Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

THE STATUS OF THE J-PARC RCS BEAM MONITOR SYSTEM,A)

Naoki Hayashi1A)A)A), Seiji Hiroki , Saha Pranab , Ryuji Saeki , Ryoji Toyokawa

A)

B)

B)

A)†A)

, Kazami Yamamoto ,B)B)

B)

Masahiro Yoshimoto , Dai Arakawa , Shigenori Hiramatsu , Seishu Lee , Kennichiro Satou , Masaki Tejima ,B)

Takeshi Toyama , Hiroyuki, HaradaA)

JAEA/J-PARC, 2-4 Shirakata-Shirane, Tokai, Ibaraki, Japan, 310-1195
B)

C)

C)

KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, Japan, 305-0801

Hiroshima University, 1-3-1 Kagamiyama, Higashi-Hiroshima, Hiroshima, Japan, 739-8526

Abstract
The J-PARC RCS has been beam commissioned since fall 2007. During such a short period, the following items havebeen established. Establishment of the injection orbit, beam circulation, acceleration up to 3GeV, optics parameters
measurements and it achieved 50kW beam power (4x10 12 ppb). The beam monitor system has an important role forsmooth beam commissioning. This paper describes the status of the beam monitor system, BPM, Injection monitors,
IPM, current monitor, tune meter and BLM of the RCS.

J-PARC RCS ビ ーム モニタ ーシ ス テ ム の現状
１．はじめに
２．入射モニター

J-PARC RCSは、パルス当り8.3x1013 個の陽子を3GeVまで加速し、1MWのビームパワーを生み出す、入 射 部 に 配 置 し た モ ニ タ ー は 、 MWPM (Multi[1]繰 返 し 25Hz の Rapid-Cycling Synchrotron で あ る 。
Wire Profile Monitor)とsingle passのBPMである。他
RCSから取り出されたビームは、中性子やミューオにElectron catcher, H0ダンプへの電流を測るモニンを使った実験を行う物質・生命実験施設やニューターが別途用意された。図２に、その配置を示す。
トリノ・原子核実験のためさらに陽子を加速する
コミッショニングの最初のモードは、荷電変換フォMR (Main Ring; 50GeV Proton Synchrotron)へ供給されイ ル を 抜 い て 、 ビ ー ム を 直 接 Injection dump (H0る。RCSのビームコミッショニングは、2007年10月dump)へ導くモードで、入射軌道の確立を目的に実より開始され、ビームパワー50kWまで達成してい施 し た 。 MWPM の ワ イ ヤ ー は 、 間 隔 の 異 な る[2]る 。大強度用に開発されてきたビームモニターシ(MWPM2では、3mm, 10mmピッチ)面が、17.7度傾[3,4]
ステム は、当初から順調に稼動を始めており、スけて取り付けられている。0.1mm毎に移動させながムーズなビームコミッショニングに貢献している。
ら、101回の連続測定を行うことで、分解能が向上[5]
図１にRCS全体図とビームモニタの配置を示す。こした 。近くのバンプ電磁石のノイズが大変大きく、れ以外に、BPM, BLMが全周に配置されている。
S/N比改善のため、信号を積分した。また、H- ビー
ム に 比 べ 、 H+ ビ ー ム が 通 る ダ ン プ ラ イ ン 上 のWCM
BPM324
FCT
MWPM6,7は、信号が尐なく、これを尐しでも補うため、1mm幅程のチタンフォイルを採用した。また、
3NBT
3N dump (4kW)
FCT
MWPMは、破壊型モニターであるので、パルス当
Kicker
IPMたり粒子数 4x1011、繰返し1Hz、ビーム周回なし、Extraction section
Tune-BPM
での使用に限定した。
MCT
Injection
To MLF
Secondary collimators
dump (4kW)
R-BPM
Single pass専用のBPMは、入射ライン(K,I-BPM)とTransverse
primary collimator第１アーク部(BPM324)に配置した。Linac beamの周
1 stripping foil
3-50BT
DCCT/SCT
波数成分は、324MHzなので、この周波数で検波し、90-deg dump
WCM
Injection section
ビーム位置の計算を行った。アーク部にあるBPMは、
100-deg dump
To MR
WCM
入射後のビームの重ね合わせだが、324MHzは、概R-BPM
Longitudinal
primary collimator
ね４周ほどで減衰することが分かっている。
Exciter
Electron Catcherは、荷電変換フォイル直近に置かRF cavities
stL3BT

From Linac

H0CT

R-BPM

K-BPM

図1: Layout of the J-PARC RCS.
BPM324

WCM

I-BPM

FCT

1

3N dump (4kW)
FCT
E-mail: naoki.hayashi@j-parc.jp
KickerIPM
Present affiliation: Nippon Advanced
TechnologyCo.,Ltd.
Extraction section
3NBT†

Injection
dump (4kW)

Tune-BPM
MCT
Secondary collimators
Transverse
primary collimator
1st stripping foil

90-deg dump

R-BPM

DCCT/SCTWCM-243To MLF
3-50BT

図2: 入射部ビ ーム モニタ 配置。
WCM

BPM324

FCT
IPM

FCT

3NBT
KickerExtraction section

3N dump (4kW)

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れ、ストリップされた電子を収集する。ビームがフォイルに当たっていれば、バンチ構造が観測される。H0ダンプライン上のCT (H0CT)は、粒子数をカウントする。周回上に設置した電流モニター(FCT)と異なり、低域時定数を延ばすためシャント抵抗を小さくした。これだけでは、感度が下がるので、放射線の低いサブトンネルにプリアンプを設置した。

こ のデータ を 使用し た 。
時間は、 掛かる が約25msec分の波形を そのま ま 保
存 す る モ ー ド も あ り (8MBytes/BPM) 、 そ の 後 のoffline解析用に使用し た 。 Turn-by-turnのビ ーム 位置測定にも 用いて いる 。
3.3 軌道フィードバック用BPM

Dispersion の 大 き な 場 所 の 内 ３ 箇 所 に 、 軌 道
フ ィ ード バッ ク 用のBPMを 置いた 。 Normal BPMと同じ 電極形状だが、 水平方向のみ2電極と し た 。 信リ ン グ の BPMは、 half cell毎に１ 台ずつ配置し 、号処理回路は、 理想ダ イ オード 検波のア ナロ グ 回路
全体で 、 54台あ る 。 入射部の ２ 台(BigBPM)は、 入に接続し た 。 フ ィ ード バッ ク 用には、 こ のう ち ２ 台
射軌道を 確保する た めに特別に大き な BPMを 製作しを 使用する 。 現状は、 フ ィ ード バッ ク は、 使っ て いた 。 BPMシ ス テ ム は、 検出器、 ケ ーブル、 信号処理回路から な る 。 位置精度は、 0.2mmを 目指し て いる 。 な いが、 synchrotron motionの観測に使用し て いる 。

３．BPMシステム

3.1 検出器

3.4 コミッショニングでのパフォーマンス

検出器は、 静電型で 、 線形性を 重視し 、 diagonalcut形状を 採用し た 。 限ら れた ス ペース のた め、 検出器は、 補正電磁石の中に置かれ、 かつコ ネク タ を斜めに取り 付け た た め電極も 45度回転し て いる 。 この 補正は 、 信号処理時に 行う 。 大き さ は、 内径で257, 297, 377の も の が あ る 。 信号は、 2mのPEEK
ケ ーブルで取り 出さ れ、 直ぐ 近く にあ る イ ン ピ ーダ
ン ス 変換ト ラ ン ス で、 50系に変換する 。
検出器の据付前の較正は、 ワ イ ヤー法によ り 実施
し た 。 ３ ポ ート のネ ッ ト ワ ーク ア ナラ イ ザーを 使い、１ ポ ート は ワ イ ヤ ーに 入力信号を 入れ、 残り の ２
ポ ート で２ 電極の出力を 測定し た 。 ワ イ ヤー位置は、20mm間隔で 断面を マ ッ ピ ン グ し た 。 ４ 電極の測定が必要な ので、 こ れを 各検出器２ 回繰り 返し た 。 位
置１ 点当た り 、 周波数範囲は、 150kHz~10MHz, 21点測定し た 。
据付は、 隣にセラ ミ ッ ク ス ダ ク ト があ る ので、 慎重を 期し た 。 本来は、 BPM中心と 四極電磁石の中心を 合わせる 必要があ る が、 BPMと 一体のベロ ーズ が硬いので、 原則2mm以内の差であ れば、 セラ ミ ッ クス ダ ク ト を 正と し た 。 こ の ズ レ は、 全数据付後、レ ーザート ラ ッ カ ーによ り 、 各四極電磁石に対し 測量を 実施し た 。 較正データ と こ の測量データ を 元に、位置計算用のパラ メ ータ ーを 決定し た 。

当初、ビーム電流がまだ低く、周回するまで、アンプをトンネル内に設置する準備もした。しかし、地上１階の信号処理回路内でのアンプでも遜色ないS/N比が確保されたので、実際には、使用しなった。
これは、全系でのノイズ対策によるところが大きい。
Linac の ビ ー ム 電 流 5mA で も 10 倍 ア ン プ 後 約 5mV（ADC値で40~50）で、ビームの存在確認には、十分であった。ビームスタディの要請で、リニアック
電流25mA、中間バンチ１つ(~1x1011ppb)の入射も実施している。この際も、入射時にADC値200くらい、電圧で20mV程である。これくらいのビーム強度でturn-by-turnのビーム位置分解能は、1~2mmである。
ビ ー ム 強 度 が 上 が れ ば （ 中 間 バ ン チ 22 、 Linac の
ビ ー ム 電 流 5mA で ） 0.2mm 程 に な る 。 入 射 部 のBigBPMでは、バンプ電磁石からのノイズがまだ大きく、ビーム入射直後の位置測定は、困難である。
次に、COD測定モードでの分解能について調べた。
水平方向は、Dispersionによる振動などビーム起因のバラつきや、個別に問題が残るBPMはあるが、垂直方向のデータから20~30 mくらいと推定している。
全般に、BPM系のノイズは、非常に良く低減されていたが、時々問題があった。それらは、回路入力の接触不良、トランスBOX内部の絶縁箇所が甘くなっていた等であった。RFからのノイズは、概ね問題ないが、運転パターンによっては、実際に電子が電極に突入して来ている可能性がある。また、意図せず、真空容器内面の段差ができてしまった箇所
でBPMの測定値が、異常値を示しており、その対応が今後の課題である。

3.2 信号処理回路
回路の心臓部は、 40MS/sの14bit ADCであ る 。 この入力範囲、 約±1.1V に入る よ う 増幅器、 減衰器を 配置し た 。 対向電極間に対応する channelの特性バ
ラ ン ス には、 非常に注意を 払っ た 。 ま た ノ イ ズ 低減のた めに、 回路入力直前の全信号ケ ーブルにコ モン
モード チョ ーク を 挿入し た 。
通常の COD測定の モ ード で は 、 各電極信号を 約
100 sec分、 4096点分のデータ を FFTし 、 ピ ーク 値を 比較する こ と によ り 位置を 計算する 。 1msec毎、計20回の測定が出来る よ う にな っ て いる 。 測定デー
タ は、 リ フ レ ク ト メ モリ に書かれ、 他の系から 読み出すこ と が可能であ る 。 １ 秒ご と に EPICS recordにも 変換さ れ、 コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ 時のstudyには、 専ら４．電流モニター
CT (Current Transformer)は、周波数帯域により５種類（DCCT,SCT,MCT,FCT,WCM）全部で10台作製した。FCTは、（H0ダンプラインのものを含み）4台、WCMは、３台、それ以外は、各１台。DCCTは、<10kHz程の帯域を持つ、ビーム電流の目安となるものであり、head及びエレクトロニクスは、Bergozより購入した。バックアップとしてほぼ同じ周波数[6]帯域を持つSCT を製作した。これらの電流出力は、-244-

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RF周波数で割り算し、粒子数に換算して表示する。 ７．BLM
MCTは、multi turn injection時のビームの積み上がBLMは、シンチレータタイプ(S-BLM)、比例計数りを観測するものであり、FCT,WCMは、RFの位相管タイプ(P-BLM)、電離箱タイプ(AIC-BLM)の３種
feedback、feedforward feedback、バンチ観測用に用類ある。S-BLMは、通常-600V、P-BLMは、-1550V
意した。DCCTを除き、トロイダルコアは、内径を印加、プリアンプインピーダンスは、50、ゲイ390mm,外径470mmのFINEMETに統一した。コア特ンは、100倍にしている。P-BLMは、MPS（Machine性に対する要求が厳しいWCM用について、特性のProtection System）の一部としても使われている。
良いものを選んだ。各CTの時定数は、コイル巻き
Dispersion部の ロ ス は 、 非常に 敏感で 、 リ ニ ア ッ数により調整した。Shunt impedanceは、各CTに適切ク
でビ ーム の蹴り 残し が分かっ た り 、 ビ ーム 強度がになるよう選択した。定格平均11Aでの運転が前提
上がる と 、 現在RF空胴が 、 10台（ 設計で は、 11台のため、低ビーム強度での、運転では、感度が低く必要）
し かな いた め、 ロ ス が増え る のが分かる 。
感じてしまう。
短期的なビーム試験用のデータ収集システムは、MCT, FCT, WCMについては、50系の伝送線路動いているが、電流モニター等も含め、長期的なを作り、周波数特性を測定した。WCMについてもデータアーカイブする仕組みが必要である。また、100MHzを超えるまで、よい周波数特性が得られた
個々のシステムの測定精度、長期安定性も調べて行が、400MHz付近に共鳴ができてしまった。
く必要がある。

５．IPM

８．まとめ

IPM (Ionization Profile Monitor)は、RCSの最初のJ-PARC RCSで使われた様々なビームモニターシアーク部に垂直用、水平用各１台が据付られている。
ステムの現状について報告した。システムは、当初将来は、Dispersionが無い所に、水平用一台増設予定である。Detectorには、80mm幅のMCP３枚を使い、 から、非常によ いパフ ォ ーマン ス を 示し 、 ビ ーム コ
ミ ッ シ ョ ニ ン グ の成功に貢献し た 。 ビ ーム パワ ーは、
中央は、32ch、両端は、8chの読出しが可能となっ4４ 分間だが 52kW相当の出力を 出し た 。 １ パルス のている。３枚のMCPの設定で、全体で10 のダイナ最高値で は、 ２ バン チで 1.1x1013 の記録を 出し た 。
ミックレンジが得られる。電荷収集電極は、最大
こ れは、 25Hzで運転さ れれば、 130kWに相当する 。
45kV、プリアンプは、入力impedance 1k、gain 100
シ ス テ ム は、 1MW相当で も 十分ダ イ ナミ ッ ク レ又は1000倍で使用している。電荷収集のモードは、ン
ジ を 見込み設計さ れて いる が、 今後は、 その検証電子、イオンともに可能である。現状は、主にイオが必要である。
ン収集モードで、110パルスの平均を20MS/sでサンプリングでしている。これで、turn-by-turnのプロファイルを計算している。
電子収集モードの時は、ビームの空間電荷による参考文献拡がりを抑制するための磁場必要になる。このため0.5T の直流磁石も用意している。CODを発生しな[1] Y. Yamazaki, eds, Accelerator Technical Design Repor for
いように、３ポールで打ち消しあい、主コイル、副High-Intensity Proton Accelerator Facility Project, J-PARC,
KEK-Report 2002-13; JAERI-Tech 2003-044.
コイルのバランス調整で、大きなCODを発生しない[2] 發知英明, 金正倫計 “J-PARC 3GeVシンクロトロンのことまでは、確認している。
現 状 ” Proceedings of the 5th Accelerator Meeting inJapan, Higashi-Hiroshima, Aug. 6-8, 2008

６．チューンメーター[3] N. Hayashi et al., “Development of the beam
チューンメータシステムは、ビームに振動を与え
diagnostics system for the J-PARC Rapid-Cycling
る 垂 直 、 水 平 の Exciter 各 １台と、 tune測定専用の
Synchrotron” Proc. of PAC2005, Knoxville, May
BPMから成る。Exciterへは、任意波形発生器を信号
2005, p. 299.
[4] S. Lee et al., “J-PARC RCSのビームモニターシステム”
源とし、最大1kW, 0.1~7MHzの高周波アンプを経てProceedings of the 3rd Accelerator Meeting in Japan,印加される。専用のBPMの電極は、水平、垂直方向
Sendai, Aug. 2-4, 2006に平行４分割されたものである。上下、又は、左右[5]S.
Hiroki et al., “Multi-wire Profile Monitor for J-PARCの差信号を選択し、リアルタイムスペクトルアナラ
3GeV RCS” Proc. of the EPAC08, Genoa, Jun. 23-28,
イザーに入力する。デジタイズされたデータを上位
2008, TUPC036, p1131.
計算機にコピーした後、再度FFT変換など処理を施
http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/e08/papers/tu
し、revolution周波数、sideband peakを検出し、時間
pc036.pdf
依存のtuneを計算する。
[6] S. Hiramatsu, KEK-77-21 (Japanese).
入射直後は、入射エラーのソースによりExciter無[7] K. Satou, et al., “Beam Profile Monitor of the J-PARC
しでも見られるが、加速中は、Exciterが必要になる。
3GeV Rapid Cycling Synchrotron” Proc. of the EPAC08,
Genoa, Jun. 23-28, 2008, TUPC036, 1275.
Momentum spreadが大きい場合など、ビーム条件に
http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/e08/papers/tu
よっては、加速全過程でのsideband信号の検出が困
pc093.pdf
難で、この改善が、今後の課題である。
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