sebastian,Spain, Sep. 4-9, 2011[2] 外山 毅 他, “J-PARC 50GeV Ring の BPM 検出器”,
The 14th Symposium on Accelerator Science andTechnology, Tsukuba, Japan, Nov. 2003
[3] T.Miura et al., “J-PARC 主リング用ビーム位置モニターのキャリブレーション”, Proceedings of the 3rd Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the31th Linear Accelerator Meeting in Japan, Sendai, Aug. 2-4,
2006
[4] Yoshinori Hashimoto et al., “J-PARC MR BPM の校正データの解析”, Proceedings of the 4th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan and the 32nd Linear
Accelerator Meeting in Japan, Wako, Aug. 1-3, 2007
[5] Kotoku Hanamura et al., “J-PARC 50GeV シンクロトロン BPM 校正装置開発”, Proceedings of the 3rd Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the31th Linear Accelerator Meeting in Japan, Sendai, Aug. 2-4,
2006
[6] Kotoku Hanamura et al., “東日本大震災後の J-PARC MR
ビーム診断装置の損傷点検および評価”, Proceedings of
the 8th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Tsukuba, Aug. 1-3, 2011

49
48
47
7.2 10 -8

8 10 -8

8.8 10 -8

9.6 10 -8

1.04 10 -7 1.12 10 -7

1.2 10 -7

Time[sec]

Figure 10: Measured impedance of #007 BPM head cable.

- 712 -