JP2002217000A

JP2002217000A - ビーム位置モニタおよびこれを用いたシンクロトロン

Info

Publication number: JP2002217000A
Application number: JP2001011595A
Authority: JP
Inventors: Kunio Koseki; 国夫小関; Kazuyoshi Saito; 一義齋藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2002-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】同じ信号引出電極を用いてビームの水平方向
位置と垂直方向位置を測定すること。【解決手段】ビームの通過に伴う電荷を誘起させる４
個の信号引出電極１０ＵＬ〜１０ＤＲをそれぞれ三角形
形状に形成し、これら信号引出電極をビームの設計軌道
１ｓを基準に上下に２個ずつ分けて配置し、上側に配置
された２個の信号引出電極１０ＵＬ、１０ＵＲによって
上側の水平面を形成し、これらの電極の間にビームの進
行方向に対して斜めに交差する直線状の間隙１４を形成
し、下側に配置された２個の信号引出電極１０ＤＬ、１
０ＤＲによって下側の水平面を形成し、これらの電極間
にビームの進行方向に対して斜めに交差する直線状の間
隙１６を形成し、４個の信号引出電極１０ＵＬ〜１０Ｄ
Ｒによって水平方向および垂直方向のビーム位置を測定
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、ビーム位置モニタ
に係り、特に、荷電粒子ビームをシンクロトロン中で周
回、加速する際、荷電粒子の位置を測定するに好適なビ
ーム位置モニタおよびこれを用いたシンクロトロンに関
する。

【０００２】

【従来の技術】シンクロトロンは、環状の真空ダクト内
で荷電粒子ビーム（以下、ビームという。）を周回させ
ながら、所定のエネルギーまで加速するための装置とし
て、癌治療用医療機器等に用いられている。

【０００３】この種のシンクロトロンは、ビームを前段
加速器から入射する入射装置と、所定のエネルギーまで
加速されたビームをビーム利用設備（医療機器）に出射
する出射装置と、入射装置と出射装置とを結ぶ環状の真
空ダクト中のビームに磁場を与えてビームをビームの設
計軌道に沿って偏向させる偏向電磁石と、真空ダクト内
のビームに対して高周波加速電圧を印加してビームを加
速する高周波加速空胴と、真空ダクト中のビームを水平
方向に収束させる収束型四極電磁石と、真空ダクト内の
ビームを垂直方向に収束させる発散型四極電磁石と、真
空ダクト中のビームの位置を測定するビーム位置モニタ
と、ビーム位置モニタによって得られたビーム位置情報
からビームの軌道を補正するためのステアリング電磁石
とを備えて構成されている。

【０００４】上記構成によるシンクロトロンにおいて、
高周波線形加速器や静電加速器などの前段加速器からビ
ームが入射されると、このビームは進行方向に一様に連
続な電荷密度分布を持って真空ダクト内を周回する。こ
のとき高周波加速空胴に高周波電圧を印加すると、進行
方向への収束力により、ビームは高周波電圧のある位相
を中心にして集群（バンチ）化する。

【０００５】その後、高周波電圧の周波数を上昇させ、
バンチ中心の高周波電圧に対する位相を加速位相側にず
らすことで、周回ビームの運動量が増加する。また、ビ
ームの運動量増加による周回周波数の上昇に同期して高
周波電圧の周波数をさらに増加させる制御が行われる。

【０００６】このとき、シンクロトロンを周回するビー
ムは予め定めた設計軌道を通るように偏向電磁石によっ
て偏向される。ここで、ビーム中の荷電粒子の電荷を
ｅ、運動量をｐ、磁場強度をＢ、磁場での偏向による曲
率半径をρとすると、ｐ＝ｅＢρの関係にあることが知
られており、シンクロトロンでは曲率半径ρを一定に保
つために、加速によるビームの運動量ｐの増加に伴っ
て、偏向電磁石の磁場強度Ｂを増加させ、ビームの中心
軌道が常に設計軌道を通るような制御が行われる。ま
た、ビームを水平方向および垂直方向へ収束させるため
の四極電磁石の磁場強度もビームの運動量の増加に同期
して増加させる制御が行われる。

【０００７】ビームの運動量増加率と磁場強度の変化率
との間で同期を通る方法としては、偏向電磁石の磁場強
度を磁場測定用サーチコイルで測定し、磁場強度の変化
毎に制御クロック（Ｂクロック）を発生し、Ｂクロック
を基に高周波加速電圧の周波数を決定する方法がある。

【０００８】しかし、この方法によっても、偏向電磁石
の磁場強度変化と高周波電圧の周波数変化に同期が取れ
ないと、ビームは真空ダクトなどに衝突して失われビー
ム損失が生じる。そこで、ビーム位置モニタによってビ
ームの設計軌道からの変位を測定し、ビームが設計軌道
を周回するために必要な高周波電圧の周波数を算出し、
この算出値にしたがって高周波加速空胴に対して適切な
周波数の高周波加速電圧を印加するようになっている。

【０００９】この高周波加速電圧によって進行方向への
収束力を受けて、バンチ化されたビームは、ビーム進行
方向に伸縮（バンチ形状振動）しながらシンクロトロン
内を周回することになる。

【００１０】このバンチ形状振動が激しくなると、ビー
ムは安定条件から外れ、ビーム損失に繋がるので、高周
波加速電圧の振幅を適切に制御する必要がある。そこ
で、ビーム位置モニタによって、ビームのバンチ形状振
動を測定し、この測定結果を基に、高周波加速電圧の振
幅を制御することが行われている。

【００１１】一方、シンクロトロンに設置される偏向電
磁石や四極電磁石などの据付けに誤差が生じたり、磁場
強度に誤差が生じたりすると、ビームは設計軌道からず
れた軌道を周回する。そしてビームの設計軌道からの変
位が大きくなると、ビーム損失に繋がるので、ビーム位
置モニタによって得られたビーム位置情報を基に、ビー
ムが実際に通る軌道の設計軌道からの歪み（ＣＯＤ）を
軌道補正用電磁石（ステアリング電磁石）などで補正す
ることが行われている。

【００１２】主にシンクロトロンにおいて用いられてい
るビーム位置モニタとしては、三角電極型ビーム位置モ
ニタがある。この三角電極型ビーム位置モニタに関して
は、例えば、Ｈ．Ｋｏｚｉｏｌ，「Ｂｅａｍｄｉａｇ
ｎｏｓｔｉｃｓｆｏｒａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ」
（ＣＡＳ，ＣＥＲＮＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＳｃｈ
ｏｏｌ，Ｆｉｆｔｈｇｅｎｅｒａｌａｃｃｅｌｅｒ
ａｔｏｒｐｈｙｓｉｃｓｃｏｕｒｓｅ，ｐｒｏｃｅ
ｅｄｉｎｇｓ）に記載されているものがあり、三角電極
型ビーム位置モニタには、水平方向のビーム位置測定用
と、垂直方向のビーム位置測定用の２種類がある。

【００１３】水平方向のビーム位置測定用三角電極型ビ
ーム位置モニタは、例えば、図１１、図１２および図１
３に示すように、基準電位を与えるための接地電極４０
ｃと、ビームの設計軌道１１０Ｃ（１Ｓ）を中心に上下
に分かれて配置された４個の信号引出電極２０ＵＬ、２
０ＵＲ、２０ＤＬ、２０ＤＲと、真空容器４０Ｂと、２
個の信号出力用端子４０Ａとを備えて構成されている。
上下２個の電極２０ＵＬと２０ＤＬは導体２０Ａを介し
て互いに接続され、上下２個の電極２０ＵＲと２０ＤＲ
は導体２０Ｂを介して互いに接続され、同一平面上にあ
る２個の信号引出電極２０ＵＬと２０ＵＲおよび２個の
信号引出電極ＤＲと２０ＤＲは、それぞれ斜めの切り込
みによって分断され、三角形形状に形成されている。

【００１４】一方、垂直方向のビーム位置測定用三角電
極型ビーム位置モニタは、図１４に示すように、三角形
形状の４個の信号引出電極１７ＵＬ、１７ＵＲ、１７Ｄ
Ｌ、１７ＤＲがそれぞれビーム６０１の進行方向に対し
て左右に分かれて配置され、上側に配置された２個の電
極１７ＵＬ、１７ＵＲは互いに導体２０Ｃを介して接続
され、下側に配置された２個の電極１７ＤＬ、１７ＤＲ
は互いに導体２０Ｄを介して接続されている。そして、
信号引出電極１７ＵＬと電極１７ＤＬとの間および信号
引出電極１７ＵＲと電極１７ＤＲとの間には鉛直軸に対
して斜め方向に交差する間隙（切り込み）が形成されて
おり、この間隙によって上下の信号引出電極が分断され
ている。さらに、上側の２個の電極１７ＵＬ、１７ＵＲ
と下側の２個の電極１７ＤＬ、１７ＤＲはそれぞれ２個
の信号出力用端子４０Ａに接続されている。

【００１５】三角電極型ビーム位置モニタによってビー
ム位置を測定するに際しては、以下に示す測定原理が採
用されている。

【００１６】具体的には、水平方向のビーム位置測定用
三角電極型ビーム位置モニタの場合には、図１１に示す
ように、ビームの通過に伴って各信号引出電極２０Ｒ、
２０Ｌ上には、静電誘導によってビームからの距離に応
じた電荷ｑ_Ｒおよびｑ_Ｌが誘起される。例えば、ビーム
の設計軌道１１０Ｃから水平方向にｘ変位した位置をビ
ームが通過すると、ビームの長さ１１０Ａを各信号引出
電極上に投影した長さＬ_ＲおよびＬ_Ｌは、電荷ｑ_Ｒおよ
びｑ_Ｌに比例した量となり、信号引出電極２０Ｌ、２０
Ｒと接地電極４０Ｃによって決定される対地静電容量を
Ｃとすると、各信号出力端子４０Ａからの出力電圧
Ｖ_Ｒ、Ｖ_Ｌは以下の式で表される。

【００１７】

【数１】

【００１８】

【数２】ここで、ｅは素電荷、Ｎはビーム位置モニタ内にあるビ
ームの粒子数、Ｌはビーム進行方向におけるビーム位置
モニタの長さ、Ｗは水平方向におけるビーム位置モニタ
の長さである。

【００１９】また、荷電粒子ビームの通過によってビー
ム位置モニタの各信号引出電極上に誘起された電荷の時
間変化量をｄｑ／ｄｔ、ビーム位置モニタからの信号を
増幅するための前置増幅器の抵抗をＲ、ビーム位置モニ
タの信号引出電極と接地電極とによって決定される対地
静電容量をＣとすると、ビーム位置モニタの電気的等価
回路は図１４に示すような回路構成となる。ここで、Ｖ
は各信号引出電極からビーム位置に比例して出力される
出力電圧Ｖ_ＲおよびＶ_Ｌに対応する。

【００２０】上記（１）式および（２）式に示した出力
電圧Ｖ_ＲおよびＶ_Ｌは、それぞれビームの設計軌道１１
０Ｃからの水平方向変位ｘと線形な関係にあるが、ビー
ム位置モニタ内のビーム強度ｅＮに比例した量である。
このため、信号処理回路においては、ビーム強度に依存
しない水平方向位置ｘとして、ビームの設計軌道からの
変位ｘを次の（３）式にしたがって算出するようになっ
ている。

【００２１】

【数３】三角電極型ビーム位置モニタを設置するに際しては、シ
ンクロトロンにおける電磁石配置（ラティス）によって
は、水平方向のベータトロン振動の振幅と、垂直方向の
ベータトロン振動の振幅がほぼ同一地点で最大になると
ころに設置することが望ましく、シンクロトロンにおい
ては、シンクロトロン直線部に、水平方向ビーム位置測
定用のビーム位置モニタと垂直方向ビーム位置測定用の
ビーム位置モニタを並べて設置する構成が採用されてい
る。

【００２２】なお、この種のビーム位置モニタに関連す
るものとしては、特開平６−２５１９００号公報、特開
平４−３５７６９８号公報、特開平６−９６８９８号公
報、特開平３−２２５８００号公報が挙げられる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術においては、
ビーム位置モニタを利用して、シンクロトロンを周回す
るビームの位置を測定するに際しては、ビームの水平方
向とビームの垂直方向の位置をそれぞれ異なるビーム位
置モニタで測定しなければならず、水平方向ビーム位置
測定用ビーム位置モニタと、垂直方向ビーム位置測定用
ビーム位置モニタをシンクロトロンの直線部に並べて設
置することが余儀なくされ、シンクロトロンを小型化す
ることが困難である。

【００２４】本発明の課題は、同じ信号引出電極を用い
てビームの水平方向位置と垂直方向位置を測定すること
ができるビーム位置モニタおよびこれを用いたシンクロ
トロンを提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、ビームの伝送路を構成する真空容器と、
基準電位が与えられて前記真空容器内に配置された基準
電極と、前記真空容器内におけるビームの設計軌道を基
準に上下に一対ずつ分かれて配置されビームの通過に伴
う電荷を誘起させる４個の信号引出電極と、前記基準電
極を基準電位として前記各信号引出電極に誘起された電
位の信号をそれぞれ出力する４個の信号引出端子とを備
え、前記信号引出電極のうち上側に配置された２個の信
号引出電極はそれぞれ上側の水平面を形成し、下側に配
置された２個の信号引出電極はそれぞれ下側の水平面を
形成してなるビーム位置モニタを構成したものである。

【００２６】前記ビーム位置モニタを構成するに際して
は、以下の要素を付加することができる。

【００２７】（１）前記信号引出電極のうち上側に配置
された２個の信号引出電極および下側に配置された２個
の信号引出電極は、それぞれ前記ビームの進行方向に対
して斜めに交差する直線状の間隙を間にして相対向して
配置されてなる。

【００２８】（２）前記４個の信号引出電極はそれぞれ
前記水平面に対して垂直な垂直面を形成し、かつ前記各
水平面と前記各垂直面によって矩形形状の枠体を形成し
てなるとともに、上側に配置された一方の信号引出電極
の垂直面および下側に配置された一方の信号引出電極の
垂直面は、それぞれ鉛直軸に対して斜めに交差する直線
状の間隙を間にして上下に分かれて配置され、上側に配
置された他方の信号引出電極の垂直面および下側に配置
された他方の信号引出電極の垂直面は、それぞれ鉛直軸
に対して斜めに交差する直線状の間隙を間にして上下に
分かれて配置されてなる。

【００２９】（３）前記信号引出電極のうち上側に配置
された２個の信号引出電極および下側に配置された２個
の信号引出電極は、それぞれ前記ビームの進行方向に沿
った直線状の間隙を間にして相対向して配置されてな
る。

【００３０】（４）前記４個の信号引出電極はそれぞれ
前記水平面に対して垂直な垂直面を形成し、かつ前記各
水平面と前記各垂直面によって矩形形状の枠体を形成し
てなるとともに、上側に配置された一方の信号引出電極
の垂直面および下側に配置された一方の信号引出電極の
垂直面は、それぞれ鉛直軸に対して直交する直線状の間
隙を間にして上下に分かれて配置され、上側に配置され
た他方の信号引出電極の垂直面および下側に配置された
他方の信号引出電極の垂直面は、それぞれ鉛直軸に対し
て直交する直線状の間隙を間にして上下に分かれて配置
されてなる。

【００３１】（５）前記４個の信号引出端子から出力さ
れる信号を演算処理してビームの設計軌道からの変位を
示す水平方向位置および垂直方向位置を算出する信号処
理回路を備えてなる。

【００３２】（６）前記信号処理回路は、上側に配置さ
れた一方の信号引出電極から出力された第１の信号と前
記一方の信号引出電極に相対向して下側に配置された一
方の信号引出電極から出力された第２の信号との和を演
算する第１の演算回路と、上側に配置された他方の信号
引出電極から出力された第３の信号と前記他方の信号引
出電極に相対向して下側に配置された他方の信号引出電
極から出力された第４の信号との和を演算する第２の演
算回路と、前記第１の演算回路の演算値と前記第２の演
算回路の演算値との差と和の比を基に前記ビームの設計
軌道からの水平方向変位となるビームの水平方向位置を
算出する水平方向位置算出回路と、前記第１の信号と前
記第３の信号との和を演算する第３の演算回路と、前記
第２の信号と前記第４の信号との和を演算する第４の演
算回路と、前記第３の演算回路の演算値と前記第４の演
算回路の演算値との差と和の比を基に前記ビームの設計
軌道からの垂直方向変位となるビームの垂直方向位置を
算出する垂直方向位置算出回路とから構成されてなる。

【００３３】前記した手段によれば、４個の信号引出電
極がビームの設計軌道を基準にして上下に２個ずつ分か
れて配置され、上側の２個の信号引出電極間と下側の２
個の信号引出電極間にはそれぞれ間隙が形成されている
ため、ビームの通過に伴って各信号引出電極に誘起され
た電荷は、ビームとの位置、接地電極の電位、信号引出
電極の大きさや信号引出電極と接地電極との距離に応じ
た電位となり、各信号引出電極に誘起された電位を信号
処理回路で演算することで、ビームの設計軌道からの水
平方向変位となるビームの水平方向位置およびビームの
設計軌道からの垂直方向変位となるビームの垂直方向位
置を求めることができる。

【００３４】具体的には、上下２個の信号引出電極に誘
起された電位の和は、上側の信号引出電極間および下側
の信号引出電極間を分離する間隙によって分けられたビ
ームの長さと線形な関係になっており、各電極の電位和
同士の差と和の比を取ることで、ビームの水平方向位置
を求めることができる。

【００３５】一方、上側の２個の信号引出電極に誘起さ
れた電位の和と、下側の２個の信号引出電極に誘起され
た電位の和は、それぞれビームから上下の電極までの距
離と線形な関係になっている。このため上側の２個の引
出電極から出力される信号の和と、下側の２個の引出電
極から出力される信号の和を演算し、この演算値の差と
和の比を求めることでビームの垂直方向位置を算出する
ことができる。

【００３６】従って、同一の信号引出電極でビームの水
平方向位置とビームの垂直方向位置を測定することがで
き、ひいては１台のビーム位置モニタによってビームの
水平方向位置と垂直方向位置を測定することが可能とな
り、このビーム位置モニタをシンクロトロンの直線部に
設置することで、シンクロトロンの小型化に寄与するこ
とができる。

【００３７】また、本発明は、荷電粒子によるビームを
前段加速器から入射する入射装置と、所定のエネルギー
まで加速されたビームを出射する出射装置と、前記入射
装置と前記出射装置とを結ぶ環状のビーム伝送路中のビ
ームに磁場を与えて前記ビームをビームの設計軌道に沿
って偏向させる偏向電磁石と、前記ビーム伝送路中のビ
ームに対して高周波加速電圧を印加して前記ビームを加
速する高周波加速空胴と、前記ビーム伝送路中のビーム
を水平方向に収束させる収束型四極電磁石と、前記ビー
ム伝送路中のビームを垂直方向に収束させる発散型四極
電磁石とを有するシンクロトロンにおいて、前記ビーム
伝送路中のビームの位置を監視するビーム位置モニタと
して、前記いずれかのビーム位置モニタを備えてなるシ
ンクロトロンを構成したものである。

【００３８】前記シンクロトロンを構成するに際して
は、信号処理回路を備えたビーム位置モニタの他に、以
下の要素を付加することができる。

【００３９】（１）前記信号処理回路により算出された
ビーム位置とビームの設計軌道との差から前記ビーム伝
送路中のビームの軌道を補正するための励磁量を算出す
る励磁量算出手段と、前記励磁量算出手段の算出による
励磁量に従った電磁力を前記ビーム伝送路中のビームに
作用させて前記ビームの軌道を補正するステアリング電
磁石とを備えてなる。

【００４０】（２）前記偏向電磁石の磁場強度を検出す
る磁場強度検出手段と、前記磁場強度検出手段の検出に
よる磁場強度に従って高周波加速電圧に関する周波数設
定値を算出する周波数設定値算出手段と、前記信号処理
回路により算出されたビーム位置とビームの設計軌道と
の差から高周波加速電圧に関する周波数補正量を算出す
る周波数補正量算出手段と、前記高周波加速空胴に高周
波加速電圧を供給する発振器と、前記周波数設定値算出
手段の算出による周波数設定値と前記周波数補正量算出
手段の算出による周波数補正量とを加算して得られた演
算値に従って前記発振器の出力による高周波加速電圧の
周波数を補正する周波数補正手段と、前記信号処理回路
の処理により得られてバンチ形状信号を基に前記ビーム
伝送路中のビームによる位相幅振動を減衰させるための
高周波加速電圧に関する電圧補正量を算出する電圧補正
量算出手段と、前記高周波加速空胴から発生する高周波
加速電圧を検出する高周波加速電圧検出手段と、前記電
圧補正量算出手段により算出された電圧補正量と前記高
周波加速電圧検出手段により検出された高周波加速電圧
とを加算して得られた演算値に従って前記発振器の出力
による高周波加速電圧の振幅を補正する振幅補正手段と
を備えてなる。

【００４１】

【発明の実施の形態】（実施形態１）以下、本発明の一
実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第
１実施形態を示すビーム位置モニタにおける信号引出電
極の配置を説明するための斜視図、図２はビーム位置モ
ニタの縦断面図である。図１および図２において、ビー
ム位置モニタは、４個の信号引出電極１０ＵＬ、１０Ｕ
Ｒ、１０ＤＬ、１０ＤＲを備えており、各信号引出電極
１０ＵＬ、１０ＵＲ、１０ＤＬ、１０ＤＲは三角形状に
形成され、荷電粒子によるビーム１２の設計軌道１ｓを
基準に上下に一対ずつ（２個ずつ）分かれて配置されて
いる。上側に配置された信号引出電極１０ＵＬ、１０Ｕ
Ｒはそれぞれ同一平面上に上側の水平面を形成してお
り、これら信号引出電極間には、ビーム１２の進行方向
に対して斜めに交差する直線状の間隙（切り込み）１４
が形成されている。すなわち、信号引出電極１０ＵＲと
信号引出電極１０ＵＲは間隙１４を間にして、その斜辺
が相対向するように配置されている。一方、下側に配置
された２個の信号引出電極１０ＤＬ、１０ＤＲはそれぞ
れ同一平面上に下側の水平面を形成しており、これら信
号引出電極間には、ビーム１２の進行方向に対して斜め
に交差する直線状の間隙（切り込み）１６が形成されて
いる。すなわち、信号引出電極１０ＤＬ、１０ＤＲは間
隙１６を間にして、三角形の斜辺が相対向して配置され
ている。

【００４２】４個の信号引出電極１０ＵＲ〜１０ＤＲの
周囲には矩形形状（断面形状が長方形形状）の接地電極
１８が配置されており、この接地電極１８は、ビーム１
２の伝送路を構成する真空容器２０に固定され、基準電
位として接地電位が与えられている。真空容器２０の壁
面には４個の信号引出端子２２ＵＬ、２２ＵＲ、２２Ｄ
Ｌ、２２ＤＲが２個ずつ上下に分かれて配置されてい
る。そして各信号引出端子２２ＵＲ〜２２ＤＲは接地電
極１８に接続されているとともに、信号引出端子２２Ｕ
Ｌは信号引出電極１０ＵＬに、信号引出端子２２ＵＲは
信号引出電極１０ＵＲに、信号引出端子２２ＤＬは信号
引出電極１０ＤＬに、信号引出端子２２ＤＲは信号引出
電極１０ＤＲにそれぞれ接続されている。そして各信号
引出端子２２ＵＬ〜２２ＤＲからは、ビーム１２の通過
に伴って各信号引出電極１０ＵＬ〜１０ＤＲに電荷が誘
起されたときに、各信号引出電極１０ＵＬ〜１０ＤＲに
誘起された電位の信号Ｖ_ＵＬ、Ｖ_ＵＲ、Ｖ_ＤＬ、Ｖ_ＤＲ
がそれぞれ接地電極１８を基準電位とした信号として信
号処理回路に出力されるようになっている。

【００４３】次に、上記構成によるビーム位置モニタの
測定原理について説明する。まず、本発明に係るビーム
位置モニタを利用して、水平方向のビーム位置を測定す
る際の測定原理について説明する。

【００４４】水平方向のビーム位置を測定するに際し
て、従来技術では２個の信号引出電極を用いてビーム位
置を測定しているのに対して、本発明に係るビーム位置
モニタでは４個の信号引出電極によってビーム位置を測
定しているが、本発明に係るビーム位置モニタによって
水平方向のビーム位置を測定する際の測定原理は、従来
技術にある三角電極型ビーム位置モニタによるビーム位
置測定の際の測定原理と同じである。

【００４５】具体的には、Ｌをビーム進行方向における
各信号引出電極の長さ、Ｗを水平方向における信号引出
電極の長さ、ｘをビーム１２の設計軌道１ｓからの水平
方向変位、Ｌ１を、信号引出電極１０ＵＬ、１０ＵＲに
よって通過ビームを分けたときに、信号引出電極１０Ｕ
Ｌ、１０ＵＲ上に投影したときの長さ、Ｌ２を、信号引
出電極１０ＤＬ、１０ＤＲによって通過ビームを分けた
ときに、信号引出電極１０ＤＬ、１０ＤＲ上に投影した
ときのビームの長さとし、各信号引出電極１０ＵＬ、１
０ＵＲ、１０ＤＬ、１０ＤＲからの出力電圧をそれぞれ
Ｖ_ＵＬ、Ｖ_ＵＲ、Ｖ_ＤＬ、Ｖ_ＤＲとすると、次の（４）
式、（５）式によって、ビームの水平方向位置を算出す
ることができる。

【００４６】

【数４】

【００４７】

【数５】ここで、ｑ１は信号引出電極１０ＵＲと１０ＤＲ上に誘
起された電荷の和であり、ｑ２は信号引出電極１０Ｕ
Ｌ、１０ＤＬ上に誘起された電荷の和である。またＣは
対地静電容量、ｅは素電荷、Ｎはビーム位置モニタ内に
あるビーム粒子の数である。

【００４８】（４）式および（５）式におけるＶ_ＵＲ＋
Ｖ_ＤＲおよびＶ_ＵＬ＋Ｖ_ＤＬはビームの設計軌道１Ｓか
らの変位ｘと線形な関係にある量であるが、ビーム強度
に比例した量でもある。そこで、Ｖ_ＵＲ＋Ｖ_ＤＲおよび
Ｖ_ＵＬ＋Ｖ_ＤＬの差と和の比を取ることで、次の（６）
式に示すように、ビーム強度に依存しない水平方向位置
ｘを得ることができる。

【００４９】

【数６】次に、本発明に係るビーム位置モニタを利用して、垂直
方向のビーム位置を測定する際の測定原理について説明
する。従来技術では、鉛直方向に沿って配置された２個
の信号引出電極によって垂直方向のビーム位置を測定し
ているのに対して、本発明では、水平方向のビーム位置
を測定するのに用いた４個の信号引出電極によっても垂
直方向のビーム位置を測定するために、４個の信号引出
電極に誘起された電位を演算処理することで垂直方向の
ビーム位置を求めることとしている。

【００５０】具体的には、上側に配置された２個の信号
引出電極１０ＵＬ、１０ＵＲからの出力電圧の和Ｖ_ＵＲ
＋Ｖ_ＵＬおよび下側に配置された２個の信号引出電極１
０ＤＬ、１０ＤＲからの出力電圧の和Ｖ_ＤＲ＋Ｖ
_ＤＬは、それぞれビームから各信号引出電極までの垂直
方向の距離に依存した量である。そこで、上側に配置さ
れた２個の信号引出電極１０ＵＬ、１０ＵＲから出力さ
れる出力電圧の和Ｖ_ＵＲ＋Ｖ _ＵＬおよび下側に配置され
た２個の信号引出電極１０ＤＬ、１０ＤＲから出力され
る出力電圧の和Ｖ_ＤＲ＋Ｖ_ＤＬを次の（７）式によって
演算することで、ビームの垂直方向位置ｙを算出する。

【００５１】

【数７】ここで、Ｈは上下の信号引出電極間の距離である。

【００５２】上記測定原理にしたがってビーム位置を測
定する場合、ビーム水平方向位置の測定精度に関して
は、従来技術と同様に、４個の信号引出電極は三角形状
に形成され、上側の信号引出電極間と下側の信号引出電
極間は斜め方向の間隙（切れ込み）１４、１６によって
分断されているため、三角電極型ビーム位置モニタと同
等の位置測定精度を得ることができる。

【００５３】しかし、ビーム垂直方向位置の測定精度に
関しては、ビームが設計軌道１Ｓから垂直方向に変位し
た位置での位置測定精度は大きく悪化することが予想さ
れる。

【００５４】そこで、本実施形態では、ビーム位置モニ
タの信号引出電極の構成や信号引出電極の大きさを静電
圧計算の結果に基づいて適切に調整することで、所望の
位置測定精度を得ることとしている。

【００５５】以下、本発明に係るビーム位置モニタによ
ってビームの垂直方向位置測定を行う際の位置測定精度
を高めるために用いる静電圧計算の計算体系とその計算
結果について説明する。

【００５６】本発明に係るビーム位置モニタでは、各信
号引出電極１０ＵＬ、１０ＵＲ、１０ＤＬ、１０ＤＲか
ら得られる各出力電圧の合成Ｖ_ＵＲ＋Ｖ_ＵＬとＶ_ＤＲ＋
Ｖ_Ｄ _Ｌを信号処理回路によって演算し、上記（７）式に
よってビームの垂直方向位置を算出する。しかし、この
ままでは、ビームが設計軌道から垂直方向に変位した位
置での位置測定精度が悪化することが予想される。そこ
で、静電圧計算の計算体系においては、ビームを模擬し
た円筒状の空間電荷の上下を覆うように配置した２個の
信号引出電極に誘起した電位をそれぞれＶ_ＵおよびＶ_Ｄ
とし、次の（８）式によって、ビームの垂直方向位置ｙ
を算出する。

【００５７】

【数８】ここで、Ｈは上下に配置した電極の間隔である。

【００５８】静電圧計算の計算体系においては、計算上
のモデルとして、水平面を形成する２個の信号引出電極
に誘起された電位に基づいてビームの垂直方向位置ｙを
算出しているが、このモデルによってもビームの垂直方
向位置を精度良く測定できる結果を図３に示す。

【００５９】図３は、ビーム位置モニタ内に配置した空
間電荷を垂直方向に移動させたときの設計軌道からの変
位を横軸に取り、（８）式によって得られる垂直方向の
電荷位置を縦軸に取ったときの計算結果である。図３に
おける各プロットは、上下の信号引出電極の距離Ｈを
６．８ｃｍから１６．８ｃｍまで広げたときの結果であ
る。

【００６０】図３において、ビーム位置の測定精度に関
する要件はシンクロトロンを周回するビームの種類、ビ
ームサイズ、ビーム強度によって異なるが、このモデル
では、直径５ｍｍの陽子ビームが１０^７個シンクロトロ
ン内を周回しているものとし、垂直方向位置の測定精度
としては、ビームの設計軌道を中心に±１ｃｍの範囲
で、１ｍｍ以下の位置測定精度が得られることを要件と
した。また、各信号引出電極の水平方向における長さＷ
は２０ｃｍとした。図３に示す計算結果によれば、Ｈを
１６．８ｃｍまで広げても、リニアリティが良く、所望
の位置測定精度が得られることが分かる。

【００６１】ここで、ビームが水平方向に変位した際の
垂直方向位置測定精度に対する影響を静電圧計算によっ
て見積もった計算結果を図４に示す。この計算では上下
の電極間の距離Ｈは６．８ｃｍとした。この計算結果か
ら、水平方向にビームが変位しても、ビームの変位と、
（８）式によって得られた計算結果との間の線形関係は
保たれているが、各プロットを一次式で近似した際の傾
きは、水平方向変位が大きくなると変化する。理想的に
は、水平方向へのビームの変位に追従して、（８）式に
よって得られた値を補正することが望ましい。しかし、
ビームの水平方向位置と垂直方向位置を同じに利用する
制御系では、このような方法を利用することは困難であ
る。また上下の電極間の距離Ｈを６．８ｃｍから１６．
８ｃｍまで広げると、傾きは大きく変化し、ビームの設
計軌道を中心に±１ｃｍの範囲で、１ｍｍ以下の位置測
定精度を得るという、前記要件を達成することが困難に
なる。そこで、本実施形態では、上下の信号引出電極間
の距離Ｈを６．８ｃｍとした。

【００６２】また、ビームと真空容器２４側面との距離
が近くなると、ビーム中の電荷から出る電気力線は真空
容器２４の壁面に多く吸込まれ、これによってビーム位
置の測定精度は悪化する。このため、理想的には、電荷
から出る電気力線が全て信号引出電極１０ＵＬ〜１０Ｄ
Ｒに吸込まれることが望ましい。そこで、垂直方向のビ
ーム位置測定精度を確保するためには、前述したよう
に、上下の信号引出電極間の距離Ｈを適度に短くするこ
と以外に、各信号引出電極の水平方向の長さを、ビーム
の水平方向の変位、またはビームの水平方向への広がり
に対して、十分長くすることも考えられる。これによっ
て、ビームから各信号引出電極１０ＵＬ〜１０ＤＲまで
の距離は、ビームの側面にある真空容器２４の壁面まで
の距離より十分短くなり、ビーム中の電荷から出た電気
力線の多くは、上下に分かれて配置された４個の信号引
出電極１０ＵＬ〜１０ＤＲに引き込まれ、垂直方向ビー
ム位置の測定精度として十分なものが得られる。

【００６３】このように、本実施形態におけるビーム位
置モニタによれば、水平面を構成する４個の信号引出電
極１０ＵＬ〜１０ＤＲを用いて、すなわち同一の信号引
出電極を用いてビームの水平方向位置と垂直方向位置を
測定することが可能になる。

【００６４】この場合１台のビーム位置モニタによって
ビームの水平方向位置と垂直方向位置を測定できるた
め、このビーム位置モニタをシンクロトロンに設置する
ことで、シンクロトロンの小型化が可能になる。

【００６５】本発明に係るビーム位置モニタをシンクロ
トロンに設置するに際しては、水平方向および垂直方向
のベータトロン振動の振幅が共に大きくなる位置が好ま
しい。

【００６６】例えば、図５に示すように、収束型四極電
磁石４４の付近あるいは発散型四極電磁石４８の付近が
好ましい。図５はシンクロトロンの円周方向を横軸に、
シンクロトロンの円周方向に沿って、水平方向のベータ
トロン関数５０Ｘと垂直方向のベータトロン関数５０Ｙ
を求めたときの計算結果を示す図である。図５から、ビ
ームの通る軌道の設計軌道からの歪み（ＣＯＤ）を十分
な精度で測定するためには、ベータトロン振動の波長ご
とに、２個から３個のビーム位置モニタ４６を設置する
ことが望ましい。

【００６７】（実施形態２）次に、本発明の第２実施形
態を図６にしたがって説明する。本実施形態は、水平面
を形成する４個の信号引出電極１０ＵＬ〜１０ＤＲのう
ち２個の信号引出電極１０ＵＬ、１０ＤＬの左側面側に
三角形形状の垂直面を形成し、各垂直面を、鉛直軸に対
して斜めに交差する直線状の間隙（切り込み）２６を間
にして上下に分けて配置し、２個の信号引出電極１０Ｕ
Ｒ、１０ＤＲの右側面側に三角形形状の垂直面を形成
し、各垂直面を、鉛直軸に対して斜めに交差する直線状
の間隙（切り込み）２８を間にして上下に分けて配置し
たものであり、他の構成は実施形態１のものと同様であ
り、各信号引出電極１０ＵＬ〜１０ＤＲに誘起された電
荷は信号引出端子２２ＵＬ〜２ＤＲを介して、出力電圧
Ｖ_ＵＬ、Ｖ_ＵＲ、Ｖ_ＤＬ、Ｖ_ＤＲとして出力される。そ
して各出力電圧を基に信号処理回路によってビームの水
平方向位置を算出するに際しては（６）式が用いられ、
ビームの垂直方向位置を算出するに際しては（７）式が
用いられる。

【００６８】ここで、本実施形態では、４個の信号引出
電極１０ＵＬ〜１０ＤＲにそれぞれ水平面と垂直面を形
成し、全体として矩形形状の枠体を形成し、各信号引出
電極間にそれぞれ斜め方向に形成された直線状の間隙１
４、１６、２６、２８を形成しているため、水平方向の
ビーム位置ｘは（４）式および（５）式によって表さ
れ、垂直方向のビーム位置ｙは、以下の（９）式および
（１０）式で表されることから、信号処理回路によって
算出されるビーム位置と、実際のビーム位置との間には
線形な関係が成立し、優れたビーム位置測定精度が得ら
れる。

【００６９】

【数９】

【００７０】

【数１０】本実施形態によれば、４個の信号引出電極１０ＵＬ〜１
０ＤＲを用いて、すなわち１台のビーム位置モニタを用
いてビームの水平方向位置および垂直方向位置を測定す
ることができ、このビーム位置モニタをシンクロトロン
に設置したときにはシンクロトロンの小型化が可能にな
る。

【００７１】また、本実施形態によれば、ビーム１２の
周囲が４個の信号引出電極１０ＵＬ〜１０ＤＲ１０ＵＬ
〜１０ＤＲによって囲まれているため、電荷の漏れが抑
制され、ビーム位置の測定精度をより高めることが可能
になる。

【００７２】（実施形態３）次に、本発明の第３実施形
態を図７にしたがって説明する。本実施形態は、水平面
を形成する４個の信号引出電極１０ＵＬ〜１０ＤＲのう
ち２個の信号引出電極１０ＵＬ、１０ＤＬの左側面側に
長方形形状の垂直面を形成し、これら垂直面を、ビーム
１２の進行方向１ｓに沿った（ビーム進行方向と平行）
直線状の間隙３０を間にして上下に分けて配置し、２個
の信号引出電極１０ＵＲ、１０ＤＲの右側面側に長方形
形状の垂直面を形成し、これら垂直面を、ビームの進行
方向に沿った（ビームの進行方向と平行）直線状の間隙
（切れ込み）３２を間にして上下に分けて配置し、全体
として矩形形状の枠体を形成したものであり、他の構成
は第１実施形態のものと同様である。

【００７３】各信号引出電極１０ＵＬ〜１０ＤＲはそれ
ぞれ４個の信号引出端子に接続され、各信号引出電極１
０ＵＬ〜１０ＤＲからは電圧Ｖ_ＵＬ、Ｖ_ＵＲ、Ｖ_ＤＬ、
Ｖ_Ｄ _Ｒが出力される。そして、各信号引出電極１０ＵＬ
〜１０ＤＲから出力された電圧Ｖ_ＵＬ、Ｖ_ＵＲ、
Ｖ_ＤＬ、Ｖ_ＤＲをビーム位置モニタの信号処理回路で処
理することで、ビームの水平方向位置は（６）式によっ
て求められ、ビームの垂直方向位置は（７）式によって
求められる。

【００７４】本実施形態におけるビーム位置モニタで
は、水平方向のビーム位置測定の際は、各信号引出電極
１０ＵＬ〜１０ＤＲ間の間隙１４、１６を利用している
ため、各出力電圧とビーム水平方向位置との間には、
（４）式および（５）式の関係が成立し、三角電極型ビ
ーム位置モニタと同等の水平方向位置測定精度が得られ
る。

【００７５】また、本実施形態においては、ビームの垂
直方向位置の測定の際には、ビームの左右を覆うように
垂直面が形成されているため、モニタ内のビーム電荷か
らでた電気力線の多くは各信号引出電極に吸込まれる。
これによって、優れた垂直方向ビーム位置測定精度が得
られる。

【００７６】ビーム位置モニタの信号引出電極１０ＵＬ
〜１０ＤＲとしては、水平面の形状を長方形形状に形成
し、上側の信号引出電極間および下側の信号引出電極間
にビームの進行方向に沿った直線状の間隙を形成する構
成を採用することも可能である。

【００７７】（実施形態５）次に、本発明に係るビーム
位置モニタの信号処理回路の実施形態を図８にしたがっ
て説明する。

【００７８】本実施形態における信号処理回路において
は、以下のことを考慮してヘテロダイン検波方式が採用
されている。すなわち、前段加速器である高周波線形加
速器からシンクロトロンに入射された、エネルギー約１
０ＭｅＶの陽子ビームを約２５０ＭｅＶまで順次加速す
ると、ビームの周回周波数は、シンクロトロンを周回す
るごとに約１ＭＨｚ〜６ＭＨｚに渡る。そこで、このビ
ームの周回周波数帯域におけるビーム位置のアナログ演
算精度を向上させるために、信号処理回路ではヘテロダ
イン検波方式が採用されている。ヘテロダイン検波方式
によって周波数変換が行われると、ビーム位置モニタか
らの信号を周波数ｆ_１のサイン波とし、これを周波数ｆ
_０＋ｆ_１のサイン波である高周波信号とミキシングする
ことによって、ｓｉｎ（ｆ_１）×ｓｉｎ（ｆ_０＋ｆ_１）
＝（１／２）×〔ｃｏｓ（ｆ_０）−ｃｏｓ（２ｆ_１＋ｆ
_０）〕が得られる。この演算によって得られた信号を帯
域通過フィルタを通過させることで、不要な周波数２ｆ
_１＋ｆ_０成分を取り除くことができ、一定周波数ｆ_０に
変換された信号を処理することができる。

【００７９】信号処理回路は、信号入力端子１６１〜１
６４、分配・合成部１６５、加算器１６６〜１６８、増
幅器１６９、１７０、乗算器１７１〜１７４、帯域通過
フィルタ１７５〜１７８、乗算器１７９〜１８２、低域
通過フィルタ１８３〜１８６、加算器１８７、減算器１
８８、加算器１８９、減算器１９０、位置検出器１９
１、１９２、包絡線検波器１９３、乗算器２１０、２１
１、位置信号増幅器２１２、２１３、増幅器２１４を備
えて構成されている。

【００８０】信号入力端子１６１〜１６４には、それぞ
れ各信号引出電極１０ＵＲ、１０ＤＲ、１０ＵＬ、１０
ＤＬからの出力電圧Ｖ_ＵＲ、Ｖ_ＤＲ、Ｖ_ＵＬ、Ｖ_ＤＬが
入力されており、各出力電圧は分配・合成部１６５にお
いて、分配・合成され、分配・合成部１６５からは、Ｖ
_ＵＲ＋Ｖ_ＤＲの合成によるＲ信号、Ｖ_ＵＬ＋Ｖ_ＤＬの合
成によるＬ信号、Ｖ_ＵＬ＋Ｖ_ＵＲの合成によるＵ信号、
Ｖ_ＤＲ＋Ｖ_ＤＬの合成によるＤ信号が出力されるように
なっている。各Ｒ、Ｌ、Ｕ、Ｄ信号は加算器１６６、１
６７、１６８によって加算され、バンチ形状信号として
出力されるようになっている。さらに各出力信号の和
（Ｒ＋Ｌ＋Ｕ＋Ｄ）の信号は包絡線検波器１９３によっ
て包絡線検波された後、増幅器２１４によって増幅さ
れ、ビーム強度のピーク値を示す信号として出力される
ようになっている。この場合、包絡線検波に用いるダイ
オードには順方向のバイアスを印加し、入力信号の振幅
に対する出力信号の線形性を良くすることができる。ま
たダイオードの出力側には、低域通過フィルタを設け、
１〜６ＭＨｚの入力信号に対して滑らかな包絡線検波が
可能なように、遮断周波数を６０ｋＨｚとしている。こ
れは、バンチ形状の進行方向への振動の最大周波数１０
ｋＨｚを検出するためにも十分な値である。

【００８１】また、各Ｒ、Ｌ、Ｕ、Ｄ信号と、検波用高
周波入力端子から入力された高周波信号（７２〜７７Ｍ
Ｈｚ）を増幅器１６９で増幅して得られた信号とを乗算
器１７１〜１７４でミキシング（乗算）し、ミキシング
された信号をそれぞれ中心周波数７１ＭＨｚの帯域通過
フィルタ１７５〜１７８を通すことで、基本周波数成分
が一定周波数の７１ＭＨｚの信号に変換することができ
る。これによって不要な周波数成分を除去することがで
きる。さらに、各信号に対して、局部発振器入力端子か
ら入力された７０．５４５ＭＨｚの信号を増幅器１７０
で増幅した信号と乗算器１７９〜１８２でミキシング
（乗算）し、低域通過フィルタ１７５〜１７８を通過し
た７１ＭＨｚの信号を４５５ｋＨｚの信号に変換し、さ
らにこれらの信号を低域通過フィルタ１８３〜１８６を
通すことで、不要な上側波帯を除去することができる。
この後一定周波数（４５５ｋＨｚ）に変換された各Ｒ、
Ｌ、Ｕ、Ｄの信号は加算器１８７、１８９、減算器１８
８、１９０に入力され、これら加算器の加算処理によっ
て（Ｒ＋Ｌ）、（Ｕ＋Ｄ）の信号が得られるとともに、
各減算器の減算処理によって、（Ｒ−Ｌ）、（Ｕ−Ｄ）
の信号が得られる。すなわちこれらの加算、減算処理に
より、〔（Ｖ_ＵＲ＋Ｖ_ＤＲ）＋（Ｖ_ＵＬ＋Ｖ_Ｄ _Ｌ）〕、
〔（Ｖ_ＵＲ＋Ｖ_ＤＲ）−（Ｖ_ＵＬ＋Ｖ_ＤＬ）〕、〔（Ｖ
_ＵＬ＋Ｖ_ＵＲ）＋（Ｖ_ＤＲ＋Ｖ_ＤＬ）〕、〔（Ｖ_ＵＬ＋
Ｖ_ＵＲ）−（Ｖ_ＤＲ＋Ｖ_ＤＬ）〕が得られる。

【００８２】加算、減算処理によって得られた信号はそ
れぞれ位置検出器１９１、１９２に入力される。各位置
検出器１９１、１９２では、振幅位相変換方式によっ
て、減算信号と加算信号の振幅比を高周波信号の位相差
に変換し、この位相差を位相検出器で検出することによ
って各信号の除算（Ｒ−Ｌ）／（Ｒ＋Ｌ）および（Ｕ−
Ｄ）／（Ｕ＋Ｄ）が行われる。そして各演算処理によ
り、（６）式による水平方向位置に比例した電圧〔（Ｖ
_ＵＲ＋Ｖ_ＤＲ）−（Ｖ_ＵＬ＋Ｖ_ＤＬ）〕／〔（Ｖ_Ｕ _Ｒ＋
Ｖ_ＤＲ）＋（Ｖ_ＵＬ＋Ｖ_ＤＬ）〕および、（７）式によ
る垂直方向位置に比例した電圧〔（Ｖ_ＵＬ＋Ｖ_ＵＲ）−
（Ｖ_ＤＲ＋Ｖ_ＤＬ）〕／〔（Ｖ_ＤＬ＋Ｖ_ＵＲ）＋（Ｖ
_ＤＲ＋Ｖ_ＤＬ）〕が算出される。

【００８３】このときの水平方向のビーム位置を検出す
る位置検出器１９１では、加算信号（Ｒ＋Ｌ）および減
算信号（Ｒ−Ｌ）をπ／２分配器１９４、１９５に入力
し、加算器１９８では（Ｒ＋Ｌ）ｓｉｎ（ωｔ＋φ＋π
／２）と（Ｒ−Ｒ）ｓｉｎ（ωｔ＋φ）で加算演算を行
い、他方の加算器１９９では、（Ｒ＋Ｌ）ｓｉｎ（ωｔ
＋φ）と（Ｒ−Ｌ）ｓｉｎ（ωｔ＋φ＋π／２）で加算
演算を行う。そして各加算器１９８、１９９で合成した
信号は振幅制限増幅器２０２、２０３で一定振幅の信号
に波形整形された後、乗算器２０６でミキシングされ、
このミキシングにより、ｃｏｓ（ωｔ＋φ−α）×ｓｉ
ｎ（ωｔ＋φ＋α）＝１／２ｓｉｎ（２α）＋１／２ｓ
ｉｎ（２ωｔ＋２φ）が得られる。

【００８４】ここで、ωはビームの周回周波数。φはビ
ームの位相、αはｔａｎα＝（Ｒ−Ｌ）／（Ｒ＋Ｌ）で
与えられる。そしてミキシングによって得られた信号は
低域通過フィルタ２０８で低周波成分のみが抽出され、
位置検出器１９１の出力信号として、（１／２）×ｓｉ
ｎ（２α）の信号が得られる。この場合、αはｔａｎα
＝（Ｒ−Ｌ）／（Ｒ＋Ｌ）で与えられるので、低域通過
フィルタ２０８を通過した信号は、乗算器２１０によっ
て、水平方向ビーム位置信号の変位１ｃｍ当たり、信号
出力が１Ｖになるように乗算される。この信号が増幅器
２１２で増幅されると、水平位置出力端子からは、ビー
ムの水平方向位置を示す出力電圧が得られることにな
る。

【００８５】ビームの垂直方向位置に関しては、同様
に、位置検出器１９２において振幅位相変換方式による
演算が行われ、この演算値が乗算器２１１に入力される
と、乗算器２１１において、垂直方向ビーム位置信号の
変位１ｃｍ当たり、出力信号が１Ｖになるような乗算が
行われる。これによって、垂直位置出力端子からは、ビ
ームの垂直方向位置を示す電圧が出力される。

【００８６】このように、本実施形態によれば、４個の
信号引出電極１０ＵＲ、１０ＤＲ、１０ＵＬ、１０ＤＬ
から得られた信号を信号処理回路によって演算処理する
ことで、１台のビーム位置モニタによってもビームの水
平方向位置および垂直方向位置を算出することができ
る。これによって、ビーム位置モニタに示す信号処理回
路を設置する場合でも設置および製作のコストの低減を
図ることができる。

【００８７】また、本実施形態によれば、ビームの周回
周波数が、例えば、１ＭＨｚから６ＭＨｚのように大き
く変化するようなシンクロトロンでは、ヘテロダイン検
波方式を用いることで、ビーム位置のアナログ演算を広
い周波数帯域に渡って精度良く行うことができる。

【００８８】（実施形態５）次に本発明の第５実施形態
を図９にしたがって説明する。本実施形態は、ビーム位
置モニタを利用してビームの軌道補正（ＣＯＤ補正）を
行うようにしたものである。すなわち、シンクロトロン
では、偏向電磁石や四極電磁石の磁場強度や据付けに誤
差が生じると、ビームの軌道が設計軌道か歪む（ＣＯ
Ｄ）ことがある。そこで、ビーム位置モニタから得たビ
ーム位置情報を基に軌道補正用電磁石（ステアリング電
磁石）によって新たなＣＯＤを作り出し、誤差磁場など
でできたＣＯＤを打ち消すことでビームの軌道補正を行
うこととしている。

【００８９】具体的には、シンクロトロンにｎ個のビー
ム位置モニタ４６Ｍ１〜４６Ｍｎが配置されているとき
に、ｍ個の水平方向軌道補正用電磁石（ステアリング電
磁石）６０ＣＨ１〜６０ＣＨｍを配置するとともにｍ個
の垂直方向軌道補正用電磁石（ステアリング電磁石）６
２ＣＶ１〜ＣＶｍを配置し、各ビーム位置モニタ４６Ｍ
１〜４６Ｍｎを信号処理回路５６Ｄ１〜５６Ｄｎを介し
てフィードバック制御装置５４に接続し、フィードバッ
ク制御装置５４をビーム軌道表示装置５２に接続すると
ともに電磁石電源５８Ｈ、５８Ｖに接続し、各電磁石電
源５８Ｈ、５８Ｖをそれぞれ電磁石６０ＣＨ１〜６０Ｃ
Ｈｍ、６２ＣＶ１〜６２ＣＶｍに接続し、ＣＯＤ補正装
置を構成する。この場合、補正用電磁石の数ｍとビーム
位置モニタの数ｎはシンクロトロンの規模と、ビーム軌
道の補正精度にも依存するが、本実施形態では、ｍ＝１
６、ｎ＝１６としている。

【００９０】各ビーム位置モニタ４６Ｍ１〜４６Ｍｎか
ら出力された出力電圧Ｖ_ＵＲ、Ｖ_Ｄ _Ｒ、Ｖ_ＵＬ、Ｖ_ＤＬ
はそれぞれ信号処理回路５６Ｄ１〜５６Ｄｎに入力さ
れ、各信号処理回路５６Ｄ１〜５６Ｄｎにおいて、各ビ
ーム位置モニタ４６Ｍ１〜４６Ｍｎの検出による水平方
向ビーム位置と垂直方向ビーム位置が算出され、各算出
結果がフィードバック制御装置５４に出力される。そし
てこの算出結果は、フィードバック制御装置５４におい
て、要素１６個の水平方向位置ベクトルｘと、要素１６
個の垂直方向位置ベクトルｙとして保存される。

【００９１】ここで、ｋ番目の軌道補正用電磁石ＣＨｋ
による偏向角をθｋとすると、ｉ番目のビーム位置モニ
タ４６Ｍｉの位置での水平方向ビーム位置Ｘｊｋは次の
（１１）式で表される。

【００９２】

【数１１】ここで、βｉ、βｋはｉ番目のビーム位置モニタの位置
とｋ番目の軌道補正用電磁石の位置におけるベータトロ
ン関数、γはベータトロン振動周波数、φｉ、φｋはｉ
番目のビーム位置モニタの位置とｋ番目の軌道補正用電
磁石の位置における位相である。

【００９３】次に、Ａを要素１６×１６のマトリクスと
し、その要素ａｉｋを以下の（１２）式で与えると、要
素１６個の残差ベクトルｒのノルム｜ｒ｜＝｜ｘ＋Ａθ
｜を最小にする要素１６個のベクトルθをフィードバッ
ク制御装置５４において算出する処理が行われる。

【００９４】

【数１２】次に、補正用電磁石に供給する電流とθは比例関係にあ
ることを利用し、フィードバック制御装置５４では、励
磁量算出手段として、ＣＯＤ補正に最適な電流値（励磁
量）を算出し、各電磁石電源５８Ｈ、５８Ｖを駆動し、
各補正用電磁石６０ＣＨ１〜６０ＣＨｍ、６２ＣＶ１〜
６２ＣＶｍに最適な電流値Ｉｘ１〜Ｉｘｍ、Ｉｙ１〜Ｉ
ｙｍを供給する。これにより各補正用電磁石からビーム
伝送路中のビームには電流値（励磁量）にしたがった電
磁力が作用し、ビームの軌道が修正（補正）される。

【００９５】なお、ビーム軌道表示装置５２にはビーム
位置情報や各補正用電磁石の励磁量などの情報が表示さ
れるため、運転員はこれらの情報を常時確認することが
できる。

【００９６】このように、本実施形態によれば、ビーム
位置モニタによって、水平方向および垂直方向のビーム
位置を検出し、検出されたビーム位置とビームの設計軌
道との差からビームの軌道を補正するための励磁量がフ
ィードバック制御装置５４によって算出され、この励磁
量にしたがった電磁力が各補正用電磁石からビームに作
用するため、偏向電磁石や四極電磁石の磁場強度や据付
けに誤差が生じても、ビームの軌道を設計軌道に補正す
ることができる。

【００９７】（実施形態６）次に、本発明の第６実施形
態を図１０にしたがって説明する。本実施形態は、ビー
ム位置モニタを利用して高周波加速電圧を制御するよう
にしたものである。すなわち、シンクロトロンでは、加
速段階において、ビームの運動量上昇に対して、ビーム
を一定の設計軌道上を周回させるために、ビームの運動
上昇に合わせて偏向電磁石の磁場強度を強める必要があ
る。またビームの周回周波数の上昇に対して安定に加速
を維持するために、周回周波数の上昇に合わせて高周波
加速電圧の周波数を増加させる必要がある。そこで、高
周波加速制御系では、偏向電磁石の磁場強度の変化を検
出し、この検出結果に同期して高周波加速電圧の周波数
を制御することとしている。

【００９８】高周波加速電圧を制御するための高周波加
速制御系は、図１０に示すように、偏向電磁石４２、信
号処理回路を含むビーム位置モニタ４６、高周波加速空
胴７０、偏向電磁石４２の磁極間に設置されて磁場強度
を測定するサーチコイル（図示省略）、高周波加速空胴
７０、空胴電圧モニタ（図示省略）、磁場クロック発生
装置６４、表示装置５２、フィードバック制御装置５
４、発振器６６、電力増幅器６８から構成されている。

【００９９】高周波加速制御系によって高周波加速電圧
の周波数をフィードバック制御するに際しては、偏向電
磁石４２に設置されたサーチコイル（磁場強度検出手
段）によってコイル端に発生した誘導起電力を測定する
ことによって、磁場強度を測定し、磁場強度測定値を磁
場クロック発生装置６４に出力する。磁場クロック発生
装置６４では、磁場強度測定値をＶ／Ｆ（電圧／周波
数）変換し、磁場強度の微小変化ごとに制御クロック
（磁場クロック信号）を生成し、磁場クロック信号を指
令としてフィードバック制御装置５４に伝送する。フィ
ードバッック制御装置５４では、磁場クロック信号に基
づいて、高周波加速電圧の周波数設定値を算出する。す
なわちフィードバック制御装置５４は磁場強度にしたが
って高周波加速電圧に関する周波数設定値を算出する周
波数設定値算出手段として構成されている。

【０１００】またフィードバック制御装置５４では、ビ
ーム位置モニタ４６の信号処理回路によって演算された
水平方向ビーム位置信号を基に、水平方向のビーム位置
と水平方向の設計軌道との差を算出し、この算出値から
高周波加速電圧に関する周波数補正量を算出する。すな
わちフィードバック制御装置は周波数補正量算出手段と
しての機能も備えて構成されている。さらに、フィード
バック制御装置５４では、磁場クロック信号に基づいて
設定された周波数設定値と、ビーム位置モニタ４６から
の信号に基づいて算出された周波数補正量とを加算演算
し、この演算値にしたがって発振器６６の出力による高
周波加速電圧の周波数を補正する。すなわちフィードバ
ック制御装置５４は周波数補正手段としての機能も備え
て構成されている。

【０１０１】フィードバック制御装置５４により、周波
数補正用の演算値にしたがって発振器６６の周波数が補
正されると、周波数の補正された低電力高周波電圧が発
振器６６から出力され、この低電力高周波電圧は電力増
幅器６８で増幅された後、高周波加速空胴７０に印加さ
れる。これにより磁場強度の変化に同期して高周波加速
電圧の周波数を制御することができる。

【０１０２】次に、高周波電圧の周波数が上昇するに伴
ってバンチ化されたビームは、ビーム進行方向に伸縮
（位相幅振動）しながらシンクロトロン内を周回する。
この位相幅振動が激しくなると、ビームは安定領域から
外れ、失われる可能性がある。そこで、ビーム位置モニ
タによって測定したバンチ形状の伸縮を基に高周波加速
電圧をフィードバック制御することとしている。

【０１０３】具体的には、フィードバック制御装置５４
では、電圧補正量算出手段として、ビーム位置モニタ４
６の信号処理回路によって演算処理されたバンチ形状信
号を基に、ビームによる位相幅振動を減衰させるために
適切な高周波加速電圧の電圧補正量を算出する。またフ
ィードバック制御装置５４では、振幅補正手段として空
胴電圧モニタ（高周波加速電圧検出手段）によって測定
された空胴電圧値（高周波加速電圧）と、高周波加速電
圧の電圧補正量とを加算演算し、この演算値にしたがっ
て発振器６６の出力による高周波加速電圧の振幅を補正
する。これにより、発振器６６からは、振幅の補正され
た低電力高周波電圧が出力され、この低電力高周波電圧
は電力増幅器６８で増幅された後、高周波加速空胴７０
に印加される。このように、バンチ形状の伸縮を基に高
周波加速電圧の振幅が制御されるため、ビームによる位
相幅振動を抑制しビームを安定領域に維持することがで
きる。

【０１０４】本実施形態によれば、ビームの水平方向位
置を三角電極型ビーム位置モニタと同等の位置測定精度
で測定し、これを基に高周波加速電圧の周波数および振
幅をフィードバック制御しているため、三角電極型ビー
ム位置モニタと同等の周波数制御精度を得ることが可能
になる。

【０１０５】以上のように、本発明に係るビーム位置モ
ニタによれば、１台のビーム位置モニタで水平方向と垂
直方向のビーム位置を測定できるため、約半分の設置ス
ペースでビーム位置モニタを設置することができるとと
もに、シンクロトロンの直線部にビーム位置モニタを設
置したときには、ビーム位置モニタの占有する長さを低
減でき、シンクロトロンを小型化することができる。

【０１０６】また、１台のビーム位置モニタを設置すれ
ば良いため、ビーム位置モニタの設置費用を低減するこ
とができるとともに、ビーム位置モニタの製作費用の低
減を図ることができる。

【０１０７】さらに、水平方向のビーム位置を測定する
際は、三角電極型ビーム位置モニタと同等の位置測定精
度が得られ、垂直方向の位置測定精度に関しては、電極
の構造や大きさを適切に調整することで、三角電極型ビ
ーム位置モニタと同等の位置測定精度が得られる。

【０１０８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
同一の信号引出電極でビームの水平方向位置とビームの
垂直方向位置を測定するようにしたため、１台のビーム
位置モニタによってビームの水平方向位置と垂直方向位
置を測定することができ、このビーム位置モニタをシン
クロトロンに設置することで、シンクロトロンの小型化
に寄与することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すビーム位置モニタで
あって、このビーム位置モニタに用いられる信号引出電
極の配置例を示す斜視図である。

【図２】本発明の第１実施形態を示すビーム位置モニタ
の縦断面図である。

【図３】垂直方向の電荷位置と（８）式による垂直方向
の電荷位置との関係を示す特性図である。

【図４】（ａ）は垂直方向の電荷位置と（８）式による
垂直方向の電荷位置との関係を示す特性図、（ｂ）は水
平方向の電荷位置と一次式で近似した際の傾きとの関係
を示す特性図である。

【図５】シンクロトロンに設置された各機器と水平方向
のベータトロン関数および垂直方向のベータトロン関数
との関係を示す特性図である。

【図６】本発明の第２実施形態を示すビーム位置モニタ
の斜視図である。

【図７】本発明の第３実施形態を示すビーム位置モニタ
の斜視図である。

【図８】ビーム位置モニタに用いられる信号処理回路の
ブロック構成図である。

【図９】本発明の第５実施形態を示すＣＯＤ補正装置の
ブロック構成図である。

【図１０】本発明の第６実施形態を示す高周波加速制御
系のブロック構成図である。

【図１１】従来の水平方向位置測定用三角電極型ビーム
位置モニタの要部平面図である。

【図１２】従来の水平方向位置測定用三角電極型ビーム
位置モニタの斜視図である。

【図１３】従来の水平方向位置測定用三角電極型ビーム
位置モニタの断面図である。

【図１４】従来の垂直方向位置測定用三角電極型ビーム
位置モニタの断面図である。

【図１５】従来の三角電極型ビーム位置モニタの電気的
等価回路図である。

【符号の説明】

１０ＵＬ、１０ＵＲ、１０ＤＬ、１０ＤＲ信号引出電
極１２ビーム１４、１６間隙１８接地電極２２ＵＬ、２２ＵＲ、２２ＤＬ、２２ＤＲ信号引出端
子２４真空容器２６、２８、３０、３２間隙４２偏向電磁石４４収束型四極電磁石４６Ｍ１〜４６Ｍｎビーム位置モニタ４８発散型四極電磁石５２表示装置５４フィードバック制御装置５６Ｄ１〜５６Ｄｎ信号処理回路５８Ｈ、５８Ｖ電磁石電源６０ＣＨ１〜６０ＣＨｍ水平方向軌道補正用電磁石６２ＣＶ１〜６２ＣＶｍ垂直方向軌道補正用電磁石６４磁場クロック発生装置６６発振器６８電力増幅器７０高周波加速空胴１６５分配・合成部１７５〜１７８帯域通過フィルタ１８３〜１８６低域通過フィルタ１９１、１９２位置検出器１９３包絡線検波器

フロントページの続きＦターム(参考） 2G085 AA13 BA05 BA14 CA02 CA15 CA16 CA17 CA20 CA26 CA27 2G088 FF12 FF14 GG25 GG30 JJ01 KK06 KK07 KK24 KK29 KK32 KK35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ビームの伝送路を構成する真空容器と、
基準電位が与えられて前記真空容器内に配置された基準
電極と、前記真空容器内におけるビームの設計軌道を基
準に上下に一対ずつ分かれて配置されビームの通過に伴
う電荷を誘起させる４個の信号引出電極と、前記基準電
極を基準電位として前記各信号引出電極に誘起された電
位の信号をそれぞれ出力する４個の信号引出端子とを備
え、前記信号引出電極のうち上側に配置された２個の信
号引出電極はそれぞれ上側の水平面を形成し、下側に配
置された２個の信号引出電極はそれぞれ下側の水平面を
形成してなるビーム位置モニタ。
【請求項２】請求項１に記載のビーム位置モニタにお
いて、前記信号引出電極のうち上側に配置された２個の
信号引出電極および下側に配置された２個の信号引出電
極は、それぞれ前記ビームの進行方向に対して斜めに交
差する直線状の間隙を間にして相対向して配置されてな
ることを特徴とするビーム位置モニタ。
【請求項３】請求項１または２に記載のビーム位置モ
ニタにおいて、前記４個の信号引出電極はそれぞれ前記
水平面に対して垂直な垂直面を形成し、かつ前記各水平
面と前記各垂直面によって矩形形状の枠体を形成してな
るとともに、上側に配置された一方の信号引出電極の垂
直面および下側に配置された一方の信号引出電極の垂直
面は、それぞれ鉛直軸に対して斜めに交差する直線状の
間隙を間にして上下に分かれて配置され、上側に配置さ
れた他方の信号引出電極の垂直面および下側に配置され
た他方の信号引出電極の垂直面は、それぞれ鉛直軸に対
して斜めに交差する直線状の間隙を間にして上下に分か
れて配置されてなることを特徴とするビーム位置モニ
タ。
【請求項４】請求項１に記載のビーム位置モニタにお
いて、前記信号引出電極のうち上側に配置された２個の
信号引出電極および下側に配置された２個の信号引出電
極は、それぞれ前記ビームの進行方向に沿った直線状の
間隙を間にして相対向して配置されてなることを特徴と
するビーム位置モニタ。
【請求項５】請求項１または４に記載のビーム位置モ
ニタにおいて、前記４個の信号引出電極はそれぞれ前記
水平面に対して垂直な垂直面を形成し、かつ前記各水平
面と前記各垂直面によって矩形形状の枠体を形成してな
るとともに、上側に配置された一方の信号引出電極の垂
直面および下側に配置された一方の信号引出電極の垂直
面は、それぞれ鉛直軸に対して直交する直線状の間隙を
間にして上下に分かれて配置され、上側に配置された他
方の信号引出電極の垂直面および下側に配置された他方
の信号引出電極の垂直面は、それぞれ鉛直軸に対して直
交する直線状の間隙を間にして上下に分かれて配置され
てなることを特徴とするビーム位置モニタ。
【請求項６】請求項１、２、３、４または５のうちい
ずれか１項に記載のビーム位置モニタにおいて、前記４
個の信号引出端子から出力される信号を演算処理してビ
ームの設計軌道からの変位を示す水平方向位置および垂
直方向位置を算出する信号処理回路を備えてなることを
特徴とするビーム位置モニタ。
【請求項７】請求項６に記載のビーム位置モニタにお
いて、前記信号処理回路は、上側に配置された一方の信
号引出電極から出力された第１の信号と前記一方の信号
引出電極に相対向して下側に配置された一方の信号引出
電極から出力された第２の信号との和を演算する第１の
演算回路と、上側に配置された他方の信号引出電極から
出力された第３の信号と前記他方の信号引出電極に相対
向して下側に配置された他方の信号引出電極から出力さ
れた第４の信号との和を演算する第２の演算回路と、前
記第１の演算回路の演算値と前記第２の演算回路の演算
値との差と和の比を基に前記ビームの設計軌道からの水
平方向変位となるビームの水平方向位置を算出する水平
方向位置算出回路と、前記第１の信号と前記第３の信号
との和を演算する第３の演算回路と、前記第２の信号と
前記第４の信号との和を演算する第４の演算回路と、前
記第３の演算回路の演算値と前記第４の演算回路の演算
値との差と和の比を基に前記ビームの設計軌道からの垂
直方向変位となるビームの垂直方向位置を算出する垂直
方向位置算出回路とから構成されてなるとを特徴とする
ビーム位置モニタ。
【請求項８】荷電粒子によるビームを前段加速器から
入射する入射装置と、所定のエネルギーまで加速された
ビームを出射する出射装置と、前記入射装置と前記出射
装置とを結ぶ環状のビーム伝送路中のビームに磁場を与
えて前記ビームをビームの設計軌道に沿って偏向させる
偏向電磁石と、前記ビーム伝送路中のビームに対して高
周波加速電圧を印加して前記ビームを加速する高周波加
速空胴と、前記ビーム伝送路中のビームを水平方向に収
束させる収束型四極電磁石と、前記ビーム伝送路中のビ
ームを垂直方向に収束させる発散型四極電磁石とを有す
るシンクロトロンにおいて、前記ビーム伝送路中のビー
ムの位置を監視するビーム位置モニタとして、請求項１
〜７のうちいずれか１項に記載のビーム位置モニタを備
えてなることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項９】荷電粒子によるビームを前段加速器から
入射する入射装置と、所定のエネルギーまで加速された
ビームを出射する出射装置と、前記入射装置と前記出射
装置とを結ぶ環状のビーム伝送路中のビームに磁場を与
えて前記ビームをビームの設計軌道に沿って偏向させる
偏向電磁石と、前記ビーム伝送路中のビームに対して高
周波加速電圧を印加して前記ビームを加速する高周波加
速空胴と、前記ビーム伝送路中のビームを水平方向に収
束させる収束型四極電磁石と、前記ビーム伝送路中のビ
ームを垂直方向に収束させる発散型四極電磁石とを有す
るシンクロトロンにおいて、前記ビーム伝送路中のビー
ムの位置を監視するビーム位置モニタとして、請求項６
または７に記載のビーム位置モニタを備えてなるととも
に、前記信号処理回路により算出されたビーム位置とビ
ームの設計軌道との差から前記ビーム伝送路中のビーム
の軌道を補正するための励磁量を算出する励磁量算出手
段と、前記励磁量算出手段の算出による励磁量に従った
電磁力を前記ビーム伝送路中のビームに作用させて前記
ビームの軌道を補正するステアリング電磁石とを備えて
なることを特徴とするシンクロトロン。
【請求項１０】荷電粒子によるビームを前段加速器か
ら入射する入射装置と、所定のエネルギーまで加速され
たビームを出射する出射装置と、前記入射装置と前記出
射装置とを結ぶ環状のビーム伝送路中のビームに磁場を
与えて前記ビームをビームの設計軌道に沿って偏向させ
る偏向電磁石と、前記ビーム伝送路中のビームに対して
高周波加速電圧を印加して前記ビームを加速する高周波
加速空胴と、前記ビーム伝送路中のビームを水平方向に
収束させる収束型四極電磁石と、前記ビーム伝送路中の
ビームを垂直方向に収束させる発散型四極電磁石とを有
するシンクロトロンにおいて、前記ビーム伝送路中のビ
ームの位置を監視するビーム位置モニタとして、請求項
６または７に記載のビーム位置モニタを備えてなるとと
もに、前記偏向電磁石の磁場強度を検出する磁場強度検
出手段と、前記磁場強度検出手段の検出による磁場強度
に従って高周波加速電圧に関する周波数設定値を算出す
る周波数設定値算出手段と、前記信号処理回路により算
出されたビーム位置とビームの設計軌道との差から高周
波加速電圧に関する周波数補正量を算出する周波数補正
量算出手段と、前記高周波加速空胴に高周波加速電圧を
供給する発振器と、前記周波数設定値算出手段の算出に
よる周波数設定値と前記周波数補正量算出手段の算出に
よる周波数補正量とを加算して得られた演算値に従って
前記発振器の出力による高周波加速電圧の周波数を補正
する周波数補正手段と、前記信号処理回路の処理により
得られてバンチ形状信号を基に前記ビーム伝送路中のビ
ームによる位相幅振動を減衰させるための高周波加速電
圧に関する電圧補正量を算出する電圧補正量算出手段
と、前記高周波加速空胴から発生する高周波加速電圧を
検出する高周波加速電圧検出手段と、前記電圧補正量算
出手段により算出された電圧補正量と前記高周波加速電
圧検出手段により検出された高周波加速電圧とを加算し
て得られた演算値に従って前記発振器の出力による高周
波加速電圧の振幅を補正する振幅補正手段とを備えてな
ることを特徴とするシンクロトロン。