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)

NOISE PROBLEM OF BEAM DIAGNOSTIC DEVICES
IN J-PARC MAIN RING
Masaki Tejima1,A), Dai ArakawaA), Takeshi ToyamaA) , Yoshinori HashimotoA) , Kenichiro SatoA) ,Masahiro ShibataA)B)
B)
Shuichiro Hatakeyama and Kotoku Hanamura
A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba Ibaraki, 305-0801, JapanB) Mitsubishi Electric System & Service Co.,LtdAbstract
The commissioning of the J-PARC Main Ring synchrotron (MR) has been started from this May, and many kinds ofbeam diagnostic devices have been useful to monitor the beam. We paid attention to prevent electrical noise from highpower devices such as magnet power supply, at the construction of our beam diagnostic devices in order to measure
beam parameter with a high accuracy. We investigated beam diagnostic devices about the influence of the noise before
the commissioning, as a result, we observed common mode noises that I cannot ignore, and we took various measures
to reduce these noises. We report about these investigation and the contents of the noise reduction.

１．はじめに加速器のビーム診断装置にとって、雑音対策はその性能を左右する重要な問題である。特に加速器は電磁石や高周波加速空洞などの大電力機器と結合しており、それらの機器からビームに同期して雑音が混入するため、ほとんどのビーム診断装置の測定装置は雑音に悩まされる。ビーム診断装置の信号処理回路にのる雑音は2つに分類でき、1つは信号検出器や電子回路自身から発生する内部雑音（熱雑音、ショット雑音）であり、2つ目は、外来雑音で、信号伝送における接地点（送信端、受信端）の電位差によるものと、スイッチング電源や機器の放電時に発生する電磁放射ノイズである[1]。
J-PARCは、図 1に示されるように、400MeVリニアック、3GeVシンクロトロン(RCS; Rapid CyclingSynchrotron) 、 50GeV シ ン ク ロ ト ロ ン （ MR; MainRing）の3基の加速器で構成されている。RCSのビーRCSからMRに取り出されたビームは、加速された後、遅い取出しで原子核素粒子実験施設へ供給し、また、早い取出しでニュートリノ生成にも使用される。こ
れらのJ-PARCのコ ン ポーネン ト を 動作さ せる 電源装
置は、 3箇所の電源棟やビ ーム 取り 出し の実験棟に設置さ れて おり 、 こ れら から 放出さ れる 外来雑音から ビ ーム 診断装置を 保護する ため、 ノ イ ズの進入を減ら し た り 、 進入し たノ イ ズによ る 誤作動を 減ら すイ ミ ュ ニティ (Immunity)対策について 報告する。

２．MRのビーム診断装置
J-PARC の MR に は 、 ビ ー ム 電 流 モ ニ タ （FCT）やビーム位置モニタ（BPM）とビームロスモニタなど[2]がトンネル内に設置された 。
これらのビーム診断装置のヘッドはトンネル内の電磁石の近くに設置され、ヘッドで検出された信号は
図 1の第1～第3電源棟の処理回路まで、数10ｍ～数100mのケーブルを用いて伝送される。これらの通線経路に沿って大電力機器（電磁石など）の通電用ケーブルも配線されているため、ケーブル両端の接地点の電位差によるコモンモードノイズや、伝送途中で大電力線からの電磁放射によるノイズが誘導される。こうして、ビーム診断装置の信号線に様々なノ イ ズ が 誘 導 さ れ る た め 、微小電力信号を扱う
JPARCのビーム診断装置の測定にとってノイズのImmunity対策は重要な問題である。

３．建設時に準備されたノイズ対策
図 1： J-PARCのレ イ ア ウ ト
ムは早い取出しで物質生命科学実験施設へ送られ、1

JPARCのビーム診断装置の建設において、KEK-PSやKEKBなどの経験を踏まえ、可能な限りのノイズ対策が行われた。

E-mail: tejima@post.kek.jp-313-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)

3.1 ビーム診断装置専用のアース用銅板
真空チェンバーに接続されたBPMヘッドは、電磁石と絶縁されているため、このままでは、自らアンテナになり外部ノイズに弱いので何らかの接地をする必要がある。ノイズ対策の基本は、ノイズ源及び[3]信号源の近くで接地することであるから 、BPMヘッドの場合も、トンネル内で接地することが必要である。JPARC MRではトンネル内の3箇所アークセクションの中央に設けられた接地点（A種）から図 2のように全周にアース用銅板を敷設し、モニタヘッド専用のアースとして使用された

図 4： 一括シールド の遮蔽効果
3.3 ノイズカットトランスの導入
ビ ーム 診断装置の信号処理のエレ ク ト ロ ニク ス は、3箇所の電源棟の中に仕切ら れた ロ ーカ ル制御室に設置さ れた 。 こ れら の電源棟には、 電磁石の電源や
ビ ーム 入出射機器の電源、 高周波加速装置の電源も設置さ れて いる た め、 電源棟におけ る AC100Vラ イ
ン はさ ま ざ ま なノ イ ズの伝播ルート になっ ている 。

図6： BPMの信号伝送経路

図 2： MRに設置さ れたア ース 用銅板
図 5： モニタ 用AC電源のノ イ ズ対策

3.2 四芯同軸ケーブルの採用
BPMの信号伝送のた めに、 KEKBのBPMでも 使用さ れた 四芯同軸一括シールド ケ ーブルが採用さ れた。
こ れ は 、 通常の 二重シ ールド 同軸ケ ーブ ル を 4本
縒っ て 束ねた 上、 一括し てシールド し ている ためノイ ズ 遮蔽性が 高いケ ーブ ルで あ る （ 図 3） 。 特にBPMの場合は4電極の信号の伝送バラ ン ス が安定して いる こ と が重要であ る ので、 こ のケ ーブルを 使用

そ こ で 、 ビ ーム 診断装置の信号処理回路のた めのAC100Vはノ イ ズ ・ カ ッ ト ・ ト ラ ン ス （ NCT） を 通し て給電する こ と にし た （ 図 5） 。
NCTのノ イ ズ 遮断効果について 、 電磁石通電時に試験を 実施し た と こ ろ 、 NCTの入力側で測定さ れた
コ モ ン モ ー ド （ Vpp=27.5V ） と ノ ー マ ル モ ー ド（ Vpp=9V） が出力側で はオシ ロ ス コ ープの測定限界以下ま で遮断さ れている こ と を 確認し た。 (図 6)

図 3： 4芯同軸ケ ーブルの断面

図 6： NCTのノ イ ズ遮断効果する こ と で、 温度の変化や外部ノ イ ズの影響を 軽減する 効果を 期待し ている 。 ま た、 一括シールド は接地する こ と で、 電磁放射ノ イ ズ対する 遮蔽効果を 強める こ と になる 。
実際、 J-PARC MRでは、 一括シールド を ア ース 銅板と 接続し て 、 ト ン ネ ル内でA種ア ース に接地し たと こ ろ 、 図 4に示すよ う に、 ノ イ ズ 遮蔽の効果があ っ た 。 BPM の 信 号 に あ っ た ノ ー マ ル モ ー ド（ Vpp=12V） を 1/6 程度ま で減少でき た。

3.4 モニタヘッドと電磁石との絶縁
特にBPMヘッドはステアリング電磁石の磁極の中に設置されるため、IGBT電源などのスイッチング電源から発生するノイズの影響が問題となる。この電磁石からのノイズ避けるために、BPMヘッドはセラミック溶射されたスペーサを間に挟んで、絶縁して四極電磁石に固定された。図 7に示すように、2組-314-

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)のダイアゴナル・カット電極を持つBPMヘッドはアース板に接地され、検出されたビーム信号を4本の同軸ケーブルで地上の電源棟の信号処理回路に伝送する。信号処理回路の入力側には絶縁トランスで信号を受け取るようになっており、コモンモードノイズを排除する。処理回路側のアースも、電源棟内のA種アース（モニタ専用）に接地され、電源棟内の大電力機器からのノイズの影響から防御する対策がとられている。

図 9の写真(左) のよ う な コ モン モード ・ チョ ーク コイ ルは、 全てのBPM信号に対し て 信号処理回路への信号入力部に使用し た。

図 9： BPM回路に実装さ れたコ モン モード ・ チョ ーク コ イ ルと Ｆ Ｃ Ｔ に使用さ れた静電結合器3.6 その他の対策

図 7： BPMの信号伝送経路
3.5 コモンモード・チョークコイル
上記4項目で 、 外部ノ イ ズ の軽減のた めの対策が行われた が、 J-PARCのよ う に 数百メ ート ルも の距離を 信号伝送する 場合は、 コ モン モード ノ イ ズの影響を 完全に排除する こ と は難し いため、 磁性体コ ア（ 実際はフ ァ イ ン メ ッ ト を 使用） に同軸ケ ーブルを巻き つけ た コ モン モード チョ ーク コ イ ルを 伝送経路の途中にコ モン モード フ ィ ルタ と し て挿入し た。 コモン モード フ ィ ルタ と は図 8に示すよ う に同軸ケ ーブルにコ モン モード 電流が流れる と 磁性体コ ア に同一方向の磁束が生じ 、 こ れが互いに強め合っ て高い
イ ン ピ ーダ ン ス を 持つよ う になる が、 ディ フ ァ レ ン
シ ャ ルな 電流（ 信号） が流れる 場合はコ ア の中の磁束は互いに逆方向に生じ て打ち消し あ う こ と になり 、
イ ン ピ ーダ ン ス が低く な る 特性を 利用し た フ ィ ル[1] [3]
タ ーであ る。

3-50BTのBPMでは、入射セプタム通電中に約2.0Vppのノイズ波形が観測された。このノイズに対しては、コモンモード・チョークコイルを試したが効果はほとんど無かったため、信号線を絶縁して、低域周波数の遮断効果を持つ RFトランス（HPF）を挿入した結果、セプタム電磁石由来のノイズ波形が11mVpp以下に減尐させることができた。
FCTでは、同軸ケーブルの外部導体とFCTヘッドのグラウンド（外部シールド）が絶縁されているため、外部からの電磁放射ノイズに弱くなっている。この電磁放射ノイズ対策として、図 9の写真(右)で示す
ようなコンデンサを8個平行に接続した工作物をFCTの出力コネクタに装着して、絶縁されていたグランドをせいでん高周波的に接続することで、外部ノイズに対する遮蔽効果を改善することができた。

4.

まとめ

今年の3月から5月のJPARCのコミショニング開始直前までの期間、ビーム診断装置のノイズ調査を集中的に実施された。ほとんどのモニタにおいて、数10mV～数Vのノイズ波形が観測されたため、10mＶ以下のノイズレベルをめざして、試行錯誤的にノイズ対策を行った結果、ＤＡＹ－Ｉのコミショニングに[4]必要な精度でビーム診断装置は働いた 。

参考文献

図 8： コ モン モード ・ チョ ーク コ イ ル[1] 平松成範, "Beam Instrumentation for Accelerators", KEK
Internal 2004-4.
[2] T.Toyama, et al."J-PARC MRのビーム診断",2007年加速器学会プロシーディングス[3] "実践的ノイズ対策技術のすべて",トランジスター技術”, SPECIAL No82.
[4] T.Toyama, et al.,“J-PARC MRコミッショニングにおけるビーム診断”, 本学会プロシーディングス-315-