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

J-PARC 3-50 BT の OTR ビームプロファイルモニター装置の製作
FABRICATION SUMMARY ON THE EQUIPMENT OF AN OTR BEAM PROFILEMONITOR FOR THE J-PARC 3-50BT
手島昌己 A), 秋野英之 C), 橋本義徳 A), 堀洋一郎 A), 三橋利行 B), 大森雄基 C), 大津 聡#, C), 佐藤吉博 A),
嶋本真幸 A), 外山 毅 A), 鶴田秀範 C), 魚田雅彦 A)A)
Masaki Tejima , Hideyuki Akino C), Yoshinori Hashimoto A), Yoichiro Hori A), Toshiyuki Mitsuhashi B),
Yuki Omori C), Satoru Otsu#, C), Yoshihiro Sato A), Masayuki Shimamoto A), Takeshi Toyama A),
Hidenori Tsuruta C), Masahiko Uota A)A) KEK/J-PARC: 2-4 Shirakata Shirane, Tokai, Naka-Gun, Ibaraki, 319-1195
B) KEK: 1-1 OHO, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
C) Mitsubishi Electric System & Service Co., Ltd.: 2-8-8 Umezono, Tsukuba, Ibaraki, 305-0045

Abstract
A two-dimensional beam profile monitor for 3-50 beam transport line in J-PARC was fabricated and installed in 2012.
Then beam profile measurement by using OTR lights has been started in the beginning of 2013. Adding a measurement
using fluorescence light has been run from May in 2013, the equipment has worked all right. In this manuscript,
designing and fabrication on this equipment which has relatively large inner volume of about 550 litters for employing
precise optical system built-in, are summarized and discussed as below: (1) construction design for chamber having
built-in OFFNER optical system, (2) a sliding triple-target, (3) applying thin metal foil to a target frame, (4) an in-situ
optical system and glass view, (5) optical devise alignment in the chamber, and (6) vacuum evacuation characteristics.

1.

はじめに3GeV の大強度陽子ビームでのターゲットからのOTR 光は，±13.5 度という大きな広がり角をもつ．
また，ビームサイズがσ=15mm 程度と大きいことも相まって，大きな受光サイズの光学系が必要である．このため直径 300 mm の凹面鏡をもつ OFFNER光学系を採用した[1,2,3]．またビームターゲットは，120 mmφの有効径を持ち３連の構成とし，３種類のターゲットを直線導入機で切り替えて使用することができる．
真空容器内には，これらのターゲット，OFFNER光学系，及び OFFNER 光学系で結像した像を生成す
Figure 1: A photo of the OTR vacuum chamber. A black
るスクリーンを含む２次光学系を配置している．真box on the left side is the linear motion system of the
空容器の容積は，およそ 550 L と大きなものである．
target, and right down there is a CID camera attached animage intensifier.
2. 真空容器の構造
真空容器の製作に当たって特に留意した点は，OFFNER 光学系とターゲットのアラインメント方法及びメンテナンスの容易さ，そして構造的な安定性である．Fig.1 に装置の外観写真と Fig.2 にその構成を表す断面図を示す．真空容器の外形サイズは，(1100L-1259H-620D)mm3 である．内部の部屋は，(1)ターゲットルーム，(2) OFFNER リレー光学系ルーム，(3) ２次光学系ルームの３室から構成されている．
オフナー光学系と２次光学系は，Optical Stage に載せてある．OFFNER 光学系は，装置上部の直径780 mm の大フランジを持つポートから吊下して装________________________________________#z-sohtsu@post.j-parc.jp

置内に配置される．
構造に関するたわみと変形の問題については，チェンバーを構成する材料を SUS316L とし板厚を30 mm に選ぶことにより四方からの変形を極力減らした．さらに，(1)のターゲットルーム底板はターゲットのステージを載せるために設けてあるが，材料を SUS316L 厚み 30 mm とすることで強度を増し，さらに(2)との境界にも同材料の仕切りを設けて構造を補強した．この２枚の板の突合わせ部は，容器の側面板と溶接している．これらの構成での真空排気時の ANSYS [4] による構造の強度計算結果を Fig.3に示す．変形は補強の手薄な部分に僅かに生じているが，その値は 0.11 mm であった．光学系のズレは，真空に排気した状態と大気での状態の比較から，0.3- 662 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

Figure 2: Whole constitution with vertical sectional view. (1) Target room：11 Target，12 Frame guide，
13 Target base，14 Partition structure，(2) OFFNER mirror room：21 Upper concave mirror，22 Convex mirror，
23 Lower concave mirror，24 Mirror holder，25 positioner，(3) 2nd Optics room：31 Screen，32 Planer mirror，
33,34 Positioner，(4) Others：41 Optical stage，42 Positioner，43 Chamber base，44 Footstool，45 Upstream
beam-pipe，46 Downstream beam-pipe，47-49 Pin nest mount for Laser Tracker，411 Tap hole，0 Vacuum
Chamber
mm 以内に十分収まることがわかった．構造用仕切り板の接続部の溶接での応力最大 22 MPa 程度であり，これは JIS 規格の SUS316L 材の許容応力である 138 MPa の 1/5 以下の値である．

ンシファイア(I.I.)の感度を最適化して計測する[1, 2,3]．このために，直線導入機をパルスモータによりスライド動作させ，３つのターゲットを切り替える機構を用意した．
スライド動作のために，中空の金属性カムフォロ
ワーによる転がり接点をもつフレームガイドを用いた(Fig.4)．このフレームガイドの中を３連のターゲットフレームが移動する．中空のリン青銅製のカムフォロワーは全部で 24 ケ使用しており，アルミ製のターゲットフレームとその接点の隙間距離は150 µm のシックネステープを用いて調整した．その結果，極めて軽く直線移動することができた．このようにスムーズな動作ができるために，直線導入機からの駆動の伝達は直径 8 mm のロッドであり，ストロークは 450 mm である (Fig. 5)．直線導入機は耐放性パルスモータ(Empire MagneticsRHU23: 1 N.m)
で動作させ，穴あきなどのエッジを持つターゲットの位置を 50 µm 以下の精度で決定することができる．
直線導入のロッドとターゲットフレームの連結部

Figure 3: A result of structural calculation whenevacuated of the vacuum chamber.

3. ３連スライド式ターゲット装置の製作当初は，金属フォイルからの OTR 光を用いて３つのビーム領域を計測することを考えた．
３つの領域とは，ビームコア領域，そして直径 50
Figure 4: (a) A Frame guide attached a sliding-triplemm の丸穴の外側の部分のビームテール部，さらにtarget frame, (b) gaps between cam-followers and theは 90 mm の丸穴の外側部分のビーム最外周部分であframe were adjusted by using a 150 µm thickness tape.
る．これらの領域に対してそれぞれイメージインテ- 663 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

は，ロッドの先端を半球型に加工し押し当てる構造であり，その両脇にそれぞれスプリングを用いて両者を引き合う構造にしてある．地震対策としてスプリングの脱落防止機構もつけてある(Fig. 5 (a))．ター
ゲット交換などのときには，この連結部のスプリングを外してやるだけで良い．この作業のためには，
直線導入機は，100 mm 程度後方にスライドして退避できるように，チェンバーから３本のサポートロッドを設けてある( Fig. 5 (b)).

Figure 5: (a) A joint part of a rod and the target frame.
Two springs are pulling each other adequately. (b) Black
triple rods mounted on the wall of the vacuum chamber
assists to slide the linear motion equipment forconnecting or dis-connecting the joint.

4. ターゲット
OTR 光発生のためのターゲットとしては，金属製の平坦でかつ良好な反射体であることが要求される．それは金属界面で発生した OTR 光を界面で吸収することなく放射させることが目的となるためである．ターゲットの直径は 120 mm である．ビーム全体を計測するためには，厚み 10 µm のチタンフォ
イル(ST: solid target)，コア周辺のビームテールを計

Figure 6: A procedure of foil applying to the targetring. (a) First, a dummy ring was put on a foil
tensioned horizontally, and diluted adhesive wasdropped at the fringe of the dummy ring. (b) Second,
the target ring was put on the foil bonded dummy ringwhich was transposed up and down. Further, a plateand some weight were put on the target ring fortension. Finally, diluted adhesive was dropped at thefringe of the ring.

Figure 7: A solid titanium target with a thickness of 10µm. (a) a photo, (b) un-flatness of its surface was about
within 25 µm.
測するために，中央部に丸穴 50 mm (H50: 50 mm
hole target) と 90 mm(H90: 90 mm hole target)を持つ
厚み 100 µm の純度 99.999%のアルミフォイルをそれぞれ用意した．ビーム周辺部を計測する場合には計測用カメラに取り付けられたシングルステージのI.I.（浜松ホトニクス V2697U）が適切な感度となるように内蔵する MCP のゲインをリモートで調整してやる．尚，アルミとチタンの可視域における代表的な反射率は，それぞれ 92.5，53％である[5, 6]．
ST は Fig. 6 に示す簡便な２段階の貼付け方法[2]で，ターゲットリング(直径 140 mm, アルミ製)へエポキシ系接着剤を用いて取り付けた．完成したター
ゲットの表面をレーザー変位計(Keyence IL-S025)を用いて 2 mm ステップで変位分布を測定した結果，非平坦度は 22 µm（測定誤差±7.5 µm）であった(Fig.7)．測定するビームサイズのσは 15 mm 程度であるために，ターゲットの非平坦性は 100 µm 程度以下であればよく，十分に平坦性を有することを確認した．H50 と H90 は，YAG レーザー [7] により穴加工を行った．小さなパルスパワーで繰り返しなぞるように切断を行った結果，切断部のエッジの乱れは，10 µm 程度に収まっている．
尚，現在は，OTR 光よりも単位時間，単位面積あたり 10 倍以上の発光強度をもつ酸化クロムをドープしたアルミナスクリーン(AS: Alumina Screen: 京
セラ 486: 厚み 0.5 mm) を H90 に代えて導入しており(Fig.8)，ビームテールの光をピークの光強度に対して，1*10-6 程度以下までを高感度に計測することができるようになっている[8]Figure 8: The triple target. Each inner diameter of thering was 120 mm.

真空光学系
真空内には Offner リレー光学系(Offner Relay- 664 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

Optical System: OO: Fig.9)とその焦点面以降の 2 次光 ていない．SO の後，光は合成石英ビューポート学系(Secondary Optical System: SO: Fig. 10)が収めら （窓内直径：134 mm, ガラス厚み 30 mm : Fig.11）
れている．OO は３つの球面ミラーで構成されてお を通して大気中での I.I.とカメラで構成される計測
り，Fig.9 (b)に示すように同心の R500 と R250 にそ 器に導かれる．このビューポートは図にあるようにれぞれ凹面鏡と凸面鏡を配置してある．30 mm 厚み ガラスの両面にヘリコフレックスを当てて 20 本のの Pyrex ガラスを球面研磨し球面以外の全ての外表 M8 SUS ボルトを 5 N.m のトルクで締結してある．
面全体をアルミ蒸着した．各ミラーは直接アルミ製 これは KEK-PF や KEKB で実績のある方法であり，の調整ベースに取り付けることにより帯電しない構 それらでは直径 100 mm のガラスの波面でのエラー造である．Fig.9 (a)に示すようにアルミのハウジン をλ/20 以下に抑えている報告がある[10]．
グに全ての光学要素が収められており，その重量は約 70 kg である．SO では，OTR 光のもつ放射角度分布を除去するために，OO の焦点面に，サイズ140W×140H×5T mm3 の石英製の Diffuser Screen (DS)を置いている．#300（最大粒径 100 µm）の砂ずり研磨で拡散表面を製作した．このスクリーンの下流には Pyrex ガラス製のアルミ蒸着平面ミラーを配置し，45°曲げて光を取り出している(Fig.10)．SO では周囲の電解研磨されたチェンバー内表面からの拡散光の反射による迷光が生じやすいと考えられる．このFigure 11: A quarts view port sealed with a metal seal
ため NiP コート（Phosblack III 可視域反射率：2～of Helicoflex. (a) a whole image, (b) cross sectional
5%: [9]）したこれらの拡散スクリーンと平面ミラー
view.のシェードを用意してあり，今秋装着する予定である．他のチェンバー内表面などはすべて電解研磨した高反射率面となっているが，光計測のバックグラ 6. 光学部品設置とアラインメントウンドの増大などの特段の支障は今のところ見られ
OO のハウジングは，チェンバー天井の大ポートより吊下して，チェンバー内の Optical Stage (Fig.2)
上に設置する．位置調整は，チェンバー側面の下側の両サイドにそれぞれ２つずつあるポート(Fig.1:

Figure 9: The Offner relay optical system. (a) All
components were mounted a housing made ofaluminum. The upper convex mirror has a beam holewhich diameter of 120 mm. (b) The geometry between
beam target and OO.

Figure 10: The second optical system: (a) the diffusion
screen at the left and the planar mirror at the right with adistance of 120 mm, (b) a shade for anti-reflection which
was coated with NiP (it will be planned to install thisautumn).

- 665 -Figure 12: The arraignment procedure with laser tracker.
(a) Positional relation between the target and threestandard points at chamber roof were measured. (b) OO
position was aligned with positions of three points atOO’s housing roof against standard points.

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ジングや光学部品に使用されている AL5052 に対しICF203)を開けて行う．
OO とターゲットの位置関係は極めて重要である． てはアルピカ処理[11]を行った．また特にベーキン
アラインメントはレーザートラッカー(LT)を用いて グ処理は行っていない．真空排気ポートは，Fig.1 の行った(Fig.12)．まず，あらかじめターゲット移動軸 カメラのあるポートの反対側（裏面）にあり，500が直線導入ポートの中心に一致するようにレーザー L/s のイオンポンプが取り付けられている．ビーム
セオドライトでターゲットベースを調整しておく． ラインにインストールしてからの真空圧力のトレン
この精度は 50 µm 程度であった．次にターゲット ドを Fig.14 に示す．凡そ 70 日で 10-7 Pa 領域にベース上の３点と，チェンバールーフ上の３つの基 入った．圧力カーブに見られるいくつかのスパイク準点の関係を LT を用いて測量する．最後にその基 は他の箇所での放電などによる変動である．
準点を参照しながら，OO のハウジングのルーフの３点を設計位置になるように，位置調整を行った． 8. まとめ
OO とターゲット中心との位置関係の調整後の精度
装置は，特段の問題もなく安定に稼働し Fig.15 には，100～200 µm であった．SO は，OO との位置関 示すような大強度ビームのプロファイルを計測する係をレール上を移動することで調整できるようにし ことができるようになった．清和製作所の齊藤斉氏てあるため，ターゲットの端部に取り付けられたス には装置の設計及び製作にご尽力いただいた．またケールをカメラで測定しながら，DS の位置を調整 装置のインストールは年末の加速器停止時のわずかした．調整後のスケールの画像を Fig.13 に示す．最 な時間に集中して行い，MR システムコミッショニ
小の 1 mm 刻みのラインの線幅は 0.2 mm であるが， ンググループの瀧山陽一氏はじめ諸氏にお世話にそのラインまで結像していることを確認した．
なった．

Figure 15: Typical beam profile with OTR. In this casebeam intensity was 4.2e13 p/2bunch. Left side is ameasured beam image. Right curves are projected profilein horizontal (H) and vertical (V).

Figure 13: A screen image of reference scale positioned
at the edge of target frame.

参考文献
7. 真空排気特性
チェンバー内表面（主として SUS316L）は全て 5µm 程度の電解研磨を行っている．OO などのハウ[1] M. Tejima, et al., Proc. 9th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, 2012, p.590-593.
[2] S. Otsu, et al., Proc. 9th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, 2012, p.577-580.
[3] M. Tejima, et al., Proc. IBIC 2012, Tsukuba.
[4] ANSYS: http://www.cybernet.co.jp/ansys.
[5] F. A. Jenkins, H. E. White, Mcgraw Hill, 1957, P.522.
[6] 櫻井信之, 東京大学，修士論文，1992, P.79.
[7] 弘陽精工: http://www.koyo-laser.co.jp .
[8] M. Tejima, et al., these proceedings.
[9] PhosBlack: 株式会社旭プレシジョン：
http://www.akg.jp/puresijyon/pb3.htm[10] T. Mitsuhashi, K. Kanazawa, and S. Hiramatsu, Proc. 13thSym. on Accel. Sci. and Tec., p.387(2001).
[11] ア ル ピ カ : 三 愛 プ ラ ン ト 工 業 : http://www.san-aiplant.co.jp/clean_technology/chemical_polishing/alminum_cp/Figure 14: Evacuation curve after installation.

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