DESIGN AND PERFORMANCES OF PHASE MONITOR IN J-PARC LINAC
Tomoaki Miyao #,A), Zenei IgarashiA), Akihiko MiuraB) , Minoru MayamaC)
A)
High Energy Acceleartor Organization,
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0081
B)
Japan Atomic Energy Agency
2-4, Shirakata-Shirane, Tokai, Ibaraki, 319-1195
C)
Mitsubishi Electric System & Service Co., Ltd,
2-8-8 Umezono, Tsukuba, Ibaraki, 305-0045

Abstract
J-PARC linac employs a fast current transformer (FCT) as a beam phase monitor to calculate the beam energy by timeof-flight method, and the 4-stripline beam position monitors (BPMs) for the beam position measurement. At the greatearthquake occurred off the Pacific coast of Tohoku, some CT monitors, such as a phase monitor and beam current
monitor had damage and the vacuum leakage was observed. But no damage of BPMs was found. It has been consideredthat the signals from striplines of BPM would be useful for a phase measurement. A phase measurement using a BPM
has been successfully conducted. Above the lessons learnt from the damage by the quake, we consider to employ theBPM for the FCT backups after evaluation of the performances of BPM as the phase measurement device. Finally,
these performances of BPM are compared with those of FCT. Based on the results of the evaluationss, we will discuss
the performance to measure the beam phase both FCT and BPM.

J-PARC リニアックにおける位相モニタの製作と性能評価
1.

はじめに

東日本大震災により J-PARC 加速器は大きな被害を受けた。J-PARC リニアックにあるビームモニタに 関 し て も 位 相 モ ニ タ (FCT: Fast CurrentTransformers)や電流モニタのような CT モニタは被害を受け、真空が破れてしまった[1]。CT モニタはマグネットコアからのアウトガスを防ぐためにモニタの金属部分にセラミックの絶縁体をろう付けしているが、震災の影響でモニタの溶接部が変形した。
し か し 、 ビ ー ム 位 置 モ ニ タ (BPM: Beam PositionMonitors)に関して震災による被害は全く受けなかった。
BPM はビーム位相を検出できることが知られてお図 1: 電流モニタ・位相モニタ複合型(SCT/FCT)
り、我々は BPM を用いてビーム位相を測定しようと試みている[2]。結果として BPM からの信号は小2. 位相モニタ(FCT)の設計
さいが、ビーム位相は BPM の和信号で測定できる。
ACS セクションでは各空洞に 2 台の FCT と１台
そのため、BPM はビーム位相測定のデバイスとしての SCT をインストールする予定である。FCT はのバックアップと考えている。
我々はすでにリニアックのビームエネルギーを ビームエネルギーを見積もるためのビーム位相を測400MeV にアップグレードするのに必要な BPM と 定するモニタである。FCT を設計する際、5mm 厚CT モニタを製作した[3]。これらのモニタはリニ のファインメットコア(日立金属製)にコイルを１巻アックの下流部に対して設計されている。そこで、 したものを採用している。RF 信号がファインメッ
BPM と FCT は近くに設置されるので、我々は両モ トコアコアを真空から遮断するためにセラミック絶ニタの信号感度とカットオフ周波数を測定し、比較 縁体を通ってファインメットコアに伝播される。ここで、セラミックの絶縁体は金属板でシールドするを行った。
ことでビームから隠れている。ACS セクションは非常にスペースが狭いため、SCT と FCT の複合型を採用した(図 1)。
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tomoaki.miyao@j-parc.jp- 571 -

CT モニタはコアに巻いたコイルに誘起される電 4.
測定
圧はビーム電流に比例するので、信号を検出できる。
テストスタンドでの測定ある周波数成分の出力応答は次式で与えられる[4]。
図 3 は FCT のテストスタンドの外観を示す。FCT(1)
本体を 2 本のテーパー管で挟み、上側は 50Ωでターミネートしている。テーパー管の中は、RF を伝播
ここで、I はビーム電流（J-PARC リニアックは するための銅導体が挿入されている。ネットワーク15mA）、Z はインピーダンス、N はコイルの巻き数、 アナライザから RF 信号を下のテーパー管に入力し、FCT の端子からの出力を測定した(図 4)。
L はコイルの自己インダクタンスを表す。

3.

ビーム位置モニタ(BPM)の設計

我々はリニアックのビームエネルギーを 181MeVから 400MeV へのアップグレードを目指している。
これを達成するために BPM を含むビーム機器を開発する必要がある。そこで、我々は BPM を設計し、電極としてストリップライン型を採用した。BPM の精度はビーム軌道の誤差が 100µm 以内に校正されている必要がある。この要件を達成するために、電場計算を用いて特性インピーダンスが 50Ωになるようなストリップラインの幅を決定し、BPM1 台あたり4 つのストリップラインの隠インピーダンスを測定したこれはシミュレーションと一致している。最後に, BPM の電気的中心を周波数 324MHz、出力電圧6dBm の擬似ビーム信号を用いて測定した(図 2)。

図 3: テストスタンドの外観 (FCT の測定)

図 2: ビーム位置モニタ (BPM).
BPM において、荷電粒子ビームが通過するとき電極にはビームの電荷と逆符号の電荷が励起される。
静電誘導ピックアップの原理から等価回路を考えると、ストリップライン電極に誘起される出力電圧は次式で与えられる[4]。
(2)
ここで、Z は特性インピーダンスを表し、Z=50Ωである。

図 4: FCT 位相測定の概略図

BPM については、図 5 のようにセットアップをする。ストリップラインの各 SMA 端子の一方を 50Ωでターミネートしている。RF 信号の入力は FCT と同じであるが、ビーム位相を測定するには各ストリップラインからの和信号を測定しなければならないため、コンバイナーを通して BPM の出力を測定した(図 6)。

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の加速周波数である 324MHz での透過による信号減衰はそれぞれ、FCT は-15.742dB、BPM は-25.967dBであった。信号減衰と電圧との関係は次式で表される。

(3)
我々が使用しているネットワークアナライザの入力電圧が 0.5V であるので、出力電圧はそれぞれ見積もることができ、FCT の方が 3 倍高い出力電圧を得ることができる。
V_FCT＝82mV, V_BPM=25mV
FCT と BPM の出力電圧の比をとると
図 5: テストスタンドの外観 (BPM の測定)と計算でき、FCT の抵抗 R とコイルの自己インダクタンンス L に依存すると考えられる。

図 6: BPM 位相測定の概略図

図 8：BPM の周波数特性

6.

まとめ

FCT と BPM を位相モニタとしての性能を測定した。出力信号において、324MHz での特性は両モニタとも変わらないが、FCT の方が 10dB ほど多く利得できる。計算値との比較は再度考慮する必要がある。

参考文献
図 7：FCT の周波数特性。上が反射信号と出力信号の周波数特性。下がモニタを含む全経路の位相のオフセットを示す。

5.

結果

図 7 に FCT の周波数特性、図 8 に BPM の周波数特性と位相のオフセットを示す。位相のオフセットに関して、ここでは割愛する。J-PARC リニアック[1] A. Miura, et al., “Beam Monitor Deformation byTohoku Earthquake and its Recovery Project”, Proc.
of IPAC2011, WEPC144, San Sebastian, Spain[2] S. Sato, et al., “Study of J-PARC Linac Beam Position
Monitor as Phase Monitor”, Proc. of PAC09,
TH5RFP061, Vancouver, Canada[3] A. Miura, et al., “Beam Diagnostics in the J-PARC
Linac for ACS Upgrade”, Proc. of DIPAC2011,
MOPD08, Hamburg, Germany[4] 平松成範 加速器のビームモニター- 573 -