Abstract

はじめに
1.
ビームロスによる荷電粒子や制動放射によるy線がダクトに当るとダクト壁でシャワーを引き起こす。シャワーによってダクト外に出てきたッ線、荷電粒子はビーム上流側にも飛散する。加速器のビームダクトに光ファイバを布設しておくとこの荷電粒子が光ファイバ中を通過しチェレンコフ光を発する。チェレンコフ反応が光ファイバ内で起きると発光の向きによってはチェレンコフ光がファイバ端まで到達するものがある。ファイバ端からの光を光電子増倍管（PMT）等の光検出器で観測するとその観測波形はダクト外に出て来る荷電粒子、つまりビームロスの強度分布をあらわしている[1][2][3][4]。これまでも光ファイバを使ったピームロスモニタの研究が進められてきた[5][6][7][8]。光ファイバは非磁性体であることから電磁石のチェンバーやダクトに密着して布設することが出来る[9]。こではダクトに布設した光ファイパを分布型の検出器として利用した幾つかの応用例を上げる。
ビームロスモニタ
2.
ビームロスモニタ[9] 2.1 PMT(H10721;浜松ホトニクス) 2個をNIMモジュールに組込んだものと大口径の純粋石英光ファ" yoshiharu.yano@kek.jpイバを組合せたものが光ファイバビームロスモニタある。Figure 1に光ファイバ、PMT、ビームロスFigure1: Optical fiber, PMT and Beam Loss Monitor Module.光ファイバのコア径は用途に応じて400 μ m、 600 μ m、800 μ mのものを使用している。光ファイバをダクトに密着して布設し、ビームの上流側から出てくる光を観測すると粒子の速度と光ファイバ中の光速から8.3 nsec/mの関係でビームロスによるシャワーの場所を推定することが出来る。オシロスコープの波形を解析する際に注意すべき点は光ファイバの終端では下流側に出た大量の光が反射し上流側に来ている事である。ビームロスの起き方によって差はあるが、同じ所で発生した光を上流側と下流側で襲測すると下流側の方が上流側の信号より3〜 4倍大きい。 2.2　パルスマグネット下流のビームロス[9] PFビームを振り分けるパルスマグネット(BM 58 1)の下流で大量にビームロスが発生している事が分かっている[1]。BM_58_1の上流にある貫通ダクトから30mの光ファイバ4本を下し、マグネット上流から約20m下流のベンディングマグネット(BM_61_F1)まで布設した。4本の光ファイバはそれぞれ上下左右、ダクトに出来るだけ密着して布設した。Figure 2に布設の概要を示す。左右の光ファイバはパルスマグネットの内部を通した。 Figure ３にそのオシロスコープの信号波形を示す。ビーム上流側から見てch– 1はダクトの右側、ch– 2は上側、ch− 3は左側、ch− 4は下側に布設した。 Figure 3: Oscilloscope waveform of Beam loss monitor.このオシロスコープの波形では最初のピークで非常に大きなビームロスが起きている事がわかる。最後のピークはそこで起きた大きなビームロスによるチェレンコフ光が下流側に伝搬しファイバ端で反射して戻ってきたものである。光ファイバ中の光速の逆数が5nsec/mで、この時間隔①が204nsecであることからビームロスの最初のピークの場所からファイバ端までは20.4mある事が分かる。最初のピークから図中のファイバ端まで②は169.3nsecある。これは直接上流側に届いたチェレンコフ光でビームロスの分布を示している。これは 8.3nsec/mの関係があるのでオシロスコープの波形から20.4mである。ここから最後のピークまで③は34.7nsecあり、1.7nsec/mの関係からこの距離も20.4mであることが分かる。 PFリング入射部のビームロス[9][10] 2.3 PFリング入射セプタム下流に残留放射能が高い場所がある。ビーム入射時のビームロスを調査するためキッカーマグネットからセプタムマグネット下流の四極マグネットまで光ファイバを布設した。 Figure 4にPF入射部の写真を示す。 PFリングへのビーム入射には2つのモードが採用されておりそれぞれ「パルス6極電磁石(PSM)入射モード」と「キッカー入射モード」がある。 Figure 4に示した入射セプタムマグネット近傍に布設した光ファイバで親測されたピームロス波形のモードによるビームロスの違いを示す。Figure 5はPSM入射時のビームロス波形で、Figure 6はキッカー入射時のビームロス波形である。これからPSM入射モードではセプタムマグネットの下流側で大きなビームロスが見られるがキッカー入射モードではあまりビームロスをしていないことが分かる。この波形の時間レンジを広げリングの周回ごとのビームロスを観察したものがFigure 7である。これから入射直後のビームロスは小さくリングを周回してきた後でビームロスが起きていることがわかろ。 3.
ワイヤスキャナ(WS)
3.1 LinacのWSシステム[11][12]入射器には現在5セットのWSシステムが設置されており今後も増設予定である。これらは一部を除きワイヤ駆動部とPMTによるセンサ部で1セットになっている。1つのWSシステムは駆動部4台とセンサ部教台がビームオプティクスを考慮して配置されている。Figure 8にワイヤ駆動部、Figure 9にセンサ部の写真を示す。 Figure 10に5セクタのWSシステムの配置図を示や。 QuickTimey Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ ÉÉÇ¾à©ÇÉÇžÇ…ÇÕïKóvÇ-ÇÅB Figure 10: Layout of wire scanner system at 5 sector. Figure 10に示すように5セクタのWSはWS 51 4, WS 54 2, WS 56 2, WS 57 2の4つのワイヤ駆動部とそれぞれの下流約10 mの位置にPMT (E5996[R5990-U];浜松ホトニクス)が鉛プロックでシールドされて設置されている。WS 51 4はPMT- 1、WS_54_2はPMT-2、WS_56_2とWS_57_2については PMT-3 が対応した検出器である。この検出器の配置ではPFビーム(e-,2.5GeV)の測定は可能であるがKEKBビーム(e-,8GeV)の場合はノイズが多く測定出来ない。
3.2  WS用センサの最適設置場所の調査
WS用センサの最適な設置場所を調査するためにパルスマグネット(BM 58 1)の上流からPMT- 3の下流まで光ファイバを布設した。Figure 11にWS 57 2のワイヤを挿入した時の信号とそれらの機器の写真を示す。 Figure 11から分かるように検出器の設置場所はBP 58 1の上流側ダクト、またはQS,QF 58 4の上流部が適当である。しかし、前者はパルスマグネットのすぐ上流であることとコリメータがあるためPMT を設置できない。PMT を設置できる場所は、後者のQD,QF_58_4の上流部しかない。 3.3
既存のPMTと光ファイバの比較
Figure 11から分かるようにワイヤを挿入した時QD,QF_58_4の中に信号が強く出る。ビームロスによるチェレンコフ光は下流側の方が強く出るのでQD,QF 58 4の中に光ファイバを布設し下流側に出る光を検出した。Figure 12に既存のPMTの信号と光ファイバの信号のオシロスコープの波形を示す。 C-wireはWS 56 2、D-wireはWS 57 2を示す。光ファイバの信号でワイヤ挿入時より前のピークはパルスマグネットの分岐ダクトのビームロスによるものである。Figure 13に測定結果を示す。横軸は Wire 位置、縦軸が検出器の出力信号の大きさを示す。WSは、１台で３本のWireをビームラインに挿入するため、３つの山が観測される。各山の幅がピームサイズに相当する。既存のPMTに比べて、光ファイバーロスモニターの方が明らかにS/Nが良いことがわかる。
まとめと今後
4.
光ファイバを分布型の検出器として利用した例としてビームロスモニタとWSのセンサ部への応用例を上げた。ビームロスモニタに関して、現在はある特定の場所に光ファイバを布設しオシロスコープの波形を解析しビームロスの様子を観測している。ビームロスモニタとして運転に使用するためにはオペレーターが見やすい情報にまとめる必要がある。今後このビームロスモニタは制御グループと協力して運転に使えるモニタとして開発する予定である。モニタ系はVMEを使ってシステム化されており、このビームロスモニタも組み込まれる予定である。その場合近くのモニタステーションまで光ファイバを導き高速のVME-ADCを使ってロス波形を取り込む事になる。試験運転で性能を確認した後に他の場所にも光ファイバを布設しLinac全体にビームロスモニタを展開する予定である。 WSに関しては、光ファイバを用いてセンサの最適位置を調べ、その場所にセンサとしても光ファイバを設置する。また、既存のPMTを順次S/Nの良い光ファイバに置き換える予定である。