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)

Development of OTR beam profile monitor for J-PARC hadron beamline(3)Akihisa Toyoda1,A), Keizo AgariA), Masami IioB) Masaharu IeiriA), Yohji KatoA), Akio KiyomichiA), Yoshinori SatoA),
Shinya SawadaA), Yoshihisa ShirakabeA), Yoshihiro SuzukiA), Minoru TakasakiA), Hitoshi TakahashiA), KazuhiroTanakaA), Megumi NarukiA), Hiroyuki NoumiC), Erina HiroseA), Toshiyuki MitsuhashiA), Michifumi MinakawaA),
Ryotaro MutoA), Yutaka YamanoiA), Hiroaki WatanabeA),A)
KEK
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
RIKEN
2-1 Hirosawa, Wako, Saitama, 351-0198
C)
RCNP
10-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, 567-0047
Abstract
J-PARC hadron beamline under construction at Tokai site will provide high-intensity (750 kW) slow extraction
proton beam, which enables to perform various particle and nuclear physics experiments especially requiring highstatistics. We are currently in the progress of developing the OTR beam profile monitor to measure a beam profile atsuch high intensity beamline. At the previous report, we developed an OTR monitor with optical fiber system, andfound that the background contaminating OTR signal comes from the Cerenkov radiation from lenses around the beamline. To overcome the OTR background and radiation damage to camera system simultaneously, we design and develop
a new optical system based on the Newtonian telescope, and check whether the system satisfies requirements such as
low background, high radiation tolerance, large solid angle, and so on.

J-PARCハドロンビームライン用OTRビームプロファイルモニタの開発(3)１．はじめに[1]

よって我々はOTRモニタをプロファイルモニタとして利用するために開発を進めてきた。

現在茨城県東海村に建設中のJ-PARC ハドロン
ビームライン施設では、大強度陽子ビーム(750 kW,２．前回までの結果50 GeV 15 μA)を利用した様々な原子核素粒子実験
まず、OTR光の特性を理解するために、プロトタがおこなわれる予定である。陽子ビームは1スピル
イプOTRモニタを製作し、KEK-PS (12 GeV, 2 x 1012
3.4秒周期で繰り返し加速され、約1秒間かけてゆっprotons / spill, 4秒周期)においてビームテストくりと取り出される(遅い取り出し)。取り出されたを行った[2]。図１に典型的なイメージを示す。このビームはT1標的(30 %ビームロス)に導かれ、残りのテスト実験において、我々はリファレンスモニタとビームはビームダンプによって安全に処理される。
し て 用 意 し た SPIC(Segmented Parallel Plate
このような大強度ビームを安定して供給するためには、ビームプロファイルの正確な測定が不可欠である。その際に問題になる点が大きく分けて二つある。一つが測定におけるビームロスの問題で、もう一つが機器の放射化および熱ダメージの問題である。
これらの問題を解決するモニタの一つにOTR(Optical Transition Radiation)モニタがある。
OTRが大強度プロファイル測定に向いている理由としては、以下の二点があげられる。
1. シグナル強度が標的の反射率のみに依存する。
これにより標的を限りなく薄くすることができ、ビームロスおよび熱放射線の影響を最低限に抑えられる。
2. 指向性があり(50 GeVで2.1度)、S/Nを稼ぐことができる。
図１：KEK-PSで観測されたOTR光
1E-mail: akihisa.toyoda@j-parc.jp-304-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)

Chamber)[3]と矛盾しないプロファイルを観測するこ
まず、条件5から許容錯乱半径とビームライントンとに成功した。しかし図に示すようにシグナルの周ネルの幅(8 m)、および放射線レベルを考慮して、辺に星状のバックグラウンドが点在し、プロファイ作動距離を5 mと決定した。次に、条件3を考慮に入ル観測が妨げられる現象が見られた。また他の問題れて、主鏡の大きさを350 mmφとした。さらに条件点としては、レンズやIIT(Image Intensifier)、カ4を満たすために、主鏡の焦点距離を許容収差の範メラが放射線によって短期間にダメージを受け使用囲内で可能な限り短く(1000 mm)設定した。この明不能になると予想されることがあげられる。
るい主鏡のため、集光系には放射線に弱い複合レン以上の二つの問題を解決する目的でファイバーをズを用いる必要がなくなり、シンプルな平凸レンズ用いた光学システムを開発し、ビームテストを行っ[4]4枚の組み合わせで十分な倍率を出すことができた。
た 。この光学ではカメラの位置をビームラインかIIT面に集光した後に生じる蛍光は平凸レンズ2枚とら遠ざけられることができる。これによりIITやカメラ部のビームロスが激減していることが確認され、 アクロマートダブレットレンズ2枚をリレーレンズに組んでチューブカメラに導入している。
機器の寿命の問題は解決された。しかしバックグラ
ウンドに関してはカメラ位置のビームロスに比べて以上の光学計算に基づいて製作したOTR光学を図3減少率が小さいということが判明した。そこで対物に示す。
レンズ位置を変えたバックグランド量の評価を行った結果、バックグラウンドの起源はおそらく対物レンズ自身、もしくは光学窓で発生したチェレンコフ光であると推定された。

３．光学システム
3.1 新規光学の設計
上記の光学で解決できなかったバックグラウンドの問題を解決するために新規光学を光学計算ソフト
ZEMAX 2 を利用して設計した。光学の条件を挙げると以下のようになる。
図３：OTR光学システム
1. レンズやIIT、カメラといった放射線に弱い機器をビームラインから遠ざけること。
3.2 光学調整および性能試験結果
2. チェレンコフバックグラウンドを低減するため続いてレーザーを用いて光学調整を行った。光学に、ビームライン近傍からレンズ類を極力排すベースの高さおよび位置調整の後に、主鏡の調整をること。
行い、その後にレンズ、IIT、カメラの位置を調整
3. OTR光は50 GeVで2.1度の広がりを持つ。よって、 した。その後にOTRスクリーンと同じサイズであるこの広がりを十分カバーするだけの立体角を持
141 mm x 100 mmのテスト標的を45度傾けて設置しつこと。
た。このテスト標的には分解能の評価のために格子
4. 100 mm x 100 mmの大きさのスクリーン全面を状に1 mm幅もしくは3 mm幅の線を入れた。
観測できる倍率を持つこと。
5. ビームプロファイルを1 mmの分解能で観測できること。
これらの条件を満たしつつコストが抑えられる光学としてニュートン型望遠鏡を利用した光学が候補

図２：ニュートン型光学の概略図に挙げられた。図２にその概略図を示す。

図４：IIT面でのテスト標的のイメージ
図4はIIT面にカメラを置いて観測したテスト標的

2

http://www.zemax.com/-305-

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)(3 mm幅線)の像である。若干の歪曲が認められるが、これは後の画像処理で対処可能である。また、上端、下端近辺が若干分解能が劣化しているのは、スクリーンが斜めであることにより許容錯乱半径が大きくなっているためである。
続いてIIT蛍光面にIIT面のテスト標的像と同じ大きさの標的を設置してカメラ面での像を確認したのが図5である。

図７：X射影したヒストグラム
図５：IIT像をカメラで観測したイメージ

４．結論

分解能、各種収差ともに問題がないことがわかる。 前回のファイバー光学で判明したバックグラウン
最後にIITを稼働してテスト標的像(1 mm幅線)をドの問題を解決するために、ニュートン型望遠鏡をカメラで観測したのが図6である。
基にした光学を新規に設計開発した。これは非常に放射線が強く、バックグラウンドの多い環境でも利用できる光学として有用である。この光学とOTRチェンバーを組み合わせることにより、J-PARCハドロンビームラインの取り出し部近辺のプロファイル測定が可能となった。

５．謝辞
本研究の一部は、文部科学省科学研究費基盤研究（ A ） (15204024 、 17204019) 、 若 手 研 究 （ B ）(17740169、20740155)を受けてなされた。

図６：テスト標的像

参考文献[1] http://www.j-parc.jp/
主光学部の歪曲の影響がでていることが分かる。
[2] A. Toyoda et al, “Development of OTR beam profile
またこの図からも分かるように十分な倍率が出ていmonitor for J-PARC hadron beamline”, 第2回日本加速器る、つまり条件4を満たすことが分かる。
学会年会プロシーディングス, pp. 763-765
続いてこの図を一部切り出してX射影およびY射影[3] K.H. Tanaka et al, “Improvement in the profile andしたヒストグラムを解析することで分解能を評価しemittance measurement system of the KEK-PS external
た。図7に典型的なフィットの様子を示す。この評
beamline”, KEK preprint 91-27
価を中央近辺および周辺部においてそれぞれ評価し[4] A. Toyoda et al, “Development of OTR beam profile
平均化を行った結果、X方向の分解能は平均1.03 mm、
monitor for J-PARC hadron beamline(2)”, 第3回日本
Y方向の分解能は平均1.13 mmとなった。分解能劣化
加速器学会年会プロシーディングス, pp. 478-480の最も主要な原因はIITの分解能である。これにより条件5を満たすことが確認できた。
最後に周辺減光の評価を行った。これは、図6を標的のイメージ分布で規格化することによって評価した。その結果、周辺減光は5 %未満であることが確認され、プロファイル測定に問題がないことが確認された。
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