大強度陽子加速器用ビームモニタ(J-PARCモニタの実際)
高エネルギー加速器研究機構
加速器第1研究系
佐藤健一郎

目次• はじめに• J-PARCの概要• 加速器のパラメータ• J-PARC MRビームモニタの要求性能• 大強度陽子加速器施設における放射化について• 放射化リミット• 核反応：確率、各破砕反応、中性子数• 残留放射線の評価• ビームロスモニタ（BLM）••••

直接電離放射線：dE/dx
間接電離放射線：光子、中性子の衝突カーマ
ガス検出器
比例計数管、イオンチャンバー• ビーム位置検出器（BPM）• ストリップラインBPMの原理• 静電誘導型BPMの原理• ビームプロファイルモニタ• J-PARCのプロファイルモニタ：縦方向、横方向、エミッタンス• まとめ

J-PARC

J-PARC鳥瞰図https://j-parc.jp/c/index.htmlから転載

Linacの主要パラメータ
Linacのパラメータ表
加速粒子

H-

全長

248m

Chopping factor

56%

出射エネルギー

400MeV

Chopping後のBeam
duty

1.4%

出射時のピーク電
流

50mA(加速開始時はChopping後の平均電流
30mA)

700μA

RCSへの入射サイ
クル

25Hz

横方向ビームエミッ
タンス(99%, 規格化)

<4𝜋mm∙mradRCSへの入射バン
チ長

455ns

入射時の運動量分散<0.1%

RCSへの入射時間

500μs

RCSの主要パラメータ
RCSのパラメータ表
周長348.333m

繰り返し周期25Hz

入射エネルギー

0.4GeV

励磁パターン

Sin+DC

出射エネルギー

3GeV

500μs入射ハーモニック2

20ms加速最大加速粒子数

8.3×1013 ppp

平均電流

333μA

周回時間

1.629μs@400MeV
1.196μs@3GeV

周回電流

8.2A@400MeV
11.1A@3GeV

最大出力

1MW

※荷電変換入射により、加速粒子は陽子

MRの主要パラメータ
MRのパラメータ表
周長1567.5m

周回時間

5.384μs@3GeV
5.231μs@30GeV

入射エネルギー

3GeV

基本RF周波数

1.67MHz@3GeV
1.72MHz@30GeV

出射エネルギー

30GeV

繰り返し周期

2.48s@FX時
5.52s@SX時

ハーモニック

h=9

加速時間

1.4s

周回バンチ数8

最大平均電流21.5μA@FX時

最大加速粒子数

3.3×1014ppp

最大周回電流10.1A@FX時

入射横方向ビームエミッタンス<54π mm∙mrad

最大出力※

0.75MW@FX時※アップグレード計画：繰り返し周期を~1.2sに短縮することで1.3MW

J-PARC MRのモニタ配置
MR

Monitors

Number

BPM

186

Single-pass BPM

2

Dump/abort BPM

216電極BPM
Tapered Coupler BPM
WCM(>100MHz)

1
2
3

FCT(～20MHz)

6 + 1 (ν-BT)

DCCT(DC-30kHz)

2

MWPM

1 (inj.), 2 (SX, Abort BT)

OTR

1Flying Wire (H/V)

1/1

IPM (H/V)

2/1

BLM

PBLM 216
sAIC 52
longAIC 19

Abort
BT

WCM(rf)
IPM H

BPM(rf)

FCT(rf) FCT(rf) BPM(rf)BPM(rf)Fast Ext.
ν- BT

BPM(rf)

SX BT

3-5
0

FCT(rf)
MWPM

BT

Injection

Flying Wire
WCM(rf)Exciter
WCM(rf)3-50 BT

Slow
Extraction

IPM H/V
DCCTs
FCT(rf)Monitors

NumberSingle-pass BPM

17

FCT(～20MHz)

5

MWPM

9

OTR

1

BLM

PBLM 50sAIC 6longAIC 3

J-PARC MRを例にしたビームモニタの要求精度• ビームの時間構造⇒信号周波数• 周回周波数×ハーモニック＋その高調波• (光速/1568m) × (h=9) ⇒ 1.7MHz• バンチ長のσt=20ns~200ns ⇒ 1/20ns/3 ⇒< 17MHz

DC~20MHzがメイン
ターゲット• モニタ種によって要求が違う
•
•
•
•
•
•

速いCT（WCM, FCT）⇒詳細なバンチ時間構造⇒<100MHz
遅いCT（Feed Back CT、DCCT）⇒周回ビーム電流測定⇒1周期(1/2.48s)~<kHz
BPM⇒COD測定~バンチ毎測定⇒数100~数100kHz
Feedback用BPM⇒数100MHz
BLM⇒１周期～ターン毎測定⇒1周期(1/2.48s)~数100kHz
プロファイル⇒～バンチ毎⇒種類によって様々• 測定精度• 速いCT⇒1%• 遅いCT⇒差分からロス粒子数を評価⇒0.1%(現状で確度1%, )• BPM⇒位置精度⇒~0.1mm/ダクト径130mm⇒0.1%以下• BLM⇒1%(入射)~0.1%(出射)のロスを測定⇒0.01%• プロファイル⇒ビームコア(±2σ領域:測定対象95.4%)～ビームテール・
ハロー(±3σ領域以:測定対象99.7%以上)
・周波数帯域はバンチ長が長いためDC~20MHz
・ダイナミックレンジは103以上
低周波信号がメインターゲットであるが、高い信号精度放射化の問題と測定精度の関係

モニタへの高い精度要求

J-PARC MRで許容されるビームロスと許容被ばく量
J-PARC MRの各エリアの許容ビームロス量とJ-PARC作業員の許容被ばく線量(管理目標)。
ガンマ線の場合、Sv=Gyと換算。
許容ビームロス量
アーク部
入射直線部コリメータ
SX直線部
FX直線部

トンネル構造敷地境界での放射線
地下水の放射化J-PARCにおける作業員の許容被ばく量
0.5W/m2kW
7.5kW
1.25kW

男性
女性

0.5mSv/日
7mSv/年
0.3mSv/日
5mSv/年

作業エリアが1mSv/h以下が目標
1 hoot distance (30cm)離れた線量率で考えることが多い
シールドなしで30分程度の作業

許容ロス＝
全加速粒子数の1% (3GeV) ~ 0.1% (30GeV)
モニタシステムは0.1%~0.01%の信号変動を測定しなければならない

核反応確率① 高エネルギー陽子の飛程(電離損失によるエネルギ散逸によるもの)

𝑔
𝑅 = 233[ 2 ]𝜌−1 𝑍 0.23 𝐸 𝐺𝑒𝑉 − 0.032 1.4
𝑐𝑚
Target: Fe, 3GeV -> R=2.9m② 非弾性散乱断面積2 2/3

𝜎 = 𝜋𝑟0 𝐴

𝑹≥𝝀（ここで 𝑟0 = 1.26𝑓𝑚）= 16𝜋𝐴2/3 𝑚𝑏 (𝑏 = 10−28 𝑚2 )平均自由行程 𝜆 = 33.2 ∙ 𝜌−1 𝐴1/3 𝑐𝑚
鉄の場合 𝝈 = 757mb, 𝝀 = 𝟏𝟔cm
厚み𝑧を通過した際の反応率
𝐏 𝐳 = 𝟏 − 𝐞𝐱𝐩(−𝐳/𝛌)

厚み16cmで63％が核反応
さらに2次粒子も反応に寄与する
仁井田 他, JAERI-Tech 99-065 より転載

厚いターゲットによる核破砕反応<Intra-nuclear Cascade(直接反応)>
厚いターゲット内での核反応
Spallation: 核破砕反応

・入射陽子(数100MeV以上)はターゲット原子核内の複数の核子と準自由散乱（原子核媒体内での自由な核子・核子散乱）・高エネルギー(>15MeV)の前方方向に陽子、中性子が放出➡1GeV以上では陽子、中性子に加え、パイオンも放出<Inter-nuclear Cascade>・十分にエネルギーが高い放出粒子がターゲット内で再散乱・放出ハドロンエネルギーが直接反応の閾値以下にさがるまで可能な限り繰り返す<前平衡過程>上記の反応生成物が、高励起状態の核種へと至る中間状態<複合核の脱励起>

Stefano Panebianco, “The physics of the spallation(target)”, ITC-8 2009, Presentation fileより転載

・高励起状態の反応生成核が脱励起(冷却)Multi-fragmentation(複数の核子への分解)
核分裂（ほぼ同質量の2核子への分裂）
蒸発過程
・蒸発過程では中性子、陽子、α粒子、光子が等方的に放出される(１中性子当たり8~10MeV程度のエネルギーを持ち去る)。

PHITS (Particle and Heavy Ion Transport code System)等の粒子輸送計算コード
https://phits.jaea.go.jp/indexj.html
で評価する

生成中性子の生成数と角度分布
Spallationによる中性子放出数/1陽子

𝑌 = 0.1 ∙ (𝐴 + 20) ∙ (𝐸[𝐺𝑒𝑉] − 0.12)

10<A<210

放出角度
鉛直方向

1~10MeV<1MeV>100MeV
100個陽子入射当たりの中性子数
G.S. Bauer, Journal Of Fusion Energy, Vol. 8, ¾, 1989より転載

A. Letourneau et al., NIMB 170 (2000) 299-322
より転載

・ターゲット種や厚み(数10㎝)によるが、最大20n/p@1GeV程度
・1GeVからはパイオン生成が競争する。
・高エネルギー中性子は前方放出・10MeV以下は等方的に放出される

前方

後方

ビームロスによる残留放射線の評価
半減期が𝑻𝟏/𝟐 以下の核種数

Sullivan-Overton formula
崩壊定数𝜆の核種の崩壊
𝑁 𝑡 = 𝑁0 𝑒 −𝜆𝑡
運転時間𝑇後の特定の核種からの線量率は
𝐷 𝑡 |𝜆 = 𝐺𝜙(1 − 𝑒 −𝜆𝑇 )𝑒 −𝜆𝑡𝜙:不安定核を生成する放射線のFlux[1/m2/s]⇒ビームロスパワー
𝑇:加速器運転時間
𝐺:比例定数

線量率はすべての核種からの寄与を積分して
∞

𝑑𝑛(𝜆)
𝑑𝜆
𝑑𝜆
0
∞
‫׬‬0 1 − 𝑒 −𝜆𝑇 𝑒 −𝜆𝑡 𝑑𝜆𝐷 𝑡 = න 𝐷 𝑡 |𝜆
≈ 𝐺𝑎𝜙

𝜆

𝑇
= 𝐵𝜙𝑙𝑛 1 +𝑡

崩壊定数が𝝀以下の核種𝝀𝚫𝒏 𝝀𝒅𝝀 = 𝒂 ∙ 𝒍𝒏 𝝀𝜟𝝀𝟎

𝑵 𝝀 =න

微分

𝒅𝒏 𝝀 = 𝒂

𝒅𝝀
𝝀

比例定数𝑩
・ターゲット幾何学形状
・ターゲット構成物質
・ビームロス時の状況（エネルギー、ターゲット内の衝突場所）“Radiation Physics for Personnel and Environmental
Protection“, Fermilab Report TM-1834, P197から転載

粒子輸送計算コードによる評価
PHITS
入射粒子とターゲットの反応、2次粒子の生成および反応を計算して生成残留核を評価する

DCHAIN-SP
生成残留核の崩壊過程を計算
MR用コリメータの計算体系
照射時間

Sulivan-Overton式

𝑀𝑛54
𝑀𝑛56
1日

10日

100日

𝑀𝑛52

𝑉48

照射後の冷却時間(h)運転後の残留線量との比較
𝑩=0.5μSv/h/W
500Wロス @1コリメータ
1か月運転
24時間冷却後

1mSv/h100日
Mn54, Mn56からの寄与を補正した式を使用

0.7%@75kW inj. Beam
0.4%@130kW inj. Beam

運転中と運転後(1h後)の線量の相関• KEK-PSの経験からよく言われるいるのは1000倍• J-PARCの場合、運転中の線量率は運転後の線量率のおおよそ500倍：場所によりfactor 2~3のば
らつきがある• 停止後の残留線量が1mSv/hの場合、運転中は0.5~1Gy/hの線量を受ける• トンネル内にアンプ等を設置した場合、10か月の運転で3.6kGy~7.2kGy

放射線の影響（Total dose effect）

高速ロスモニタ用の試験回路

電圧レギュレータの変動

BJTの直流増幅率の変動(Total dose effect)

アンプゲイン変動

ゲイン

FeedBackがあるのでhFE（Open loop gainに相当する）の変動
が即アンプゲイン変動ではない

直流増幅率の変動
2SC3583の場合、1.3kGy（50~100日）で1%のゲイン変動が起きる

2SC3583の場合

中性子の場合の影響• ロス粒子数の１０～２０倍の中性子が発生• ほとんどの中性子は10MeV以下で、等方的に放射される• センサーや部材への影響：DPA(Displacement per
Atom)• 放射線照射による結晶格子位置からはじかれる原子の数• DPAによって材料特性の劣化• 核反応とクーロン散乱を評価する• 入射中性子が核反応を起こすと荷電粒子が生成• 半導体メモリ中にチャージを誘起してビット反転➡SEU:
ソフトエラー• SEB:焼損（運が悪いと、、、）

J-PARCのモニタ機器への対応• 運転中の放射線がきついため、アンプ、ADC、FPGA、
ネットワーク機器等はトンネル内に入れない方針➡初段アンプまで100~300mの信号伝送• 光ケーブルへの影響:Transmissionが低下（Color centerができる）• MRではシンチレータタイプのBLMは使っていない• ただし例外はある⇒DCCTドライブアンプ、IPMアンプ、16電極Pick-up用ADC機器• DCCT用ドライブアンプ：サブトンネルに設置しており、30m離れている➡いまのところ問題なっていない• IPMアンプ：サブトンネルに設置しており、30m離れている➡
目立ったゲイン変動はない• 16電極Pick-up用ADC機器：入射エリアの近く➡時々意味不明
は通信エラーが出る➡シールドの追加等の対策を講じる予定• ケーブルの減衰を嫌い、一部のモニタ機器でヘッドア
ンプ利用を検討を開始している• IPM：チャンバー直付けタイプのI-V変換• 高速BLM：PINダイオード＋ヘッドアンプ（I-V conv.）

Beam Loss Monitor (BLM)BLMの目的• ビームロス分布測定➡ビームチューニング
• インターロック信号MPS(Machine Protection
System)• 電磁石機器の停止 過大なビームロスが発生レベルに対してインターロックをかける(<1μs)• RF機器の停止
ビームアボート（<1ms）• 真空悪化• 残留放射線レベルのコントロール• DCCT信号の差分でロスパワーを算出

BLMの測定対象• 高エネルギー光（制動放射光）による対生成粒子（主に電子加速器）• 対生成による±e、 ±π、±μ• ロスしたビーム粒子の直接検出• 鉄内の飛程2.9m、平均自由行程16cm• ビームダクトや電磁石を突き抜けてくるもの• 核反応による2次粒子（陽子、中性子、光子、パイオン、ミューオン）• 核反応による2次粒子• 陽子、±e、±π、±μ、ノックオン電子（δ線）等：直接電離放射線• 光子、中性子：間接電離放射線• 不安定核からの崩壊• 核反応生成物からのβ崩壊• BLM検出器そのものの放射化• 崩壊時間の長いものはオフセットとして除去

ビームロス信号ではない
測定から差し引くBLM出力≠ビームロス
大強度加速器に必須• 放射化抑制• 放射線による損傷や電離ロスによる発生熱

寿命低下
損傷

BLMはビームロスを大雑把に把握するのみ
•
•
•

•

ロス粒子数はCT(FCT, DCCT)・電流の変位⇒ロスパワー
・全電流の1~0.1%が下限
・数は限られる（数か所）

ロス粒子を直接観測していない
検出器の数に限りがある
2次粒子検出⇒測定対象が複雑• 散乱体の構造・材質（様々な機器）• 衝突エネルギー• 衝突場所と検出器との位置関係• 放射線種・エネルギーによる感度違い
検出器の出力特性• 感度、ゲイン• 出力直線性• 最大出力電流分布と強度はBLMから・リング内に216か所
・高感度検出器が使用できる➡低レベルロス
・どこまでも出力は上げられない➡ダイナミックレンジ

直接電離放射線のエネルギー移行
電荷zeローレンツ因子βの入射粒子が電子密度nのターゲット物質に入射する場合の素子能（面積質量当たりのエネルギー移行MeV/(g/cm2)）

１）核的阻止能••••

原子核間ポテンシャルによる弾性衝
突の効果
核力が関わっているわけではない斥力ポテンシャル（クーロンポテン
シャル）による減速効果
100keV以下の低エネルギー

Bethe-Blochの式

密度効果は含まない𝑑𝐸
4𝜋 𝑛𝑧 2 𝑒 2−=
𝑑𝑥 𝑚𝑒 𝐶 2 𝛽 2 4𝜋𝜀0
電子密度 𝑛 =2

2𝑚𝑒 𝐶 2 𝛽 2
𝑙𝑛
− 𝛽2
2
𝐼(1 − 𝛽 )

𝑁𝐴 𝑍𝜌
𝐴𝑀𝑚𝑜𝑙

２）電子的阻止能•

束縛電子のエネル
ギー構造は平均励起
エネルギーIで代用

物質内原子（ターゲット）の束縛電
子・自由電子との非弾性衝突によっるエネルギー散逸

𝐼/𝑍 ≈10eV

３）放射阻止能(電子の場合)•

制動放射により光子へ移行するもの

Particle Data Group, “Review of Particle Physics,”
Phys. Rev. D 98, 030001, 2018. より転載

阻止能陽子、パイオン、ミューオンの阻止能

陽子加速器の場合
電子、陽子、パイオン、ミューオン
が主要な直接電離放射線

電子の阻止能1.6×10-9[Gy cm2][Gy]=[J/kg]

1.6×10-8[Gy cm2]

1.6×10-10[Gy cm2]

1.6×10-10[Gy cm2]

Minimum Ionization~1.5MeV cm2/g=2.4∙10-10 Gy cm2

Minimum Ionization~1.5MeV cm2/g=2.4∙10-10 Gy cm2

アメリカ国立標準技術研究所(NIST)のデータベースから
Web pageに電子、α、陽子のデータベース(ESTAR、
ASTAR、PSTAR)が公開されている

Particle Data Group, “Review of Particle Physics,”
Phys. Rev. D 98, 030001, 2018. より転載

間接電離放射線のエネルギー移行
光子や中性子は無電荷で電離相互作用がない
放出される荷電粒子によってBLM検出器にエネルギーが移行する➡光電子放出、電子対生成、核反応による陽子放出
光子の反応確率𝐼 = 𝐼0 exp −𝜇𝑧

反応過程 ・光電効果(Photoelectric effect)
・干渉性散乱(Coherent scattering)
線減弱係数：トムソン散乱・レイリー散乱
𝜇 = 𝜇𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜 + 𝜇𝑐𝑜ℎ + 𝜇𝑖𝑛𝑐𝑜ℎ + 𝜇𝑝𝑎𝑖𝑟 [𝑐𝑚−1 ]・非干渉性散乱(Incoherent scattering)：コンプトン散乱
エネルギー移行係数（移行割合𝜶𝒊）・電子対生成(Pair creation)
ത𝐸
𝜇 = 𝛼𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜 𝜇𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜 + 𝛼𝑐𝑜ℎ = 0 𝜇𝑐𝑜ℎℎ𝜈0+𝛼𝑖𝑛𝑐𝑜ℎ 𝜇𝑖𝑛𝑐𝑜ℎ + 𝛼𝑝𝑎𝑖𝑟 𝜇𝑝𝑎𝑖𝑟 [𝑐𝑚−1 ]線減弱係数[cm-1]を密度で規格化した質量線減弱係数[cm2/g]の逆数➡平均自由行程[g/cm2]

Particle Data Group, “Review of Particle Physics,”
Phys. Rev. D 98, 030001, 2018. より転載

1MeVのガンマ線の場合ほぼλ=20g/cm2
鉄ターゲットの場合➡
20[g/cm2] / 7.9[g/cm3] = 2.5[cm]換算係数
線量への換算係数

𝜇
𝜇𝑚

線減弱係数
質量減弱係数𝜇𝑡𝑟

エネルギー移行係数

𝜇𝑡𝑟 /𝜌
Κ𝜇𝑒𝑛

質量エネルギー移行係数カーマ

𝜇𝑒𝑛 /𝜌Κ𝐶𝐷

質量エネルギー吸収係数
衝突カーマ

𝑋

照射線量

エネルギー吸収係数

吸収線量

𝜇/𝜌
𝐸ത
𝜇
ℎ𝜈0
𝜇𝑡𝑟 /𝜌 ∙ ℎ𝜈0 Φ𝜇𝑡𝑟 (1 − 𝑔※)𝜇𝑒𝑛 /𝜌 ∙ ℎ𝜈0 Φ
荷電粒子平衡時 𝑫 = 𝜥𝑪
Δ𝑄
Δ𝑚

[cm-1][cm2/g][cm-1][cm2/g][Gy=J/kg][cm-1][cm2/g][Gy][Gy][C/kg]※
放射損失𝑆𝑟𝑎𝑑 /衝突損失𝑆𝑐𝑜𝑙 （電子的＋核的阻止能）
𝑔:制動放射による光子への
𝑆𝑟𝑎𝑑≈ 𝑇𝐾𝐸[𝑀𝑒𝑉] ∙ 𝑍/800[𝑀𝑒𝑉]
再移行割合
𝑆𝑐𝑜𝑙
TKE≪800/Z ➡31[MeV] in Fe➡放射損失が無視出来て𝑔=0

光子と中性子の衝突カーマとカーマ近似
カーマ近似➡局所近似

光子

反応が起こったその場所で全エネルギーを消費
直接電離放射線

中性子

Minimum Ionization
2.4∙10-10 Gy cm2
陽子

K shell
からの寄与

1meV

10MeV
直接電離放射線
Minimum Ionization
2.4∙10-10 Gy cm2Si(2.33g/cm3)中のRange
10MeV Electron: R=5.6 g/cm2 -> d=2.4cm
10MeV Proton: R=0.17 g/cm2 -> d=0.7mm

ある領域から逃げる荷電粒子と外から入る荷電粒子が同じであるとき荷電粒子平衡が成り
立っている

中性子

𝑫 = 𝜥𝑪境界が真空の場合、領域とは違う物質、境界の厚み、、、、
計算領域周りの影響 材質、大きさ、厚み
1μeV

10MeV

𝐁𝐫𝐚𝐠𝐠 − 𝐆𝐫𝐚𝐲の空洞原理

誘起電荷• 検出器有感領域のエネルギー寄与ΔEがわかれ
ば誘起電荷ΔQが評価できる• ガスの場合、ΔQ＝ΔE/W• 電子・イオンペアの平均生成エネルギー：W値• Ｗ値は多くの気体で22～43eVの範囲で平均値は約30eV• 固体の場合、ΔQ＝ΔE/ε• 電子・正孔対の平均生成エネルギー：ε値• Si検出器の場合3.6eV、Ge検出器の場合3.0eV

ビームロス検出器：ガス検出器
J-PARC BLM検出器
比例動作

制限比例動作

電離箱 比例係数
モード
モード
G=1
Gmax=2000
AIC
PBLM

吸収エネルギー

連続放電+

イオンによる
空間電荷効果

－ －
－
+ ++
+－+－
－
𝐸(𝑟)

比例計数管の動作原理（電離確率）
放射線による電離電子：𝑛0
ガス中の平均自由行程：𝜆𝑟

アノード方向に𝑟から𝑟 + Δ𝑟へ移動後に、< 電子が受け取るエネルギー＝電離エネルギー𝐼 >のときガスを電離する
電離エネルギー・電場・距離の関係
𝑑𝑈 = 𝐼 = 𝐸 𝑟 Δ𝑟

𝑑𝑟

anode

𝐸(𝑟)

Δ𝑟移動するうちに、未散乱の電子は𝑛 = 𝑛0 𝑒𝑥𝑝 −Δ𝑟/𝜆𝑛/𝑛0 = 𝑒𝑥𝑝 −𝐼/𝐸𝜆𝑛0 のうち、衝突しないでΔ𝑟移動しそこで電離を起こす数が𝑛より、単位距離当たりの電離確率は
𝒏 𝟏 𝟏𝜶== 𝐞𝐱𝐩(−𝑰/𝑬𝝀)
𝒏𝟎 𝝀 𝝀1= 𝐴𝑝として𝜆𝜶𝑨𝑰= 𝑨𝒆𝒙𝒑 −𝒑
𝑬/𝒑

八坂保能著、放電プラズマ工学、森北出版

Townsendの第1電離係数

より転載

比例計数管の動作原理(ガス増幅度)𝑉0
𝐸 𝑟 =𝑟 𝑙𝑛 𝑏/𝑎𝛼：単位距離当たりの電離確率
𝑑𝑛/𝑛 = 𝛼𝑑𝑟
𝑑𝑛
𝑉0
𝑑𝑟
න
= න 𝛼𝑑𝑟 =න𝛼 𝐸
𝑑𝐸𝑛𝑙𝑛 𝑏/𝑎𝑑𝐸1次の関数で近似𝛼(𝐸) ∝ 𝐸
𝐸𝑐𝑟𝑖𝑡
𝑉0
𝑑 1
𝑙𝑛𝑀 ∝
න
𝐸
𝑑𝐸
𝑙𝑛 𝑏/𝑎 𝐸 𝑟=𝑎 𝑑𝐸 𝐸
𝑉0
𝑉0
=
𝑙𝑛
− 𝑙𝑛𝐸𝑐𝑟𝑖𝑡
𝑙𝑛 𝑏/𝑎𝑎 𝑙𝑛(𝑏/𝑎)

𝜿=𝑬

𝒄𝒓𝒊𝒕
Dithornの関係式
𝑽𝟎 𝒍𝒏𝟐𝑽𝟎𝒍𝒏𝑴 =𝒍𝒏− 𝒍𝒏 𝜿
𝒍𝒏 𝒃/𝒂 ∆𝑽
𝒑𝒂 𝒍𝒏 𝒃/𝒂/𝒑

引き続いて起こる電離事象間に得られるポテンシャル

アノードワイヤの極近傍で増幅が起こる

PBLM(Gas:Ar+CO21%)のガス増幅特性
Anode 表面
25μm

Er(r)
電子雪崩開始Cathode表面
11.5mm90μm

𝜿、𝜟𝑽はガス種固有の定数

Δ𝑉

𝜅

CO2密度

CO2密度

比例計数管の動作原理(クエンチガス)
・電子により気体分子が励起され脱励起時に紫外光が放出される・紫外光はガス原子や陰極から光電効果によって光電子を放出➡アノー
ドに移動してガス増幅をくり返す
・紫外光を吸収するクエンチガスを加える
・クエンチガスとしては、メタン、
エタン、イソブタンなどの多原子分子の有機ガスが多く使われる➡耐放
射線性の確認・J-PARC BLMでは耐放射線性を考慮してAr＋CO2 1%

クエンチガスの耐放射線性

S.Lee et al, “The Beam Monitor System of the J-PARC
Linac, 3GeV RCS and 50GeV MR”, p2667, Proc. EPAC04より転載

比例計数管の空間電荷効果
Drift time of positive ions from the central wire

空間電荷効果陽イオンが検出器に残留しガス増幅度が低下

10-2Time of flight (s)電子は素早くアノード収集➡信号立ち上がり～0.1μs
陽イオンは移動度が小さくゆっくりとカソードに収集➡TOF 数ms＜自己誘導型＞•••

高いガス増幅によりなだれ増幅中の陽イオン数が過大になり同一なだれ増幅の後段で影響する検出器の幾何学的効果と単一パルスの出力電荷に依存
出力電流の時間構造・パルスの計数率には非依存＜蓄積型（一般的空間電荷効果と呼ばれる）＞•

10-4

Applied HV on central wire
2.0kV
1.5kV
1.0kV
0.5kV

3ms

Central wire diameter: 50m
Diameter of wire housing
11.5mm10-6

10-8

Bunch length of
injected beam: 60-100ns

10-4

Revolution time

10-3
Radial position (m)

多数回のなだれ増幅で発生する陽イオンが検出器内で溜まり蓄積効果によってバイアス
電圧の実効値が低下しガス増幅度が低下

電子パルスの立ち上がりが高速≠繰り返し動作が高速
ガス増幅は過去の出力履歴に依存する
過去の履歴は数ms持続しガス増幅度が低下するので過小評価になる

10-2

制限比例領域
蓄積型（一般的）空間電荷効果のHendricks評価式

 I
G
ln 2 b 2 p 
V
=
1
+
ln

pa ln (b / a )  V
G8 2  0 VL 
𝐼：出力電流𝐿：検出器長0.8m
𝜇：陽イオンのガス内移動度➡Arガス内Ar+～1.54 [cm2atm/V/s]

制限比例動作

Gain reduction due to large
output current
Gain変動高いガス増幅

1.00E-0110%

変化率

Gain change

1.00E-02

低レベルのロスの検出に絶大な効果を発揮するが、安定運用が難しい

Bias=1000V
Bias=1200V
Bias=1400V
Bias=1600V
Bias=1800V
Bias=2000V

1.00E-03

1.00E-04
1.00E-08

誤差10%以下で運用するには、1μA以下(Δt=3ms間の平均)・バイアス電圧の設定

1.00E-07
出力電流(A)

Output current (A)1.00E-06

1μA

瞬間的な電流増加:Fast Lossに注意
入出射キッカーによるロスなど
直後のロスは測れない

AIC(Air Ionization Chamber)
Gain=1
・感度が悪く、信号立ち上がりも遅い➡信号立ち上がりを早くするには充填ガス
・高レベルのロスイベントに最適➡PBLMと相補的
自然還流空気を使用する• 電子ではなく負イオンを収集している• 充填ガスの変質の問題がなく安定• 移動度が低く、収集時間が遅い• 同軸ケーブルを使用するので安価で長尺のものが製作できる

信号処理回路

ブロック図MR BLM によるビームロス残留線量の測定例
加速器運転時と停止後の線量率測定の比較

ビームロス測定

リング一周の積算ロス信号
黄色は残留線量（停止後50min）

時間：入射～出射ビームロスの2次元プロット

残留線量測定LongAICの測定

電磁場ピックアップによる非破壊
ビーム位置測定
Beam Position Monitor (BPM)壁電流測定：時間分解能(点電荷の場合)
J-PARCの場合の時間分解能
ローレンツ収縮により時間分解能が改善される
無限に小さな検出器があれば時間分解能は𝑎
𝜎𝑡 =2𝛾𝛽𝐶
ダクトを小さくできれば時間分解能が向上する
ビームサイズの関係でどこまでも小さくできない

壁電流分布壁電流−∞

𝐼𝑤 𝑎, 𝑟, 𝜃, 𝜑, 𝑡 =

−𝐼𝐵 𝑡
𝑟
1+2෍
2𝜋𝑎
𝑎
𝑛=1

ダクト −

𝑛

cos 𝑛 𝜑 − 𝜃−𝐼𝐵 𝑡𝑎2 − 𝑟 2=
2𝜋𝑎 𝑎2 + 𝑟 2 − 2𝑎𝑟 cos 𝜑 − 𝜃
−𝐼𝐵 𝑡
𝑟
=
𝑞 , 𝜑, 𝜃
2𝜋𝑎
𝑎

−

−
−
+
+−
−
ビーム −
−
−

𝑰𝑾

ビームが中心壁電流は一定ビームが偏心移動した方位の電流が増加する

積分値➡ビーム電流
分布測定➡ビーム位置

ビーム位置測定
未定定数：電流、位置（x,y）の3変数➡最低3か所の壁電流を測定➡普通は4か所

𝐿±𝑥軸方向
𝐿電極(𝜑 = 𝜋)、𝑅電極(𝜑 = 0))±𝑦軸方向
𝑈電極(𝜑 = 𝜋/2)、𝐷電極(𝜑 = 3𝜋/2)

誘起電流（電圧）𝑆を測定
差信号：∆𝒙,𝒚 = 𝑺𝑹,𝑼 − 𝑺𝑳,𝑫
和信号：𝜮𝒙,𝒚 = 𝑺𝑹,𝑼 + 𝑺𝑳,𝑫𝑥, 𝑦 = ෍ 𝑓𝑛𝑚
𝑛,𝑚=0

Δ𝑥
Σ𝑥

𝑛

Δ𝑦
Σ𝑦

𝑚

感度係数はあらかじめ求めておく

𝐷

BPM

𝑈
𝑅

Wire

Diagonal-cut Pick-up:線形動作
𝐼𝑤 𝑎, 𝑟, 𝜃, 𝜑, 𝑡
−𝐼𝐵 𝑡
𝑥
𝑦
𝑥2 − 𝑦22𝑥𝑦=ቊ1 + 2 cos 𝜑 + sin 𝜑 + 2
cos2𝜑+sin 2𝜑
2𝜋𝑎
𝑎
𝑎
𝑎2
𝑎2
𝑥 3 − 3𝑥𝑦 2
3𝑥 2 𝑦 − 𝑦 3
+2
cos
3𝜑
+
sin 3𝜑 + ⋯ ቋ𝑎3𝑎3

電極Rの信号
2𝜋

𝑍1 𝜑

𝐼𝑅 = න

𝑎𝑑𝜑 න

0

𝑍0

2𝜋

=න
0

𝐼𝑅 = 𝑠

𝐼𝐵 𝑡 𝑙𝑥
1+2𝑣𝐵
𝑎𝐼𝐿 = 𝑠

𝐼𝐵 𝑡 𝑙𝑥
1−2𝑣𝐵𝑎

𝐼𝑤 𝑎, 𝑟, 𝜃, 𝜑, 𝑡 𝑑𝑧𝑙𝑎 (1 + cos 𝜑)𝐼𝑤 𝑎, 𝑟, 𝜃, 𝜑, 𝑡 𝑑𝜑2

𝜟 𝒙 𝑰 𝑳 − 𝑰𝑹 𝒙==
𝜮 𝒙 𝑰 𝑳 + 𝑰𝑹 𝒂

J-PARCのBPM• Strip-line pick-up ➡ 分布定数的取り扱い• 50Ω Matched (Directional coupler)• Unmatched• Magnetic coupler:磁場ピックアップ• 16 pick-up:16電極タイプ• Tapered coupler• Electrostatic:静電誘導型 ➡ 集中定数的取り扱い• Diagonal-cut BPM• RCS, MR用Strip-line pick up𝑙• １平面に直線状４電極• 電極とダクトで一定の特性インピーダンス𝑍0• 上流端と下流端でそれぞれ𝑍1 、𝑍2 で短絡➡通常、Z1 は50Ω同軸＋アンプの負荷(50Ω)• J-PARCでは主にLinacで使用されている(𝑍1 = 𝑍0 = 𝑍2 )• 分布定数的取り扱い• 波長が電極長さに近い場合：λ ⇒ 2𝑙

50Ω matched strip-lineの動作50Ω matched strip-lineの特徴
1)

Transfer impedance
定義 ：

𝒁𝒕 =

𝑽𝒎
𝑰𝑩

𝑔(𝜔)𝑍0𝑍𝑡 𝜔 =
1 − 𝑒 −𝑗(𝛽𝐵+𝛽𝑠 )𝑙2
𝛽: 位相定数𝜔𝜔𝛽𝐵 =, 𝛽𝑠 =𝛽𝑙 𝐶

𝐶𝛽𝑙 : ローレンツ因子
位相定数が𝟐𝝅の整数倍 𝟐𝒏𝝅 = 𝜷𝑩 + 𝜷𝒔 𝒍 = 𝟏 + 𝟏ൗ𝜷𝒍
➡パルスが重なり𝒁𝒕 =0つまり出力が0になる

2)

𝜷𝑩 = 𝜷𝒔 𝜷𝒍 = 𝟏

𝝎
𝒍
𝑪

のとき

電圧波と壁電流が同時に到達するので、上流端からの伝搬波と下流端での生成波が相殺して電圧が発生しない
ビームの入射端のみ電圧が発生する⇒Directional Coupler

Linac BPM

Linac用BPM

𝑍1 ≠ 𝑍2 ≠ 𝑍0 の場合の𝑍𝑡 (1)
𝑙
𝑍𝑖𝑛
𝑍2

𝑍0
𝒁𝟐 + 𝒋𝒁𝟎 𝒕𝒂𝒏 𝜷𝒔 𝒍
𝒁𝟎 + 𝒋𝒁𝟐 𝒕𝒂𝒏 𝜷𝒔 𝒍
𝟏 + 𝜞𝟐 𝒆−𝟐𝒋𝜷𝒔 𝒍= 𝒁𝟎
𝟏 − 𝜞𝟐 𝒆−𝟐𝒋𝜷𝒔 𝒍
𝒁𝒊𝒏 = 𝒁𝟎

壁電流が流入壁電流が流出計算手順① 負荷𝒁𝟏 = 𝑶𝒑𝒆𝒏時の開放時インピーダンス𝒁𝒊𝒏 𝝎➡計算するときには電流源は短絡しておく② 開放電圧(𝒁𝟏 = 𝒐𝒑𝒆𝒏)を計算
各誘起電圧を足し合わせ➡重ね合わせの原理③ テブナンの定理で負荷インピーダンス𝒁𝟏 を接続した場合の電圧を求める

開放電圧
𝑉0

𝑍1 ≠ 𝑍2 ≠ 𝑍0 の場合の𝑍𝑡 (2)1𝑣1 = 𝑔𝑍0 𝐼𝑜 + 2𝑔𝑍0 𝐼𝑜 Γ2 𝑒 −𝑗2𝛽𝑠 𝑙 + 2𝑔𝑍0 𝐼𝑜 Γ2 𝑒 −𝑗2𝛽𝑠 𝑙
1 + Γ2 𝑒 −𝑗2𝛽2 𝑙= 𝑔𝑍0 𝐼0
1 − Γ2 𝑒 −𝑗2𝛽2 𝑙

2

+⋯

𝑍 −𝑍

反射係数：Γ2 = 𝑍2 +𝑍0

𝑣2 = −𝑔𝐼0 𝑒 −𝑗𝛽𝐵 𝑙 (𝑍0 ∥ 𝑍2 )2 1 + Γ2 𝑒 −𝑗2𝛽𝑠 𝑙21+ Γ2 𝑒 −𝑗2𝛽𝑠 𝑙

2𝑔𝐼0 (𝑍0 ∥ 𝑍2 )𝑒 −𝑗(𝛽𝐵+𝛽𝑠 )𝑙=−1 − Γ2 𝑒 −𝑗2𝛽𝑠 𝑙

20+ ⋯ 𝑒 −𝑗𝛽𝑠 𝑙𝑍1 ≠ 𝑍2 ≠ 𝑍0 の場合の𝑍𝑡 (3)𝑍1 = 50Ω, 𝑍0 = 200Ω
𝑍𝑡 𝜔 ==𝑍1
𝑉0 𝜔
𝑍𝑖𝑛 𝜔 + 𝑍1 𝐼0𝑔(𝜔) 𝑍0 ∥ 𝑍1
1 + Γ2 𝑒 −𝑗2𝛽𝑠𝑙 − 1 + Γ2 𝑒 −𝑗(𝛽𝐵 +𝛽𝑠)𝑙1 − Γ1 Γ2 𝑒 −𝑗2𝛽𝑠𝑙

𝒁𝟐 =Open𝒁𝟎 = 𝒁𝟐 = 𝟐𝟎𝟎𝛀

𝜷𝑩 → 𝜷𝒔 𝒗𝑩 → 𝒗𝒔 = 𝑪

𝒁𝟐 = 𝐒𝐡𝐨𝐫𝐭
𝒁𝟏 = 𝒁𝟎 = 𝒁𝟐 = 𝟓𝟎𝛀

𝒁𝒕 𝝎 =

𝒈(𝝎) 𝒁𝟎 ∥ 𝒁𝟏
𝟏 − 𝒆−𝒋𝟐𝜷𝒔𝒍−𝒋𝟐𝜷𝒍𝒔
𝟏 − 𝜞𝟏 𝜞𝟐 𝒆

低周波数領域では𝑍2 =shortの場合が最も感度が高い
電極とダクト間のループを交差する磁束電磁誘導➡Magnetic coupler

𝒁𝟏 =𝒁𝟎 にすると群遅延特性が平坦

Magnetic coupler (𝑍2 = 𝑠ℎ𝑜𝑟𝑡)

350BT コリメータエリア用のMagnetic coupler BPM

静電誘導ピックアップ（集中定数的）

𝑽𝒐𝒖𝒕 𝒔 = 𝒊𝑩 𝒔
𝑑𝑄 = 𝑖𝐵 𝑡 𝑑𝑡 − 𝑖𝐵 𝑡 − 𝛥𝑡 𝑑𝑡

log 𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑑𝑄 1
𝑖𝐵 𝑡 − 𝑖𝐵 𝑡 − 𝛥𝑡
𝑑𝑖𝐵
−−−−→
=
𝑑𝑡 𝛥𝑡
𝛥𝑡
𝑖𝑓 𝜎 ≫ ∆𝑡 𝑑𝑡

Slope:
20dB/dec𝑹𝒔𝒍
𝟏 + 𝑪𝑹𝒔 𝒗𝑩𝑡𝑑𝑄 𝑑𝑖𝐵𝑙≈𝛥𝑡 = 𝑠𝑖𝐵 𝑠𝑑𝑡
𝑑𝑡𝑣𝐵
ラプラス変換

𝑓=

1
2𝜋𝐶𝑅

log 𝑓

Diagonal Cut BPM(1)電極を分離するスペース

Groundのダクト
LR電極とUD電極間のカップリングを低減

𝑥
1
+
0.5𝑙
𝐼𝐿
𝑎 + 𝑠𝐼 𝑡 1 𝑙′
= 𝑠𝐼𝐵 𝑡𝐵
𝐼𝑅
𝑣𝐵 1 − 𝑥𝑣𝐵 𝑙′′𝑎𝑥
1 + (∆ + )𝑔𝑙𝑓𝑎= 𝑠𝐼𝐵 (𝑡)𝑓𝑣𝐵 1 − (∆ + 𝑥 )𝑓𝑎𝒍′ − 𝒍" 電極面積の𝜟=
𝒍 + 𝒍′ + 𝒍" 誤差に由来

𝒍 + 𝒍′ + 𝒍"
𝒇=
𝒍

𝜟𝒙
𝒙
=𝜟+
𝜮𝒙
𝒇𝒂

想定される電極構造

現実には電極面積は若干違うし➡Offset
正確なCos形状にならない➡多極成分

Diagonal Cut BPM(2)𝐼𝐶12 = 𝑠𝐶12 (𝑉𝐿 − 𝑉𝑅 )𝐼𝐶11 = 𝑠𝐶11 𝑉𝐿

𝑃𝑜𝑠. 𝑥 = 𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒 ∗Δ+ 𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡Σ

𝜟=0.011 面積誤差~1%
𝑪𝟏𝟏 = 𝟑𝟑𝟓. 𝟎𝒑𝑭, 𝑪𝟐𝟐 = 𝟑𝟒𝟎. 𝟓𝒑𝑭, 𝑪𝟏𝟐 = 𝟖𝒑𝑭
測定値𝟏= 𝟏/𝟏𝟓𝟖𝒎𝒎
𝜶𝐼𝐶22 = 𝑠𝐶22 𝑉𝑅

~8pF

計算値

4%
1MHz 10MHz

コンデンサ電流𝑉𝐿
𝐶= 𝑠 11
𝑉𝑅
−𝐶12
𝑠 𝑠

𝐶11
−𝐶12

抵抗電流

1 1 0
−𝐶12
+
𝐶22
𝑅 0 1

1 1 0
−𝐶12
+
𝐶22
𝑅 0 1

−1

𝐼𝐵 (𝑡)∆ 𝑽𝑳 − 𝑽𝑹==𝜮 𝑽𝑳 + 𝑽𝑹
𝑪𝟏𝟏 − 𝑪𝟐𝟐 − 𝑪𝟏𝟏 + 𝑪𝟐𝟐 − 𝟐𝑪𝟏𝟐
𝑪𝟏𝟏 − 𝑪𝟐𝟐

𝑔𝑙
𝑓𝑣𝐵

−1

1.6mm
𝐼𝐿
𝐼𝑅

𝑥
)
𝑓𝑎
𝑥
1 − (∆ + )𝑓𝑎
1 + (∆ +𝒙
𝑹𝒔 − 𝟐𝒙/𝒇𝒂
𝒇𝒂𝒙− 𝑪𝟏𝟏 + 𝑪𝟐𝟐 + 𝟐𝑪𝟏𝟐
𝒇𝒂

𝑹𝒔 − 𝟐

1MHz 10MHz

感度係数:Slope、Offset➡周波数依存性
Slope:Const., Offset=Const.(=0) が理想• 相互キャパシタンス𝐶12 を小さく
• 電極キャパシタンスの誤差を小さく• 電極誤差を小さく

信号処理系

最大信号レベル𝑉𝑝𝑝 ~200𝑉

Beam profile monitor

ビーム形状• ビーム運動は水平方向、垂直方向、ビーム進行方向の一般
化座標と一般化運動量の、計6次元(x, px, y, py, s, ps)
Beam profile: f ( x, y , s )

y

s
x
⚫
⚫
⚫

ds

水平(x)、垂直(y)、ビーム進行(s)方向運動➡3種類の2次元エミッタンス
ビーム軸方向➡縦方向(Longitudinal)プロファイル
ビーム断面方向➡横方向(Transverse)プロファイル⚫
水平方向(Horizontal)プロファイル⚫
垂直方向(Vertical)プロファイル

Longitudinal Profile (Linac)
Bunch Shape Monitor(Streak Camera)

金属ワイヤ

コリメータ

コリメータ

RF偏向板 収集磁場 コリメータ
偏向磁場

S. Gavrilov et al., “Bunch shape monitors for modern ion
linacs”, IOP, Vol. 12, 2017, P12014 より転載

三浦昭彦他、”BUNCH SHAPE MONITOR FOR J-PARC LINAC”,
2013加速器学会プロシーディングス より転載

Longitudinal Profile (Ring)
ShieldMagnetic core

Beam

Ceramic gap

Transverse Phase spaceの表現
𝑥′
𝑥′𝑚𝑎𝑥

Slope=−𝛾/𝛼 𝑡𝑎𝑛2𝜑 =Courant-Snyderのパラメータ

C

D

B

𝜑

2𝛼
𝛾−𝛽

Slope=−𝛼/𝛽

𝛾𝑥 2 + 2𝛼𝑥𝑥 ′ + 𝛽𝑥′2 = 𝜀𝛾𝛽 − 𝛼 2 = 1

A

𝐴 = 𝜀𝜋𝑥𝑚𝑎𝑥

𝜒 = −𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 𝛼

𝑥

𝒙

𝒙′

𝒙

𝒙′

A

𝑥𝑚𝑎𝑥 𝑐𝑜𝑠𝜒

0

𝜀/𝛾

0

B

𝑥𝑚𝑎𝑥

𝑥′𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑖𝑛𝜒𝜀𝛽

−𝛼 𝜀/𝛽C

𝑥𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑖𝑛𝜒𝑥′𝑚𝑎𝑥−𝛼 𝜀/𝛾𝜀𝛾D

0𝑥′𝑚𝑎𝑥 𝑐𝑜𝑠𝜒0

𝜀/𝛽

エミッタンスとプロファイルの関係
プロファイルモニタ
水平プロファイル

• プロファイル
• 相空間における粒子分布
を実空間に射影したもの

x

エミッタンスモニタ
スクリーンモニタy’

垂直プロファイル

y
ymax

ymax
ymin

x

xmin

y

xmax

y

ビーム
スポット

ymin

(y,y’)相空間x’• エミッタンス

x

xmin
xmax

• 相空間における粒子の広がり(x,x’)相空間

ハドロン加速器で使用される測定プローブ
プローブ

信号源

モニタ名

備考

ワイヤ

誘起電荷(二次電子）
二次放射線

ワイヤスキャナもニタ、マルチワ
イヤモニタ、フライングワイヤモ
ニタ

大強度ビームではワイヤの破断が
問題

スクリーン

蛍光
遷移放射光（OTR)

蛍光板スクリーンモニタ、OTRモ
ニタ

ビームスポット観測

レーザー

レーザー電離電子レーザーワイヤモニタ

SNSの負水素リニアックで使用
J-PARCでも検討中（試験済み）

放射光

シンクロトロン放射光

シンクロトロン放射光モニタ

200GeV以上で実用化
CERN-SPS,Tevatron,DESYHERA,CERN-LHCなど

荷電粒子
ビーム

電子ビームの変位
イオンビームの変位

電子、イオンビームプローブモ
ニタ

SNS、CERNで動作試験

残留ガスビームにより電離した荷電粒子

残留ガスプロファイルモニタ

非破壊プロファイルモニタ

ガス

導入ガスとビームの反応で発生する蛍光

ビーム誘導蛍光モニタ

シートガスタイプをJ-PARC用に開発
中
BTラインにガスセル方式

横方向エミッタンスモニタ
第1スリット

第2スリットダブルスリット法

y'
ファラデー
カップ

ビーム分布

ビーム

d

Y

l

第1スリットである座標Yの粒子を選別し、第2スリットの位置を変えながら発散角度を測定する
y' =  =d −Yl高エネルギー粒子にはスリットが使えないため、
低エネルギーに限る

イオン源におけるビームエミッタンス
測定例

負水素ビームの誘起信号
A)
A
二次電子
陽子

B)

信号強度

H-

0

B
C

電子
ワイヤ

入射エネルギー

ワイヤに誘起する信号強度C)B)の過程がもっとも信号強度が大きい
ワイヤ径および材料を調整し最適化する

入射エネルギー大

B)

≒

10×C）

Linacのワイヤモニタ
ワイヤスキャナーモニタ（WSM)• リニアックで使用されているワイヤをプローブに使うプロファイルモニタ• ワイヤをビームに対して挿入し、ワイヤ電流を測定する• 信号処理回路の数を抑えられる

Y用
ワイヤ

X用
ビーム

J-PARC Linac ビームの測定例

J-PARC WSM

WSMのヘッド

A. Miura et al, “OPERATIONAL PERFORMANCE OF WIRESCANNER MONITOR IN J-PARC LINAC “, Proc. Of IPAC’10,
MOPE021 より転載

マルチワイヤプロファイルモニタ(MWPM)
入射部およびBTに設置• RCS入射部および3-50BTに設置• RCS入射部は負水素ビームが通るので、負水素についている電子信号と二次電子信号を測定するため、信号強度が大きい• 3-50BTは二次電子信号のみを測定

V

Y

U

17.7度

RCS用MWPMヘッド

X

リングのワイヤモニタ
フライングワイヤモニタ
放射線
p、γ、μ、κ
ビーム

ワイヤ

シンチレータにより発生する
放射線を測定ワイヤスピード⇒信号強度
位置を補正⇒立体角に影響するため、要校正
ワイヤスピード5m/s
一連の動作を0.2sで行うワイヤの破断、ビームの変質、ビームロスの恐れあり

残留ガスプロファイルモニタ（ＩＰＭ）の測定原理
RCSおよびMR、ハドロンBTに設置

IPMによるターン毎測定
周回毎のプロファイルを測定し、入射ビームの調整を行う

time

入射後14ターン目

入射後1ターン目

MR入射ビームのマッチング調整

まとめ• 陽子加速器用モニタ？
• 基本的に電子のものと同じモニタで同じ原理で動作• J-PARCでは電子と比べてLong Bunch:𝜎𝑡 > 20𝑛𝑠であり、周波数はDC~数10MHz程度がメインターゲット• エネルギーが上がると電子加速器と同じような時間構造になる• KEKB: 3.5GeV/8GeV, 𝜎𝑡 = 0.02𝑛𝑠, Bunch space:2ns• LHC：6.5TeV, 𝜎𝑡 = 0.3𝑛𝑠, Bunch space:25/50 ns• モニタ設計も同様• BPM:ボタン電極• 放射光によるプロファイル• 大強度陽子加速器：機器の放射化の抑制が重要なタスク• 放射化とモニタ精度の関係を理解• 非破壊モニタが基本（できるだけ）
予告していたCT装置については断念しました。ごめんなさい➡もし次回（何年後？）があれば、その際に