The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

Optimization of an O2 sheet beam focusing-system for sheet beam profile monitor
H.Uchiyamaa, T.Fujisawab, Y.Hashimotoc, K.NodabaGraduate School of Science and Technology, Chiba University, 1-33 Yayoi-cho, Inageku, Chiba 263-8522, Japanb
National Institute of Radiological Sciences, 4-9-1 Anagawa, Inageku, Chiba 263-8555, Japanc
High Energy Accelerator Research Organization, Oho1-1, Tukuba-shi, Ibaraki 305-0801, JapanAbstract
A non-destructive 2-D ion beam profile monitor using anoxygen molecular sheet beam has been developed. In this profile
monitor, a method of using multi-pole magnets to focus an O2
beam was adopted to gain a thin and highly dense sheet beam.
At the present, this monitor has been installed in HIMAC
synchrotron, and we have succeeded in measuring the profile ofa circulating ion beam. This paper describes characteristics ofthe sheet beam, and shows measured profile of an ion beam
circulating in HIMAC.

1

はじめに加速器の発展において、非破壊でのビームプロファイル測定は大変重要であり、これまでにも多くのプロファイルモニターが開発されてきた[1]。Sheet Beam Profile Monitor(SBPM)[2]は、2 次元のビームプロファイルを得られるという特徴があり、また、短時間での測定が可能で、周回中のイオンビームへ与える影響も小さいという特性を持ったビームプロファイルモニターである。図 1 に SBPM の概念図を示す。

シートをシートの厚さ方向に収束させて、薄く密度の高いガスシートビームを得ている。さらに、リングの超高真空へ与える影響をできる限り少なくする必要があるため、本装置ではパルス状の酸素分子ビームを用いている。
本 SBPM は、HIMAC シンクロトロンに設置し、ガスシートビーム収束系の最適化及び、プロファイル測定を行った。ここではその結果について報告する。

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軌道計算による磁石最適化予測

磁束密度 B の磁場中では、スピンを持った粒子はラーモアの歳差運動をしながら、磁場に沿ってスピンの向きを変える。ラーモアの周波数νは、磁気回転比（g ファクター）を g、ボーア磁子をµ、プランク定数を h とすると、

ν = gµB hとなり、1T の磁場では約 28GHz である。この装置の磁石の磁極先端の磁束密度はおよそ 2.3T で、磁極間隔は 6mm、ガスの速度は 735m/s なので[3]、スピンは磁場に沿って向きを変える。また、スピンの z 成分を m とし、g と m が磁場から独立であれば、この磁気モーメントが不均一磁場中で受ける力 F は

F = − g µ m ⋅ grad B

図 1：SBPM 全体図(TMP :Turbo-molecular pump，IP :Ion pump)
SBPM は、シート状のガスターゲット中に加速イオンビームを通過させ、生成した電離イオンを平行電場によって収集し、MCP(Multi Channel Plate)で増幅する。その後、スクリーンを光らせ、それを、CCD カメラで観測することでイオンビームのプロファイルを得る方式になっている。
SBPM では 2 次元でのビームプロファイルを観測するためにイオンビームに対してガスシートを 45 度傾けている。
そのため、イオンビームプロファイルの垂直方向の解像度がガスシートの厚さに大きく影響を受ける。そこで、ガスシートには十分な薄さが求められる。さらに、短い時間(数100 ns～)での測定において、測定の精度を高めるためガスの密度を高くする必要がある。この目的で、酸素分子が不均一磁場中を通過すると偏向することを利用し、S・N を交互に並べた多重極磁石で作った不均一磁場によりガス（1）（2）である。そのため、B の勾配が磁場に沿った向きで磁場中心からの距離に比例していれば、シートビームを一定距離に収束させることができる。
酸素分子は 2 原子分子であるため、スピンだけではなく回転による角運動量を考える必要がある。酸素のスピンは1 であるので、回転の角運動量ｋ=1 のときの全角運動量 J
は J=1，2，0 の 3 つあり、磁場中ではゼーマン分裂によって、エネルギー準位 M がそれぞれ、J=1 のとき M=1，0，－1、J=2 のとき M=2，1，0，－1，－2、J=0 のとき M=0、に分裂する。M=2，－2 のエネルギーは(2)の m＝1，－1 にほぼ等しく、M=1，－1 はその半分である[4,5]。そこで、不均一磁場の中で発散する成分、直進する成分があり、収束する成分も J により受ける力が違うことを考慮に入れて計算を行わなければならない。k＞1 の場合は、さらに多くのエネルギー準位に分裂するため各成分の収束力に大きく差ができる。また焦点距離は、ガスの速度の 2 乗に比例して増加する。そのため、ガスの温度が高くなり、速度のばらつきが大きく、k＞1 となるような場合には、十分な収束力は見込めなくなってしまう。軌道計算では、実際に集束磁石の作る磁場分布を測定した結果から dB/dy を算出し、シートビームの温度を 7K 以下としたときの酸素分子の軌道を計算した。M=2 の場合は、図 2 のような焦点距離と磁石ギャップの関係を得た。
HIMAC に設置された SBPM は、HIMAC の超高真空への影響を少なくし、同時にシートビームの厚さ方向の広がThe 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

りを制限するために、#3 チェンバーと HIMAC チェンバー
3 測定(#4)との間に高さ 1mm(図 1)のスリットを入れてあり、測定部での発散する成分と直進する成分の厚さはこのスリッ
3.1 測定方法
トで決定される。またこのスリットのために、イオンビー
ムプロファイル測定部でのシートビームの流量が大きくシートビーム密度測定装置は、1mm(h)×14mm(w)のスリなるのは、収束の焦点位置がスリットに一致したときであット付き B-A ゲージ(Bayard-Alpert Gauge：図 1)を用いて行る。収束成分は測定部でオーバーフォーカスになるため、 った。図 4 の測定結果はシートビームの密度時間分布測定
厚さ方向に広がりを持つ。このためシートビームの厚さは、 をしたものである。分布の立ち上がりが早いことから、酸
このオーバーフォーカスした成分によって決まる。軌道計
素分子の速度がよく揃っていると考えられる。このことか算は、このスリットを考慮に入れて行い、磁石の設置位置
ら、シートビームの温度は十分低いという仮定が正しいこと磁石ギャップの最適条件を考察した。とが確認された。また、シートビームの密度分布プロファ
その結果、流量が最も多くなる磁石ギャップは、磁石をイルを、ゲージを移動させることで測定した。
下流側(図 1，#3chamber)に設置した場合ではギャップ 12mm、0.1
磁石を上流側(図 1，#2chamber)に設置したときはギャップ10.5mm(図 3,5)という結果を得た。また磁石の設置位置を0
比較すると、磁石を上流に設置しギャップを 11mm とした場合の流量は収束磁石無しのときの約 3.7 倍になり、下流-0.1
Valve Pulse
設置でギャップ 12ｍｍのときの約 2 倍より多くなるという
Gauge Pulse-0.2
結果を得た。さらに、同じ条件で、モニターチェンバー中心において、収束力を受けない成分の厚みは 1.2mm 以内であり、オーバーフォーカスした成分のうち厚さ 1mm 以内にあるのは、磁石下流設置では約 67%、
上流設置では約 85%であるという結果を得た。以上から集束磁石の最適設置条
件は磁石ギャップ 10.5mm で#2 チェンバー設置であるという予想した。

-0.3-0.4

データ取得点(ピーク)-0.500.0010.0020.0030.004

Time (s)500

図 4：シートビーム時間分布
焦点距離4003.2

モニターチェンバー(#4)前に高さ 1mm のスリットが置かれているので、スリット下流の流量を最大にするためには、磁場の中心軸とスリット系の軸を一致させる必要がある。そこで、磁石のギャップを変えずに軸をずらしてスリット下流の流量を調べた。その結果、磁石中心軸の初期設
定はスリットの軸から 0.16mm ずれていることが判った。

3002001000

磁石軸アライメント

3.3891011121314

磁石ギャップ(mm)
図 2：M=2 の成分の焦点距離の計算結果‐平均の焦点距離

4Slit

20-2-40200 400 600 800 100012001400 1600

スキマーからの距離(mm)
図 3：磁石#2 チェンバー設置での M=2 の成分のビーム軌
道計算(磁石ギャップ 11mm)

シートビーム厚さプロファイル測定

実際のシートビーム流量測定結果を図 5 に示す。磁石ギャップ 10mm のときに流量が最大になっており、計算結果とよく合う。しかし、計算では M=2 の成分によるピークと、M=1 の成分によるピークの二つのピークが見られるが、磁石ギャップ 6mm 以上の測定では、M=1 によるピークが見られない。この原因の解明は今後の課題である。
また、シートビームの厚さ方向プロファイル測定結果を
図 6 に示す。これより、シートの厚みは#3-#4 間スリットによりほぼ決まっていることがわかる。また、計算結果から予想したように磁石を上流側設置にした場合、下流側設置に比べて集束成分のオーバーフォーカスによるシートの厚さ方向の広がりが少ないことも確認できた。以上の結果より、HIMAC における磁石の最適設置条件は上流設置で磁石ギャップ 10mm であると決定した。

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46磁石上流-測定値
磁石上流-計算値

5イオンビームプロファイル測定

以上の測定から決定した条件で HIMAC のイオンビームのプロファイル測定を行った。図 8 は、6MeV/n の 40Ar18+ビームの電子冷却の過程を測定し、得られた像である。[6]432678910111213

入射 1 秒後

142 秒後磁石ギャップ(mm)
図 5：シートビーム流量測定結果の計算値との比較(磁石上流設置)
Gap10mm_磁石#20.04

Gap11mm_磁石#32.5 秒後

0.030.02

50.01

0-6-4-20246BAG Position
図 6：磁石#3 チェンバー設置でのシートビーム厚さ方向プロファイル(磁石上流設置で磁石ギャップ 10mm と下流設置でギャップ 11mm)

3.4 シートビーム水平方向プロファイル測定3.3 ではシートビームの厚さ方向の分布を測定したが、水平方向に関して密度分布の一様性を調べる測定を行った。この測定では、覆いの下側からのガスの影響を防ぐために、ゲージ全体を覆い測定を行った。その結果図 7 のような結果を得た。これより、シートビームは水平方向に一様に分布していることが確認された。
0.06
水平方向
0.05
0.04
0.030.020.01
0-60-40-200204060

BAG Position

図 7：シートビーム水平方向プロファイル

3 秒後
図 8：40Ar18+ビームの電子冷却の過程

まとめ

実際に測定した磁場データから酸素分子の軌道計算を行った結果、集束磁石は、#2 チェンバーに設置し、磁石ギャップは 10mm が最適であるという予想を得、実際の測定結果から、最適磁石ギャップは 10mm であるという結果を得た。また、磁場の軸とスリット系の軸の一致、シートビームの水平方向密度の一様性を確認し、最終的には実際に周回中のイオンビームのプロファイル測定に成功した。

謝辞
この研究は放射線医学総合研究所 HIMAC 共同利用研究として行いました。本研究を行うにあたり多くの御指導、御協力を頂きました HIMAC 関係者及び AEC の皆様に深く感謝します。

参考文献[1] T.Honma, D.Ohsawa, K.Noda, T.Iwashima, H.Y.Ogawa,Y.Sano, E.Takada, S.Yamada, NIM A 490 (2002) 435-443[2] Y.Hashimoto, Y.Fujita, T,Morimoto, T.Fujisawa, et. al., Proc.
EPAC, Paris(2002)p.1900[3] D.R.miller, in: Giacinto Scoles (Ed.), Atomic and Molecular
Beam Methods, Vol.1, New York, Oxford Press, 1988,p.14.
[4] T.Fujisawa, Y.Hashimoto, T.Morimoto, Y.Fujita, NIM A 506(2003) p.50
[5] M.Tinkham, MIT, Ph.D Thesis, 1954.
[6] 橋本義徳他、平成 14 年度粒子線癌治療用加速器に関する報告書