JP2000137081A - 加速器のビーム診断プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンパクトなプローブで、全電流値の半径方
向の分布、半径方向の周回ビームの位置、垂直方向のビ
ームの拡がりの状態を一度に測定可能とする。 【解決手段】 インテグラル検出片１２の後方に、先端
が突出するよう、ビーム進行方向と垂直な方向に並設さ
れた、ビームを阻止しない３枚以上の薄板２６ｕ、２６
ｍ、２６ｌからなるデファレンシャル検出片２６を設
け、該デファレンシャル検出片の上下を覆うように配設
したキャプチャ電極３０ｕ、３０ｌによって、前記デフ
ァレンシャル検出片のビーム衝突面から放出された２次
電子を捕獲する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速器ビームのビ
ーム量やビーム形状を測定するためのビーム診断プロー
ブに係り、特に、サイクロトロンのような、半径方向に
加速ビームが何回も周回する円形粒子加速器に用いるの
に好適な、ビーム診断プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】サイクロトロンのような粒子加速器にお
いては、該加速器で発生されるビーム量やビーム形状の
分布状態を把握するために、図１乃至図３に示すような
構成のビーム診断プローブが用いられている。

【０００３】このプローブ１０は、イオンの周回ビーム
８を阻止した際に流れるビーム電流値を検出することに
より、ビーム量を測定するための、ビームを阻止可能な
厚みを有する、直方体状のインテグラル検出片１２と、
該インテグラル検出片１２の後方に、先端がδ（通常
０．５〜１ｍｍ）だけ突出するよう、ビーム進行方向
（ｘ方向）と垂直な方向（ｙ方向）に並設された、同じ
くビームを阻止可能な厚みを有する、直方体状の例えば
３指のデファレンシャル検出片１６とを備えている。図
において、１４、１８は、それぞれ前記インテグラル検
出片１２、デファレンシャル検出片１６に先端が埋め込
まれた、ビームによる発熱を除去するための冷却水を導
入するための、導電性を有する冷却水管、２０は、該冷
却水管１４、１８の後端が一体的に固定された、サポー
ト用ステムである。

【０００４】前記インテグラル検出片１２、デファレン
シャル検出片１６のいずれも、サイクロトロンの能力に
匹敵するビームエネルギに対応する材料と厚み（飛程）
を有し、周回ビーム８を阻止することによって流れるビ
ーム電流値Ｉを、図４に示す如く検出する構成となって
いる。因みに、例えば陽子９０ＭｅＶのビームを阻止す
るためには、銅を用いた場合で３０ｍｍ、モリブデンを
用いた場合で１２ｍｍの厚みが必要である。

【０００５】周回ビーム８が、このようなプローブ１０
の先端に当ると、図５及び図６に示す如く、周回ビーム
８は、デファレンシャル検出片１６で阻止される分Ｉ
ｄ、インテグラル検出片１２で阻止される分Ｉ２、及
び、両検出片のどちらにも当たらず、再度周回して半径
Ｒが大きくなり、図の右側にずれてインテグラル検出片
１２に当る分（Ｉ1 →Ｉ1 ′）に分けられる。即ち、そ
の半径地点の全電流値Ｉｔは、前記電流値Ｉ2 とＩ1 ′
とＩd の和で表わされる。又、Ｉd は、当該半径地点で
のδ幅で検出されるビーム量である。

【０００６】前記インテグラル検出片１２及びデファレ
ンシャル検出片１６を一体的に配置したサポート用ステ
ム２０を、サイクロトロンの半径Ｒ方向（ｚ方向）に掃
引しながら、全電流値Ｉｔとデファレンシャル電流値Ｉ
ｄを検出すると、図７に示す如く変化し、半径方向のビ
ーム電流分布と各周回ビームの半径位置の情報が得られ
る。

【０００７】又、デファレンシャル検出片１６の垂直方
向の３素子１６ｕ、１６ｍ、１６ｌの検出値Ｉｄｕ、Ｉ
ｄｍ、Ｉｄｌを独立表示すると、図８に示す如く、半径
方向のビームの垂直位置が、どのように変化しているか
を把握することができる。

【０００８】このようなビーム情報を診断することが、
サイクロトロンの運転調整を支援する重要な要素となっ
ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来型プローブは、次のような問題点を有していた。

【００１０】全ビーム電流値Ｉｔを検出するために
は、デファレンシャル検出片１６でもビームを完全に阻
止する必要があり、インテグラル検出片１２と同等のビ
ーム阻止厚みを必要とするため、プローブ検出部の寸法
が全体に大きくなる。

【００１１】半径方向ビーム位置の分解能を決定づけ
る突出量δの値が、特に高エネルギビームでは、検出片
に垂直方向に入射しない条件で素子厚みを確保する必要
があるため、ある程度以下に小さくできない。

【００１２】前記突出量δの値は、デファレンシャル
検出片１６を半径方向に駆動調整することにより、効果
的な値に設定できるが、従来はデファレンシャル検出片
１６での周回ビームを完全に阻止する必要があるため、
二重の冷却水管１８でインテグラル検出片１２の冷却水
管１４と共にサポート用ステム２０に一体的に固定支持
する複雑な構造をとっており、δの値を変えるのは困難
であった。

【００１３】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、簡単且つコンパクトな構成で、全電
流値の半径方向の分布、半径方向周回ビームの位置、垂
直方向のビームの拡がりの状態等のビームプロファイル
を一度に測定できるようにすることを課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、加速器ビーム
のビーム量やビーム形状を測定するためのビーム診断プ
ローブにおいて、ビームを阻止した際に流れるビーム電
流値を検出することにより、ビーム量を測定するため
の、ビームを阻止可能な厚みを有するインテグラル検出
片と、該インテグラル検出片の後方に、先端が突出する
よう、ビーム進行方向と垂直な方向に並設された、ビー
ムを阻止しない３枚以上の薄板からなるデファレンシャ
ル検出片と、該デファレンシャル検出片の上下を覆うよ
うに配設された、デファレンシャル検出片のビーム衝突
面から放出された２次電子を捕獲するためのキャプチャ
電極とを備えることにより、前記課題を解決したもので
ある。

【００１５】又、前記デファレンシャル検出片を構成す
る複数の薄板を、ビーム進行方向に位置をずらした状態
で、ビーム断面を略完全に覆うように配置するようにし
たものである。

【００１６】又、前記デファレンシャル検出片先端のイ
ンテグラル検出片に対する突出量を調整するための駆動
手段を備えたものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態を詳細に説明する。

【００１８】本実施形態は、図９乃至図１１に示す如
く、従来と同様のインテグラル検出片１２及びその冷却
管１４を備えたビーム診断プローブにおいて、該インテ
グラル検出片１２の後方に、先端がδだけ突出するよ
う、ビーム進行方向（ｘ方向）に位置をずらした状態
で、ビーム進行方向と垂直な方向（ｙ方向）に並設され
た、ビームを阻止しない３枚の薄板２６ｕ、２６ｍ、２
６ｌからなるデファレンシャル検出片２６と、該デファ
レンシャル検出片２６の上下を覆うように配設された、
図１０に示す如く、該デファレンシャル検出片のビーム
衝突面から放出された２次電子を捕獲するためのキャプ
チャ電極３０ｕ、３０ｌと、前記デファレンシャル検出
片２６先端のインテグラル検出片１２に対する突出量δ
を調整するためのデファレンシャル検出片駆動装置４０
とを備えたものである。

【００１９】前記デファレンシャル検出片２６は、厚み
１ｍｍ程度の高融点金属（ＭｏやＴａ等）の薄板２６
ｕ、２６ｍ、２６ｌを、ビーム進行方向と垂直なｙ方向
に３枚、ビーム進行方向（ｘ方向）位置を段違いにずら
しながら配置されている。

【００２０】前記デファレンシャル検出片２６及びキャ
プチャ電極３０ｕ、３０ｌは、デファレンシャル検出片
サポート軸３２に一体的に保持されている。該サポート
軸３２は、デファレンシャル検出片駆動軸３４の先端に
固定されている。該駆動軸３４は、サポート用ステム２
０に配設されたベローズ３６を挿通して、中空円筒状の
サポート用ステム２０内に設けられたボールねじ軸４２
とステップモータ４４の組合せ等によるデファレンシャ
ル検出片駆動装置４０により、半径方向（ｚ方向）に精
密な分解能（例えば０．１ｍｍ以下の位置決め精度）で
駆動調整される。

【００２１】図において、５０は配線である。

【００２２】以下、本実施形態におけるビーム検出原理
を説明する。

【００２３】デファレンシャル検出片の各薄板２６ｕ、
２６ｍ、２６ｌは、ビーム８を阻止するだけの厚みを有
しておらず、ビーム８は透過するが、図１０に示した如
く、ビームの当たった面から２次電子が前面に放出され
る。放出された２次電子は、放出時のエネルギに相当す
るラーマ半径でもって、磁場に巻き付きながら、例えば
＋５００Ｖに印加されたキャプチャ電極３０ｕ、３０ｌ
に捕獲される。即ち、デファレンシャル検出片２６は、
表面より電子を剥ぎ取られるため、電気的にはプラスに
帯電することになり、図４に示したようなビーム検出回
路において、あたかも正イオンが阻止されたかのような
電流が流れることになる。デファレンシャル検出片の各
薄板２６ｕ、２６ｍ、２６ｌでは、ビームの絶対量を測
定することはできないが、絶対量に比例した電流量が計
測されるので、ｙ方向の電流分布は知ることができる。

【００２４】通常、核子当たり１００ＭｅＶ位までのエ
ネルギのイオンが打撃した際に飛び出す２次電子のエネ
ルギは、１ｋＶ以下であるので、キャプチャ電極３０
ｕ、３０ｌは、最高１ｋＶまで印加されていればよい。

【００２５】本実施形態においては、デファレンシャル
検出片を構成する複数の薄板２６ｕ、２６ｍ、２６ｌ
を、ビーム進行方向であるｘ方向に位置をずらした状態
で、ビーム断面を略完全に覆うように配置したので、従
来のようにデファレンシャル検出片の各素子１６ｕ、１
６ｍ、１６ｌ間にｙ方向に隙間がある場合に比べて、周
回ビーム８を洩れなく検出して、その上下方向分布を精
度良く検出することができる。なお、従来例と同様に、
デファレンシャル検出片の薄板同士の間に隙間を開け
て、ｘ方向に同一位置に並設することも可能である。

【００２６】又、デファレンシャル検出片駆動装置４０
で、デファレンシャル検出片２６の先端を、インテグラ
ル検出片１２先端よりも後方に押し込む（δ＜０）こと
により、インテグラル検出片１２のみによる測定も行う
ことができる。従って、従来のように、インテグラル検
出片１２の検出電流に３つのデファレンシャル検出片の
検出電流を加えることによって全電流値Ｉｔを求める場
合に比べて、加算回路が不要となり、信号処理回路系が
簡素化される。

【００２７】又、突出量δを精密に駆動調整できるの
で、突出量の調整が容易となる。なお、必ずしも突出量
δを調整可能とする必要はなく、デファレンシャル検出
片駆動装置４０を省略して、従来のようにインテグラル
検出片１２と一体的に設けることも可能である。

【００２８】本実施形態においては、デファレンシャル
検出片を構成する薄板の数が３枚とされていたが、薄板
の枚数はこれに限定されない。

【００２９】又、前記実施形態においては、本発明が、
サイクロトロンのビーム信号プローブに適用されていた
が、本発明の適用対象はこれに限定されず、サイクロト
ロンのように、半径方向に加速ビームが何回も周回する
円形加速器、あるいは、一般の加速器にも、同様に適用
できる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、デファレンシャル検出
片を薄板としたので、ビーム進行方向の厚みを従来より
も薄くでき、プローブ自身をコンパクトにできる。又、
デファレンシャル検出片が小さくなるので、インテグラ
ル検出片に、通常、冷却性能を考慮して使われる銅材よ
り、飛程は大きいが低放射化材であるグラファイトやア
ルミが使用可能となり、よく問題となるプローブ自身の
放射化を軽減して、高精度の測定が可能となる。

【００３１】更に、薄板のデファレンシャル検出片に対
するビーム衝突面から放射される２次電子量を検出する
ようにしているため、ビームプロファイルを、電流検出
値として正確に反映することができる。又、突出量δを
小さくして、半径位置確認の分解能を小さくすることが
できる。従って、正確な半径方向のビームプロファイル
が測定でき、サイクロトロン引出し軌道のターンセパレ
ーションの調整（通常ハーモニックコイルを用いる）に
非常に有用な情報となる。

【００３２】更に、デファレンシャル検出片に二重管等
の複雑な冷却構造を必要としないので、実施形態に例示
したように、１本の駆動軸に固定して、精密な駆動調整
を行えるようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のビーム診断プローブの構成を示す斜視図

【図２】同じくプローブ先端部分を上から見た平面図

【図３】同じくビーム進行方向から見た正面図

【図４】従来例におけるビーム検出の原理を示す回路図

【図５】従来例における各素子へのビームの当たり方を
示す、プローブ先端部分の平面図

【図６】同じくビーム進行方向から見た正面図

【図７】全電流値とデファレンシャル検出電流の半径方
向分布の例を示す線図

【図８】デファレンシャル検出片の各素子で検出される
ビーム電流の半径方向分布の例を示す線図

【図９】本発明に係るビーム診断プローブの実施形態の
構成を示す斜視図

【図１０】本実施形態をプローブ先端方向から見た側面
図

【図１１】同じくプローブ上方から見た平面図

【符号の説明】

８…周回ビーム １０…プローブ １２…インテグラル検出片 １４…冷却水管 ２０…サポート用ステム ２６…デファレンシャル検出片 ２６ｕ、２６ｍ、２６ｌ…薄板 ３０ｕ、３０ｌ…キャプチャ電極 ３２…デファレンシャル検出片サポート軸 ３４…デファレンシャル検出片駆動軸 ４０…デファレンシャル検出片駆動装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加速器ビームのビーム量やビーム形状を測
   定するためのビーム診断プローブにおいて、 ビームを阻止した際に流れるビーム電流値を検出するこ
   とにより、ビーム量を測定するための、ビームを阻止可
   能な厚みを有するインテグラル検出片と、 該インテグラル検出片の後方に、先端が突出するよう、
   ビーム進行方向と垂直な方向に並設された、ビームを阻
   止しない３枚以上の薄板からなるデファレンシャル検出
   片と、 該デファレンシャル検出片の上下を覆うように配設され
   た、デファレンシャル検出片のビーム衝突面から放出さ
   れた２次電子を捕獲するためのキャプチャ電極と、 を備えたことを特徴する加速器のビーム診断プローブ。
2. 【請求項２】前記デファレンシャル検出片を構成する複
   数の薄板が、ビーム進行方向に位置をずらした状態で、
   ビーム断面を略完全に覆うように配置されていることを
   特徴する請求項１記載の加速器のビーム診断プローブ。
3. 【請求項３】前記デファレンシャル検出片先端のインテ
   グラル検出片に対する突出量を調整するための駆動手段
   を備えたことを特徴する請求項１又は２に記載の加速器
   のビーム診断プローブ。