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)

Multi-Wire Beam Profile Monitor for J-PARC 3-50 BT and MR
Yoshinori Hashimoto1,A), Suguru MutoA), Takeshi ToyamaA), Dai ArakawaA), Masahiko UotaA), Yoshio SaitoA),
Masashi ShirakataA), Youichiro HoriA), Yutaka YamanoiA), Daisuke OhsawaB), Teruhisa MorimotoC), Minoru MitaniD)A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba Ibaraki, 305-0801
B)
Kyoto University
Radioisotope Research Center, Kyoto University, 606-8501 KyotoC)
Morimoto Engineering
13-102 Iruma-River-Side, 603-1 Bushi, Iruma Shi, Saitama, 358-0053
D)
Minotos Engineering
1-16-28 Naka, Kunitachi, Tokyo, 186-0004
Abstract
For injection beam on main ring (MR) of Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), multi-wire typebeam profile monitors (MWPM) was made. MWPMs were located into the injection beam line of 3-50BT and injection
point of MR. Their targets were 32 or 64 channel array of gold coated tungsten (W) wire of which diameter was 30micron. Secondary electrons emitted from the target caused by proton beam hitting were measured on each wire. It isfeature that charges are transmitted with no amplifier about 400 meters maximum from the target to a signal processing
module located in local control room. Then, signals are amplified, integrated, and converted into digital of ten bits
depth by the module consists of 32 channels.
This paper will be described about manufacturing methods for the equipment mainly, and also first beammeasurements.

J-PARC 3-50 BTとMRのマルチワイヤービームプロファイルモニター
１．はじめにKEK-PSやNMLビームラインで実績のある30 μmφのタングステン(W)ワイヤーを用いた．

大強度陽子加速器であるJ-PARC MRのビームトランスポート（設計ビーム電流：4×1013 ppb）におい
２．MWPM装置の配置て，ビームプロフィルを計測するための簡便かつ確実な方法として，マルチワイヤータイプの2次電子インストールされたMWPMは計6台であり，全長230計測モニターを採用した．破壊型ではあるが，ビーmの3-50 BTラインでは，上流部のRCSからの入射ムが一回通過であり，またターゲットでのエネルビームのための2台(#1, #2)，コリメータ直後に#3,ギー損失が大きくないので運転中に常時使用できる． 下りのスロープを終え下流の水平部に#5，入射直前
大強度の場合，ビームロスによる真空中の発熱をに#9の計５台である．完成時には全9台となる予定考慮し，ターゲットの材質には金属もしくは無機質である．MRの入射地点では，3-50 BTからの入射の物質が使われる．2次電子の放出率は，は，材質ビームとMRを周回してきたビーム（1回に限る）をによって数倍程度の差異であるので[1, 2]，静温時と計測する#INJが1台である．配置概略を図1に示す．
発熱時とのヒートサイクルでの変形によるダメージ(MWPM- INJ)を受けないような物質を使う必要がある．耐熱性のMWPM(MWPM - #1 , #2)(MWPMMWPM #3)
観点からは，高い融点を持つことが望ましく，タンInjection
point
MWPMs
FCT
Separation wall
Vertical slope
FCT
グステン（融点：3387℃）などのワイヤーや，チタ(MWPM - #9)
B
VB
Collimeter
VB B
ン（融点：1675℃）などの数ミクロンの薄いフォイ
B
3-50BT
Pulse
bendingmagnet
FCTs(PPS)
ルが使われる．ロスを少なくする観点からは，原子FCT(MWPM - #5)
番号の小さな物質が良い．また，金属薄膜などをリボン化することで，出射される2次電子の量がワイ
図1:3-50 BT及びMR入射点のMWPM配置概略図．
ヤー型に比べて大きく取れる．このためビーム周辺の密度の低い領域までの計測が可能となる．使用す３．MWPM装置
るワイヤーやリボンは，エミッションが均一である必要がある．J-PARC MRでは，カーボンリボンを候補にして，開発を進めているが，今回のビームコ
3.1 真空容器と駆動機構
ミッショニング(DAY-1)には，250 mm 四方以上の3-50 BTの標準的なMWPM装置図を図2に示す.ビー
大きなサイズの製作が間に合わなかったため，-310-

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ムパイプ内径は200 mmφであり，ストロークは250mmである．3-50-#1とINJが例外で，3-50-#1では，ターゲットチェンバーのビームパイプ内径が230 mmφで，ストロークが300 mmである．INJは，ストロークが430 mm である．
駆動には直線導入機を用いており，これは将来に1 μm程度の薄いターゲットを取り付けるために，移動時の衝撃などを極力避けたいことと,動作中に真空内のケーブルが動かないようにするためである．

3.2 リボンピッチ
リボンピッチは，各MWPMの位置でのビームサイズから決定した．チャンネル数は，処理回路に合わせて32ch を基本とし，広範囲なプロファイルが必要な場所で, 2倍の64ch とした．表1に，各MWPMのch数，ピッチ，予想されるビームサイズをまとめる．
3.3 ターゲットフレーム
3-50 BT用の標準的なターゲットの写真を図3に示す．セラミック基板サイズ(H×V)は，外300×280，内200×200 mm2 であり，H用ワイヤー．電子収集膜(Ti-foil:1.2 μm)，V用ワイヤーの3枚が，額縁型のアルミフレーム（写真一番奥）の上に，10 mm 間隔で構成されている．
タ ー ゲ ッ ト フ レ ー ム は ， セ ラ ミ ッ ク ス (Al2O3:
99.6%)， 厚 み 3 mm であり，焼結後の平坦度は，0.1mm である．ワイヤー用ターゲットのフレーム表面の電極とリード線のパターンの焼成材質は，AgPtとAu である．AgPtをメインの配線部に使用しているのは，ワイヤー電極部の半田付けでの熱負荷がかかる場合でも，セラミックスに対する付着強度が高いためである．ケーブル接続部では，Auを使用している．金メッキした燐青銅のコンタクトピンのセラミックスコネクタで，圧接するためである．

図2: 標準型の3-50BTのMWPM装置
ステージベッドの上に，計測チェンバーと直線導入機が載る構造である．直線導入機は，スライドレールに載っており，メンテナンス時には，計測チェンバーと成型ベローズ間のクイッククランプを外し，200 mm 程度着脱位置まで引き出し，吊り上げて外す．取付時は逆であり，脱着の再現性が高く，微調整は不要である．伸縮部には耐久使用回数10万回の溶接ベローズが使用されており，レイデント皮膜（防錆）を施したLMガイド上をターゲットを連結したシャフトは直線動作する．ボールネジのベアリン
グ類には，耐放射線を考慮し，モレスコグリースを使用した．動力には，KEKで実績のあるサーボレスACモータを用い，速度は，約1 mm/s である．
図3：3-50BT用MWPMの標準的なターゲット基板．
表1．各MWPMとターゲットパラメータ
MWPM Name
3-50 BT #1
3-50 BT #2
3-50 BT #3
3-50 BT #5
3-50 BT #9
INJDir.
H
V
H
VH
VH
VH
V
H
V

Ch.
32643232
32
32
3232
32
3264
32

Pitch [mm]
4.0
3.5
3.5
4.5
2.5
3.5
4.0
2.5
4.0
2.5
4.5
5.5

Beam Size [mm]40～12080～18050～101
67～13335～43
71～87
73～11550～8190～12636～7360100

今回のような比較的大きな300 mm程度四方のフレーム型セラミックス基板に，AgPt とAu のパターンを焼成するには，いくつかの技術が必要である．
厚膜印刷したAgPtでは，850℃の温度にて，酸素リッチな雰囲気中での焼成(約10分)が必要であるが，昇降温時には急激な温度変化を避けなければならな
い．残留応力のためコーナー近辺にクラックが発生するためである．約1 m3 程度の内容積をもつ電気炉を用いて5L/min 程度の酸素ガスを供給しながら，約30時間をかけて昇降温させて製作した．また，AuとAgPt の接合部では， Auの異常拡散により接合部が収縮し，パターンが破断する問題が生じていたが，Auを印刷，乾燥させた後，AgPtを印刷し，一度に-311-

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AgPtの焼成温度850℃で焼成することができた．

使用されていた10bit-32ch のADCを搭載したCAMACMWPMモジュールを転用した．入力部は2段のアンプ
3.4 タングステンワイヤー（400倍，入力抵抗1kΩ）と積分器(時定数33μs)で30μmφのAuコートのタングステン(W)ワイヤーは， 構成されたハイブリッドICである．積分処理後に，マルチプレクサを通して，ターゲットワイヤーの一直径のばらつきが±4%，Auコート厚みが0.3μm であ番端に張ってあるBG計測用のワイヤー(33ch目)からる．ビーム照射を行うとAu部は飛んでしまい，W だの信号との差を取った後に，AD変換される．信号けの状態となる．Auは，接合部での異種金属との半ケーブルの電気容量は数10nFに上るため，電荷信号田等の接合をなじませる役割をもつ．予めHIMACのがケーブルから放電される時定数は，100 μsのオービームによる使用したワイヤーのエミッションのばダーを持つ．このため積分ゲート時間は，500μs 程らつきを測定したが，2 %以下と良好な値を得た．
度としている．
フレーム上のAgPt電極との接合には，真空中での使ノイズ対策は十分にはできていないが，特に入射用を考慮し，InSn合金をフラックスなしで超音波半時刻のパルス機器からの影響が大きい．処理回路の田付けとした．ワイヤーへの張力は，50g とした．
ACラインをノイズカットトランスで完全に絶縁し，3.5 真空内の信号ケーブル，コネクタ信号ケーブルのアルミコルゲートを装置側と処理回路側の両端で接地することでかなり影響を受けにくターゲットフレーム上のパターンは，セラミックくできることがわかってきた．ケーブル外側の電磁スコネクタでケーブルに接続される．ターゲットを鋼帯は，処理回路側での接地が効果があり，現在は含めてチェンバーとは絶縁を取っている．信号は，A種の接地点に接続している．
断面積0.22 mm2 のセラミック(40%)・シリコンヤーン(60%)の被覆をもったツイストペアケーブル約
５．ビームプロファイル
1.1m と，複数のバーンディータイプ22極のセラ
ミックフィードスルーを通して大気側に導かれる．
5月と6月に行われたMRのはじめてのビームコミッ
このケーブルのガス放出率は1 m 長さあたりで，排ショニングにおいて，3-50BT MWPM-#1で計測された気開始から100時間後に4×10-8 [Pa.m3/s] であり，水平方向のビームプロファイルを図5に示す．ビー
実際の使用時には，各MWPMチャンバー近傍で圧力は
ム強度は，4×1011 ppb であり，設計値の約1/100で-610 Pa のオーダーであった．内径58 mmのシャフトあった．またビームエミッタンスは，20πmm.mrad
内のケーブル占有率は，凡そ1/3(H,V共に32ch)また程度でり，設計の81πmm.mrad よりもかなり小さは1/2(H, Vいずれか64CH)程度である．
かった．計測は，MWPMモジュールのアナログ出力をスコープ上で10回の平均を取ったものであり，全幅約20 mmであった．
４．信号ケーブル，処理回路信号用の34chの多芯同軸ケーブルは，今回のためにフジクラが製作した1.5D-QEBZ×34C EM-MCX-TAZE（外径37mmφ）である．微弱な電荷(DAY-1では，pCオーダーもしくはそれ以下)を計測するために遮蔽を強化してあり，電磁遮蔽に0.6 mmtの電磁鋼帯を2枚，その内側に静電遮蔽に0.7 mmt のアルミニウムコルゲートを用いた．1.5Dの各同軸信号線には縦添えのアルミナイズドテープを巻き，100kHzまでの範囲で漏話特性は-60dBである．使用長さ最長約400 mで処理回路と装置を結ぶ．MRトンネル内には，前置処理回路を置く場所は設けていないためである．

32 CH / 128 mm
20(4 mm pitch)

CENTERRight

AVG 10

Data:080619_mwpm_01

図5：3-50BT-#1-Hの最初のビームプロファイル．

６．今後の課題
カーボンリボンターゲットへの置き換えと，ノイズ対策が今後の課題である．
参考文献
図4：CAMAC-MWPMモジュール．
信号処理回路(図4)には，KEK-NMLビームラインで[1] S. A. Blankenburg, et. al, NIM, 39(1966)303.
[2] M. Plum, Beam Instrumentation Workshop, May3-6 2004,
Knoxville, TN.

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