YAG:Ce を用いた高分解能スクリーンモニター
2014/08/09 PASJ14○ 内藤孝、三橋利行、荒木栄、浦川順治、奥木敏行、久保浄、黒田茂、照沼信浩	

CCoonntteennttss  
11.. 開発の動機  
22.. YYAAGG::CCee  シンチレーターの特徴  
33.. スクリーンモニターのハードウェア  
– レンズ  – CCCCDDの電子シャッター特性  

44..
55..

ビーム測定  スクリーンの厚みによる違い  
–––

66..
77..

110000uumm  セラミックス  
5500uumm セラミックス  
5500uumm  結晶  

エミッタンス測定    まとめ    1

開発の動機	Screen monitor	 ATF ダンピングリングから取り出した高品

Momentum spread の測定例"（ATF beam line）"

質ビームの特性の測定"• Momentum spread"• X-Y coupling"• Kick angle jitter"
デマルケスト蛍光板を用いたスクリーンモニターを使用していたが分解能が不足。"
下流のATF2 Beam LineではOTRモニターが使われているが、Low intensityでは感度が足りない。""
設計上予想されるビームサイズ"
σX=297µm（ηΔp/p=292µm）"
σY=11µm"
ビーム強度に対し広いダイナミックレンジを持ち高分解能のモニター""-> YAG:Ce scintillator"

Beam Size Calculation	βx = 2.2148 m"
βy = 8.5675 m "ηx = 0.4868 m "εx = 1.3 nm(measured in DR) "εy =14pm(measured in DR) "dp/p=0.0006"""
Beam size at YSM monitor:"σy =(εy x βy)1/2"= (14x10-12 x 8.5675)1/2"=11µm
σx ="((εx x βx) 1/2) 2 + (ηx x dp/p)2)1/2"=((53.6)2+(292)2)1/2=297µm	

YAG:Ce Screen Monitor(YSM)	

YAG:Ce Scintillatorの特徴	

Scintillation Time100ns	

IEEE TRANS. ON NUCL. SCI., "VOL. 56, NO. 6, DECEMBER 2009 "YAG:Ce（CeをドープしたYttrium Aluminum
Garnet） scintillator は、"
1)真空特性、２）機械特性、3)使用寿命"がよく、"
1. 発光波長550nm, 発光時間~100ns"
2. 高感度 - OTRと比較して100~1000倍 ""(XX Linac Conf. MOC06) "3. 高分解能 ~16µm """"(DIPAC09 MOOA03, Spring8)""

50um thickness "YAG:Ce scintillator	

YAG:Ce Scintillatorの特徴	

http://www.crytur.cz"

スクリーンモニターのハードウェア構成（１） 	
既存のデマルケスト用アクチュエーターチャンバーを改造し、CCDはビームに対し水平４５°の角度のビューポートから測定する。"
上流からのSRの反射やCohelent OTRは90°方向に進むため、これ等を排除することが出来る。"
また、レンズの光軸はスクリーンを正面から見ることになり焦点深度の浅いレンズ系を用いても像の位置によって焦点がずれない。"
CCDはスクリーンからのX線が直接当たらないようにするため光軸をミラーで９０°曲げている。CCDは３軸のステージ上に固定され、X, Y, Focusをリモートから調整出来るようにした。"

Spring8のスクリーンモニター"(PASJ 2012WEPS093)"

スクリーンモニターのハードウェア構成（２） 	
水平方向の最小ビームサイズ	
•Scintillatorに斜め45°からビームが入射するとビームが通過した部分だけ発光が広がる。	
• ビームがgauss分布の広がりを持っている場合、ビー
ムサイズとScintillatorの厚みのConvolutionになる。	
• 計算ではビームサイズと同じ厚みのScintillatorを通過した場合でも約4%程度の増加であり、この程度の大きさまでのビームサイズ計測が可能。	

厚み50umスクリーンモニターのハードウェア構成（３） 	
レンズ SUGITOH TS-93022"
倍率 "0.38~3"口径 "38mm"
焦点距離 165mm"
焦点深度 0.3mm"
分解能
4.3µm""

TS-93022の"Modulation Transfer Function"

TS-93022の"Point Spread Function"

スクリーンモニターのハードウェア構成（４） 	
CCDカメラの"電子シャッターの評価"

当初、SR,COTRとScintillationを分離するためにCCDの電子シャッター機能を使いSR,COTRの発光タイミングを外して撮像することを考えた。"
CCDの撮像タイミングは、外部トリガーに対して非同期の内部クロックのタイミングで撮像されるため最低でも１内部クロック周期(40MHzの場合25ns）のジッターが発生する。さらに外部トリガーに対する応答速度などが加味されるためYAG:Ceの発光時間(~100ns)に対して無視出来ない効果になる。 この動作を評価するために、Laser
Diodeの短時間発光30ps（浜松フォトニクスC4725）を外部トリガーのタイミングを変えながら撮像するテストを行った。

スクリーンモニターのハードウェア構成（５） 	
1)IMPREX IGV-B0610M ""1/3 inch, GE interface""pixel size: 7.4µm x 7.4µm ""pixel number: 684 x 488"
"elect. shutter: 2µm min."2)JAI CM-030GE""1/3 inch, GE interface ""pixel size: 7.4µm x 7.4µm ""pixel number: 640 x 480"
"elect. shutter: 50µm min.""
２種類のCCDについて、LD光源を電子シャッターのタイミングを変えながら撮像し、撮像した像のピーク値から電子シャッターの動作を評価した。""
IGV-B0610M
時間遅れ
１)50ns, 2)3.2µCM-030GEs"
Delay
3.2µs
トリガージッター50ns
１)30ns, 2)40ns"
立上がり)60ns, 2)120ns"
Jitter
3１0ns
40ns"
Rise Time

60ns

120ns

ビーム測定	

測定プロファイル

水平方向のビームサイズのバンチ電流依存性

撮像タイミングによる発光特性の測定	
CCDへのトリガータイミングを変更することによって
YAG:Ceスクリーンの発光タイミングに対して、CCDの撮像タイミングを変えることが出来る。"
言い換えると2µsのウインドウでスクリーンの発光特性を測定することになる。"• 減衰特性はYAG:Ceの発光特性に一致"• 光量が変化してもビームサイズの測定値に変化はない"• ビームタイミングから 1 µ s 以上遅れたタイミングも測定可能 "スクリーンの厚みによる違い((11))  
ATFのビームを垂直方向にフォーカスした時の最小ビームサイズの測定"
YAG:Ceスクリーンは"
１）厚さ 100um(セラミック焼結：神島化学）"
２）厚さ 50um(セラミック焼結：神島化学）"
３）厚さ 50um(結晶：CRYTUR）"の３種類をテスト。"

100um セラミック"
13.9µm	50um セラミック"
8.6µm	50um 結晶"
7.0µm	

スクリーンの厚みによる違い((22))  
測定エラー"• スクリーンのにじみ!
• レンズの分解能"• スクリーンのSaturation"• Maltiple scatering ->小さい"""A. MUROKH et. al.,"Proceedings of the 2nd ICFA Advanced
A c c e l e r a t o r Wo r k s h o p . H e l d 9 - 1 2
November 1999 in Los Angeles	

Bunch charge=0.3 x 10^10e "Saturation "0.3pC/µm2 "Emittance 測定	
スクリーンモニターを Dispersion のない場所に移動し、 Q-scan によってEmittanceの測定を（設計値εx=1.3nm, εy=10pm）行った。 バンチ電荷の少ない条件でもプロファイルの測定には問題がなかったが、特に縦方向のEmittance測定に誤差が大きい。	

Emittance(y) =35.7pm	

Emittace(x) =1.81nm	

まとめ  
11..

AATTFF22ビームライン用  YYAAGG::CCee  スクリーンモニターの開発を行った。MMoommeennttuumm  sspprreeaadd  の測定に十分な精度があることを確認した。  

22..

電子シャッターのタイミング調整によりCCCCDDの光量を調節する機構を構築し、入�射光量を変えても一定のビームサイズを計測出来ることを確認した。  

33..

最小ビームサイズは現在までに77uummが測定された。測定エラーとして、にじみの効果、レンズの分解能、SSaattuurraattiioonnの効果に注意する必要がある。にじみの効果は厚みを薄くすることである程度低減出来る。  

44..

さらに薄いYYAAGG::CCee  を用い、レンズ系の分解能を上げることによってさらに小さいビームサイズの計測が可能になるものと期待される。