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

J-PARC リニアック用バンチ・シェイプ・モニタの開発
BUNCH SHAPE MONITOR FOR J-PARC LINAC
三浦昭彦#, A), Alexander V. FeschenkoB), Alexander N. MirzojanB), 宮尾智章 C),
大内伸夫 A), 小栗英知 A), 長谷川和男 A), 池上雅紀 C)#, A)
Akihiko Miura , Alexander V. FeschenkoB), Alexander N. MirzojanB), Tomoaki MiyaoC),
Nobuo OuchiA), Hidetomo OguriA), Kazuo HasegawaA), Masanori IkegamiC)
A)
J-PARC Center, Japan Atomic Energy Agency,B)Institute for Nuclear Research, Russia Academy of Science,C)
J-PARC Center, High Energy Accelerator Research Organization,

Abstract
In J-PARC Linac, a project for energy and intensity upgrade has been progressed since 2009 using Annular-ring
Coupled Structure (ACS) cavities. Because the longitudinal matching of the injection beam to the ACS cavities isrequired as well as the transverse matching, we decided to employ the bunch shape monitors (BSM's) to measure thelongitudinal beam profile. We developed three BSM's in collaboration with INR (Institute for Nuclear Research:Russia) for the upstream part of the ACS section. We introduce the structure of BSM and mention the measured results
taken during the commissioning of BSM.
り製作を開始した。23 年度にすべての製作を終了し、
1. はじめに
24 年度夏期のシャットダウン中に、ビームラインへ
現在の J-PARC リニアックでは、イオン源で生成 の据え付けを終了し、運用を開始した。24 年度夏期された負水素イオンを、50keV まで加速し、これを シャットダウン後のビームコミッショニングでは、RFQ(Radio Frequency Quadrupole)加速空洞に入射し 通常の加速器のチューニングに加えて、BSM の性能て、3MeV まで加速する。その後、DTL(Drift Tube 評価や現在の 181MeV 運転における縦方向ビームプ
Linac)、SDTL(機能分離型 DTL)に順次入射して、 ロファイルに関する基礎データの取得などを実施し[2]181MeV まで加速し、2 台のデバンチャ空洞を用い た 。
本稿では、開発した BSM の構造を紹介するととてビームの運動量拡がりを低減させて、下流側に接もに、モニタの性能評価のために実施した測定結果
続されている 3GeV シンクロトロンに入射しているの一部を紹介する。
[1](Figure 1 参照)。
J-PARC リニアックでは、現在の 181MeV から400MeV までエネルギーをアップグレードする計画が進められており、この計画では、デバンチャに用いている空洞を現在の SDTL 下流に接続し、その後21 台の ACS(Annular-ring Coupled Structure)加速空洞を用いて、400MeV まで加速することにしている。
この ACS 加速空洞の加速に用いる RF 周波数は972MHz であり、これは、現在使用している加速空洞の周波数 324MHz の 3 倍である。したがって、
ACS 加速空洞にビームを入射する際には、ビームバンチの縦方向の力が変化することから、縦方向のマッチングが重要となる。このため、ビームバンチの縦方向の情報を得るために、バンチ・シェイプ・モニタ(BSM: Bunch Shape Monitor)をロシア原子力研究所(INR: Institute for Nuclear Research: Russia)と共同で開発を開始した。
BSM の設計は平成 21 年度より開始し、22 年度よFigure 1: Layout of J-PARC linac.

2.

バンチ・シェイプ・モニタの測定原理と構造

2.1

バンチ・シェイプ・モニタの測定原理

BSM の測定原理を Figure 2 に示す。負水素ビームのパルスは、図の上方よりビーム通過位置に挿入されたタングステンワイヤ(1: target)に衝突する。ワイヤには、負の高圧ポテンシャルが与えられており(10 kV)、ビームがワイヤに衝突して発生した二次電子を等方位に加速する。加速された電子の一部はコリメータ(2: input collimator)を通過し、RF ディフレ
クタ電極(3: RF deflector)間に到着する。RF ディフレ
クタ電極には、静電レンズ電圧(Ufoc)がかけられており 、 二 次 電 子 は 、 2 つ 目 の コ リ メ ー タ (4: outputcollimator)上に収束する。ここで、output コリメータ上のコリメータに鉛直な軸を z 軸と仮定し、静電レンズで収束された二次電子の位置を z0 とする。RFディフレクタ電極に、RF 加速周波数(324MHz)に同期した高周波電圧(Ud/2×sin(ωt+φ))を加えると、二次電子はビーム位相(φ )に依存した電圧によってスキャンされ、output コリメータ上で、z=z0+zmaxsinφに変位する。したがって、ビームの位相方向の強度分布 I(φ)は、二次電子の空間分布 I(z)に変換される。

___________________________________________# amiura@post.j-parc.jp- 705 -

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

リットの中心軸からずれる場合、等電位面に鉛直な方向に力を受けるため、中心軸に向かう方向に力を受ける。また、開口部を出ていく二次電子は開口近傍で加速される。スリットの中心軸からずれた軌道にある電子は、Input コリメータ部と同様に、中心軸に向かう方向に力を受けるため、Outputコリメータに向かって収束する力を受ける構造になっている[4]。
3.2 バンチ・シェイプ・モニタの主な構造
BSM はボディ、RF ディフレクタ、ステアリングマグネット、アクチュエータ、検出器などで構成されている(Figure 4 参照)。BSM のボディは二つの四極マグネット間のビーム軸方向の約 90mm の空間に据え付けられる設計となっており、RF ディフ
レクタ、ターゲットが固定してあるアクチュエー
タ、Output コリメータ、検出器等はビーム軸と鉛直の方向に取り付けられている。
Figure 2: Principal of BSM (1: target, 2: input collimator,
3: RF deflector combined with electrostatic lens, 4:
output collimator, 5: bending magnet, 6: collimator, 7:Secondary Electron Multiplier, 8: steering magnet)[3].
つまり、位相をスキャンすることによって、output
コリメータを通過する二次電子に強度分布が発生することになる。
また、負水素イオンの 1 つの電子は容易に電離し、この電子は、BSM での計測において雑音の要因になりうる。負水素イオンから電離して発生した電子と、output コリメータを通過した二次電子とは、コリメータまでの間で加速されるエネルギーが異なるため、偏向電磁石(5: bending magnet)と最後のコリメー Figure 4: Overview of bunch shape monitor. Beam travels
タ(6: collimator)の幅を調節することによって、二次 from front side to rear side.
電 子 の み を 弁 別 し 、 二 次 電 子 を 電 子 増 倍 管 (7:3.3 RF ディフレクタの構造
Secondary Electron Multiplier)にて信号として取り出[3]
RF ディフレクタの概要を Figure 5 に示す。ディフすしくみになっている 。
レクタは、(1)ディフレクタ空洞内に配置した電極、Figure 3 に RF ディフレクタ間の電界分布の解析結果を示す。電極には負の静電レンズ電圧がかけられ (2)共鳴周波数を得るために電極長さを調節するねじ、ている。ここでは、内部の電界分布の状態を理解す (3)RF 信号を検出するための可変容量カプラ、(4)静るため、通常印加されている電圧(-8.3 kV)より大き 電レンズ電圧を与えるためのフィードスルーによりい電圧(-10.0 kV)を与えた。図の左端の丸印(水色)に、 構成する。RF ディフレクタ電極はλ/2(=463 mm)のターゲットに衝突して発生し、ターゲットに印加し 長さで平行に設置されている。
た電圧によって加速された二次電子を示した。この 3.4 アクチュエータ、Output コリメータ、検出器電子が電極間に入った時、徐々に電圧の低い方に向かって減速される。Input コリメータに入る電子がス

Figure 3: Static electrical potential around RF deflector.

Figure 5: Schematic diagram of RF deflector (1:electrode, 2: adjuster screw, 3: coupler, 4: HV feedthrough).

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

アクチュエ ータには、汎用 の VG Scienta 社 製 この際、電子増倍管のバイアス電圧の調整も同時にZLTM50ME を使用した。このアクチュエータは、 実施した。
ステッピングモータで駆動され、1 ステップで4.2 測定結果の初期検討0.50µm の駆動精度を有している。横方向のビームサ
ビームダイナミクスシミュレーションにおける縦イズは 1.0～2.0mm (RMS)なので、ビーム中心へターゲットを挿入する際の移動精度は十分であるといえ 方向ビームサイズの計算結果と、実際の測定結果により測定結果の妥当性について評価を行った。ここる。
ビームを使わない静電レンズ電圧の調整及びステ では、BSM の上流側で最も近い加速空洞(SDTL15,アリングマグネットによる光軸の初期的な調整では、 S15)に投入する RF の振幅を変化させ、ビームの収ターゲットワイヤに-10 kV で 0.9 A の電流を印加し、 束力に対する各 BSM 位置における縦方向ビームサターゲットから出た熱電子を用いる。Output コリ イズについて比較することとした。シミュレーショ
メータの周囲には蛍光塗料が塗布してあり、コリ ンには 3D-PIC を用い、3 台の BSM の位置におけるメータから外れた熱電子は、このコリメータ周囲の ビームサイズを S15 の振幅をパラメータとして算出蛍光塗料塗布部に衝突し、蛍光を発する。この光は、 した。測定結果と合わせて Figure 7 に示す。BSM#1
反射鏡を介して直接観察することができる仕組みに が ACS01 の上流側に設置されたモニタであり、#2、#3 は各々その下流に位置している(Figure 6)。これになっている。
ターゲットに負水素ビームを衝突させて生成した よると、各振幅における位相の拡がりは、上流から二次電子は、ディフレクタによって振り分けられ、 下流に向かって拡がっており、シミュレーションで[5]コリメータを通過し、ベンドマグネットで雑音とな 求めた傾向に一致している 。このことから、BSMる電子を取り除いて検出器に到達する。この電子の の測定結果は妥当であると判断できる。しかし、振検出には、浜松フォトニクス社製電子増倍管 R596 幅が大きくなるに従って、BSM#3 の測定結果が解析を用いた。この電子増倍管はバイアス電圧 1.0kV 付 結果と離れていく結果については、さらなる調査が近から 2.5kV 付近にかけて高いリニアリティーを 必要である。
持っている。計測に使用する際、実際のビームから得られる信号の最大値が数 V 以下となるようにバイアス電圧を調整した。
3.5BSM の設置

BSM は ACS セ ク シ ョ ン に 入 射 す る ビ ー ム のチューニングに使用するため、ACS セクション入射直後の ACS01～03 空洞の前の四極マグネット間に設置した(Figure 6)。

Figure 6: Bunch shape monitor (BSM) layout in thefrontend of ACS section. Dotted circles are BSM's,
QM's are quadrupole magnets.

4

Figure 7: Measured longitudinal RMS beam width withchanging focusing strength of last SDTL cavity (S15) andcorresponding simulation results [2, 5].

BSM 性能評価のためのビームコミッショニング

4.3 測定した縦方向のビーム形状について

BSM#1 におけるビームエネルギー181MeV、マクロパルス幅 100μs、繰り返し 1Hz における測定結果の例を Figure 8 に示す。右上部がビームの先頭であ4.1 BSM 測定用パラメータの取得
り、はじめの 20μs までの部分にビームの歪みが見はじめに、BSM に設定する各構成機器のパラメータを決定した。ターゲットはビーム強度の最も強い られる。これは、加速空洞の RF のフィードフォー位置にするのが理想である。このため、ターゲット ワードのタイミングが遅れたことにより、位相・振をビーム内に挿入し、ターゲットで散乱されて発生 幅が歪んだためと考えられる。また、ビームが存在したビームロスを、その下流のロスモニタで観測し、 する 100μs の裾部に信号が現れている。これは、ロスモニタの信号が最も大きくなる部位をビームの 時間的には、バンチとバンチの間に相当し、ビーム中心と考えた。また、ステアリングマグネットの電 の照射によって加熱されたターゲットから放出され流値は、ソフトウェア上で連続的に変化させ、電子 た熱電子や上流から飛来する電子が直接電子増倍管増倍管で検出できる信号のピークを走査して求めた。 に入射したためと考えられる。

- 707 -

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

Figure 8: Data acquired by BSM#1. These will be used
for the beam dynamics study and design for the energy
upgraded Linac.
また、現在得られた縦方向のビーム形状からビームサイズを算出する方法の検討を進めている。ビー
ムの先頭部の歪みの除去や、裾に現れるノイズの除去方法について、種々の解析を進めている。

5 まとめ
J-PARC リニアックでは、400MeV までのエネルギアップグレード関し、縦方向のビームマッチングを行うためのバンチ・シェイプ・モニタをロシア原子力研究所と共同で開発した。本稿では、その測定原理と構造について紹介するとともに、BSM 用に実施したコミッショニングの結果を示した。BSM の測定結果は、ビームダイナミクスシミュレーションと比較し、妥当な測定結果を得ることができたと考えられる。しかしながら、ビームダイナミクス解析とのずれに関する検討、測定結果から縦方向のビームサイズを解析する方法についての課題を残している。
また、測定の間、設置位置近傍の真空の圧力値が上昇することが判明した。これは、RF ディフレクタ
電圧に合わせて約-8.5 kV の静電レンズ電圧が印加されており、内部で放電が発生しているためと考えている。このようなガスの放出に対応する検討も進めている。

参考文献[1] Y. Yamazaki, ed., J-PARC Design Report (JAERI-Tech
2003-2004, KEK Report 2002-13).
[2] A. Miura, et. al., "Bunch Length Measurement of 181 MeV
Beam in J-PARC Linac", Proc. of IPAC2013, MOPME027,May 2013, Shanghai, China[3] A. V. Feschenko, “Technique and Instrumentation for Bunch
Shape Measurements”, Proc. of RuPAC2012, SaintPetersburg, Russia, FRXOR01, September, 2012[4] J. Tamuta, et al., "Numerical Study on the Effect ofMagnetic Shield of a Bunch Shape Monitor in J-PARC
Linac", Proc. of IPAC2013, THPWO035, May 2013,Shanghai, China[5] M. Ikegami, et al., “Recent Progress in BeamCommissioning of J-PARC Linac”, Proc. of IPAC2013,THPWO030, May 2013, Shanghai, China- 708 -