JP2004303740A

JP2004303740A - Beam position measuring system

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Publication number: JP2004303740A
Application number: JP2004206807A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Yamamoto; 雄一山本; Sadahiro Ishi; 禎浩石; Shigeaki Matsui; 重明松井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: JP3819402B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a beam position measuring system capable of obtaining uniform amplification rate without giving temperature difference between the amplifiers for the right-hand electrode signal amplification and the left-hand electrode signal amplification. <P>SOLUTION: The measuring system comprises an electrostatic type beam position monitor 1 having a right-hand side electrode and a left-hand side electrode 3, measuring the position of charged particle beams in the accelerator accelerating the incident charged particle beams by an RF acceleration electric field or the charged particle beams extracted from this accelerator, housed in a vacuum container 9; and a beam position signal process circuit 6 that amplifies individually the output voltage from the right-hand side electrode and the output voltage from the left-hand side electrode, and computes the beam position by receiving output from a plurality of amplification circuits building-in the voltage control amplifiers 19a, 19b. An amplification rate is controlled by adding and detecting the output voltage of each voltage control amplifier of a plurality of amplification circuits, and applying negative feedback to the control voltage input terminal of each voltage control amplifier. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、医療用、工業用、および、研究の各分野に用いられる荷電粒子ビーム加速装置のビーム位置測定システムに関するものである。 The present invention relates to a beam position measuring system of a charged particle beam accelerator used in medical, industrial, and research fields.

図１０は、例えばＴｈｅ８ｔｈＳｙｍｐ．ＯｎＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９１．ＳａｉｔａｍａＪａｐａｎの「ＢＥＡＭＭＯＮＩＴＯＲＯＦＨＩＭＡＣＨＥＡＶＹ−ＩＯＮＳＹＮＣＨＲＯＴＲＯＮ」ｐ．３２０−３２２の特にＦｉｇ．２に開示されているような従来のビーム位置測定システムの構成を示すもので、図中、１は右側電極２と左側電極３とを有する静電型ビーム位置モニタであり、図１０は２個の静電型ビーム位置モニタ１が用いられる場合を示している。４ａと４ｃは各静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２の出力であるＲＦ信号を増幅するヘッドアンプ、４ｂと４ｄは左側電極３の出力であるＲＦ信号を増幅するヘッドアンプ、５ａは右側信号用のヘッドアンプ４ａと４ｃとからの出力信号を切り換える切換器、５ｂは左側信号用のヘッドアンプ４ｂと４ｄとからの出力信号を切り換える切換器、６は切換器５ａおよび５ｂで切り換えられた信号を入力して検波とビーム位置演算とを行うビーム位置信号処理回路であり、切換器５ａおよび５ｂは同一静電型ビーム位置モニタ１の出力であるヘッドアンプ４ａと４ｂ、または、４ｃと４ｄとを選択してビーム位置信号処理回路６に供給するように構成されている。 FIG. 10 shows, for example, The 8th Symp. On Accelerator Science and Technology, 1991. Saitama Japan "BEAM MONITOR OF HIMAC HEAVY-ION SYNCHROTRON" p. 320-322, especially FIG. 2 shows a configuration of a conventional beam position measuring system as disclosed in FIG. 2, where 1 is an electrostatic beam position monitor having a right electrode 2 and a left electrode 3, and FIG. 1 shows a case where the electrostatic type beam position monitor 1 is used. 4a and 4c are head amplifiers for amplifying the RF signal output from the right electrode 2 of each electrostatic beam position monitor 1; 4b and 4d are head amplifiers for amplifying the RF signal output from the left electrode 3; A switch 5b for switching the output signals from the signal head amplifiers 4a and 4c, a switch 5b for switching the output signals from the left signal head amplifiers 4b and 4d, and 6 a switch by the switches 5a and 5b. This is a beam position signal processing circuit which receives a signal and performs detection and beam position calculation. Switches 5a and 5b are head amplifiers 4a and 4b or 4c and 4d which are outputs of the same electrostatic beam position monitor 1. Is selected and supplied to the beam position signal processing circuit 6.

また、図１１は例えばＴｈｅ７ｔｈＳｙｍｐ．ＯｎＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙの「ＢＥＡＭＭＯＮＩＴＯＲＳＦＯＲＲＦＣＯＮＴＲＯＬＩＮＴＨＥＳＹＮＣＨＲＯＴＲＯＮＴＡＲＮ−II」ｐ．２１０−２１２の特にＦｉｇ．２に開示された従来のビーム位置モニタ１の電極構造を示す上面断面図と側面断面図であり、右側電極２および左側電極３はそれぞれ電極板７とアース板８とから構成され、それぞれがコの字に形成されており、アース板８を支えるサポート１０と電極板７を支える絶縁サポート１１とを介して真空容器９内にボルトなどにより組み付け固定されている。電極板７とアース板８とは静電容量の電極を構成し、右側電極２と左側電極３との間を荷電粒子ビームが通過することにより、この静電容量にはＲＦ電圧が発生し、このＲＦ電圧は右側電極２用の信号端子１２と左側電極３用の信号端子１３とを介してヘッドアンプなどの信号処理系に出力される。 FIG. 11 shows, for example, The 7th Symp. "BEAM MONITORS FOR RF CONTROL IN THE SYNCHROTRON TARN-II" of On Accelerator Science and Technology, p. 210-212, especially FIG. 2A and 2B are a top cross-sectional view and a side cross-sectional view showing an electrode structure of the conventional beam position monitor 1 disclosed in FIG. 2, wherein the right electrode 2 and the left electrode 3 are respectively composed of an electrode plate 7 and an earth plate 8, And is fixedly mounted in the vacuum vessel 9 by bolts or the like via a support 10 supporting the ground plate 8 and an insulating support 11 supporting the electrode plate 7. The electrode plate 7 and the earth plate 8 constitute an electrode having a capacitance. When a charged particle beam passes between the right electrode 2 and the left electrode 3, an RF voltage is generated in the capacitance. This RF voltage is output to a signal processing system such as a head amplifier via a signal terminal 12 for the right electrode 2 and a signal terminal 13 for the left electrode 3.

図１２は、図１０にて示した従来のビーム位置測定システムに使用されていたヘッドアンプ４ａないし４ｄの内、同一静電型ビーム位置モニタ１の出力を増幅するヘッドアンプ４ａと４ｂとで構成される一組の回路構成を示すものである。図中、２ａは静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２の電極板７とアース板８との間に形成される静電容量を示し、３ａは左側電極３による静電容量を示すものである。１４は静電容量２ａおよび３ａに並列接続される各ヘッドアンプ４ａおよび４ｂの入力抵抗、１５は入力抵抗１４の後段に設けられる電界効果トランジスタ、１６は電界効果トランジスタ１５の後段に接続され、外部から制御されて信号を減衰させるアッテネータ、１７はアッテネータ１６の後段に接続されるアンプである。 12 includes head amplifiers 4a and 4b for amplifying the output of the same electrostatic beam position monitor 1 among the head amplifiers 4a to 4d used in the conventional beam position measuring system shown in FIG. 1 shows a set of circuit configurations to be performed. In the figure, reference numeral 2a denotes a capacitance formed between the electrode plate 7 of the right electrode 2 of the electrostatic beam position monitor 1 and the ground plate 8, and 3a denotes a capacitance by the left electrode 3. is there. 14 is an input resistance of each of the head amplifiers 4a and 4b connected in parallel to the capacitances 2a and 3a, 15 is a field effect transistor provided after the input resistor 14, 16 is connected after the field effect transistor 15, An attenuator 17 controlled by the attenuator to attenuate the signal is an amplifier connected to a stage subsequent to the attenuator 16.

このような静電型ビーム位置モニタ１とヘッドアンプ４ａないし４ｄとを有して構成される従来のビーム位置測定システムにおいて、静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２と左側電極３との間を荷電粒子ビームが通過すると、各電極２および３が形成する静電容量、すなわち、図１２の静電容量２ａおよび３ａには荷電粒子ビームの電荷量と通過位置とに依存する電荷量が蓄積され、ヘッドアンプ４ａおよび４ｂの入力端子、つまり、入力抵抗１４の非接地側にはこの電荷量に比例した電圧が入力される。この入力電圧はＲＦ信号電圧であり、電界効果トランジスタ１５により低インピーダンスに変換されると共に増幅され、増幅された信号電圧はアッテネータ１６を介してアンプ１７に入力され、増幅されて切換器５ａおよび５ｂに出力される。また、静電型ビーム位置モニタ１からの入力電圧が過大の場合にはアンプ１７が飽和状態となり、入力電圧に対応した出力電圧が得られなくなるため、オペレータが外部からアッテネータ１６を制御して信号電圧を減衰させ、アンプ１７に対する入力電圧を適正化する。 In the conventional beam position measuring system including the electrostatic beam position monitor 1 and the head amplifiers 4a to 4d, the distance between the right electrode 2 and the left electrode 3 of the electrostatic beam position monitor 1 is increased. When the charged particle beam passes through, the capacitances formed by the electrodes 2 and 3, that is, the capacitances 2 a and 3 a in FIG. 12 accumulate the charge amount depending on the charge amount of the charged particle beam and the passing position. Then, a voltage proportional to this charge is input to the input terminals of the head amplifiers 4a and 4b, that is, the non-ground side of the input resistor 14. This input voltage is an RF signal voltage, which is converted to low impedance by the field effect transistor 15 and amplified, and the amplified signal voltage is input to the amplifier 17 via the attenuator 16 and is amplified and switched to the switches 5a and 5b. Is output to If the input voltage from the electrostatic beam position monitor 1 is excessively large, the amplifier 17 becomes saturated, and an output voltage corresponding to the input voltage cannot be obtained. The voltage is attenuated, and the input voltage to the amplifier 17 is optimized.

このようにして出力されるヘッドアンプ４ａないし４ｄの出力信号は図１０に示すように切換器５ａおよび５ｂに入力され、同一静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２と左側電極３とからの信号、すなわち、ヘッドアンプ４ａと４ｂ、または、４ｃと４ｄの出力信号が選択されてビーム位置信号処理回路６に与えられる。ビーム位置信号処理回路６では右側電極２からの信号電圧の振幅ＶＲと左側電極３からの信号電圧の振幅ＶＬとを検出し、
ΔＲ＝（ＶＲ−ＶＬ）／（ＶＲ＋ＶＬ）
を演算する。静電容量２ａおよび３ａに蓄積される電荷量の総和、従って上記の式の分母は荷電粒子ビームの電荷量に比例するが通過位置には依存せず、静電容量２ａおよび３ａのそれぞれの電荷量は荷電粒子ビームの通過位置により変わるため、静電型ビーム位置モニタ１の中心をＸ＝０として中心からのずれをΔＸとすれば、上記の式のΔＲはΔＸに比例することになり、ΔＲの演算により荷電粒子ビームの通過位置が測定できる。 The output signals of the head amplifiers 4a to 4d output as described above are input to the switches 5a and 5b as shown in FIG. 10, and are output from the right electrode 2 and the left electrode 3 of the same electrostatic type beam position monitor 1. The signals, that is, the output signals of the head amplifiers 4a and 4b or 4c and 4d are selected and supplied to the beam position signal processing circuit 6. The beam position signal processing circuit 6 detects the amplitude VR of the signal voltage from the right electrode 2 and the amplitude VL of the signal voltage from the left electrode 3,
ΔR = (VR−VL) / (VR + VL)
Is calculated. The sum of the amounts of charge stored in the capacitances 2a and 3a, and thus the denominator in the above equation is proportional to the charge amount of the charged particle beam but independent of the passing position, and the respective charges of the capacitances 2a and 3a Since the amount changes depending on the passing position of the charged particle beam, if the center of the electrostatic beam position monitor 1 is X = 0 and the deviation from the center is ΔX, ΔR in the above equation will be proportional to ΔX, By calculating ΔR, the passing position of the charged particle beam can be measured.

従来のビーム位置測定システムでは以上のようにして荷電粒子ビームの通過位置を測定するが、測定上に様々な課題を有している。まずその第一は、ヘッドアンプ４ａないし４ｄは内容的には同一構成であるのでそれぞれが一つの製品として個別の筐体に収納されており、温度により増幅度が変化しやすい電界効果トランジスタ１５を使用しているため、例えばヘッドアンプ４ａと４ｂとの各筐体の内部温度に温度差が生じた場合にはそれぞれの増幅率の比が変化し、荷電粒子ビーム通過位置の測定に誤差が発生して高い精度が得られない。また、第二の課題は、静電型ビーム位置モニタ１からの入力電圧が過大の場合にはオペレータがアッテネータ１６の減衰率を操作する必要があり、ヘッドアンプ４ａと４ｂの減衰率を等価にする必要性があるために測定時の操作が煩雑になると共に、操作のための図示しない外部制御機器のＩ／Ｏ点数が増加し、外部制御機器が高価なものになることである。 The conventional beam position measuring system measures the passing position of the charged particle beam as described above, but has various problems in measurement. First, since the head amplifiers 4a to 4d have the same structure in content, each is housed in a separate housing as a single product, and the field-effect transistor 15 whose amplification degree easily changes with temperature is used. For example, when there is a temperature difference between the internal temperatures of the housings of the head amplifiers 4a and 4b, the ratio of the amplification factors changes, and an error occurs in the measurement of the passing position of the charged particle beam. High accuracy cannot be obtained. The second problem is that when the input voltage from the electrostatic beam position monitor 1 is excessively large, the operator needs to operate the attenuation rate of the attenuator 16, and the attenuation rates of the head amplifiers 4a and 4b are made equivalent. Therefore, the operation at the time of measurement becomes complicated, and the number of I / O points of an external control device (not shown) for the operation increases, and the external control device becomes expensive.

さらに、従来の静電型ビーム位置モニタ１は図１１に示すように、電極板７とアース板８とが真空容器９内においてボルトなどで固定されており、両者間の間隔すなわち図１２の静電容量２ａと３ａとは真空容器９を分解しなければ再調整ができない構造になっていた。そして、電極板７は絶縁サポート１１を介して組み付けられており、絶縁サポート１１はセラミックなどの絶縁材にて構成されるため、電極板７の組み付けにあたってはボルトなどの締め付けトルクには限界があり、輸送中の振動や径年変化による枯れなどのためにボルトの緩みが発生し易く、静電容量が変化してビーム位置の測定精度が劣化するという問題があった。
このために静電容量の再調整が必要となるが、再調整には真空容器９を分解せねばならず、調整、再組立、真空引きなどに煩雑な作業と大きな労力とを必要とするばかりでなく、真空容器９を大気開放することにより水分や異物の付着が起こり、再組立後の真空特性を劣化させるというのが第三の課題である。 Further, in the conventional electrostatic beam position monitor 1, as shown in FIG. 11, an electrode plate 7 and an earth plate 8 are fixed in a vacuum vessel 9 with bolts or the like, and a gap between them, that is, a static state shown in FIG. The capacitances 2a and 3a cannot be readjusted unless the vacuum vessel 9 is disassembled. The electrode plate 7 is assembled via an insulating support 11, and since the insulating support 11 is made of an insulating material such as ceramic, there is a limit to the tightening torque of a bolt or the like when assembling the electrode plate 7. In addition, there is a problem that the bolt is easily loosened due to vibration during transportation or withering due to a change in diameter, and the capacitance is changed to deteriorate the measurement accuracy of the beam position.
For this purpose, the capacitance needs to be readjusted. However, the readjustment requires disassembly of the vacuum vessel 9, and the adjustment, reassembly, evacuation, and the like require complicated work and large labor. Rather, the third problem is that when the vacuum vessel 9 is opened to the atmosphere, moisture and foreign substances adhere to the vacuum vessel 9 and the vacuum characteristics after reassembly deteriorate.

さらにまた、このようなビーム位置測定システムでは測定データと実際のビーム位置との更正を行う必要があり、実際のビーム中心位置座標を横軸に、ビーム位置モニタの信号から算出されるビーム中心位置を縦軸にとると原点付近ではほぼ一次関数になり、この一次関数の傾きは感度係数と呼ばれる。この感度係数は例えばＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ１３２ＰＰ３２６５ー３２６９（１９９３）の図３に示されているように、ビーム位置モニタの設置されている場所におけるビームサイズに依存することが知られており、従って、正確なビーム中心位置を測定するためには正確なビームサイズを知り、感度係数を知る必要があるというのが第四の課題である。また、第五の課題は、ビーム軌道の傾きを測定する場合には、最低２個所でビーム中心、または、ビームプロファイルを測定し、これらのデータから傾きを算出する必要があるということであり、このために複数のビーム位置モニタを必要とするということである。 Further, in such a beam position measuring system, it is necessary to correct the measured data and the actual beam position. The horizontal axis represents the actual beam center position coordinates, and the beam center position calculated from the signal of the beam position monitor. Is approximately a linear function near the origin, and the slope of the linear function is called a sensitivity coefficient. This sensitivity coefficient is, for example, Jpn. J. Appl. Phys. As shown in FIG. 3 of Vol 132 PP 3265-3269 (1993), it is known to depend on the beam size at the position where the beam position monitor is installed, and therefore, the accurate beam center position is measured. The fourth problem is that it is necessary to know an accurate beam size and a sensitivity coefficient in order to perform the measurement. The fifth problem is that when measuring the inclination of the beam trajectory, it is necessary to measure the beam center or the beam profile at at least two places, and calculate the inclination from these data. This requires a plurality of beam position monitors.

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、右側電極の信号を増幅するヘッドアンプと左側電極の信号を増幅するヘッドアンプとに温度差を生じさせず、均等な増幅率が得られるようにし、ヘッドアンプ内においてビーム位置モニタからの入力電圧により増幅率を自動制御して操作の容易化を図り、高精度な荷電粒子ビーム位置の測定を可能にすると共に、電極板とアース板との間に形成される静電容量の径年変化などを真空容器を分解することなく外部から調整することを可能にし、また、感度係数の測定を容易としてビームサイズに依存しないビーム位置の測定や、ビーム軌道の傾きを１台の静電型ビームモニタで測定することが可能なビーム位置測定システムを得ることを目的とするものである。 The present invention has been made to solve such a problem, and does not cause a temperature difference between a head amplifier that amplifies the signal of the right electrode and a head amplifier that amplifies the signal of the left electrode, and achieves uniform amplification. In the head amplifier, the amplification factor is automatically controlled by the input voltage from the beam position monitor to facilitate the operation, and the highly accurate measurement of the charged particle beam position is enabled. It is possible to adjust the aging of the capacitance formed between the ground plate and the earth without externally disassembling the vacuum vessel. In addition, the sensitivity coefficient can be easily measured and the beam does not depend on the beam size. It is an object of the present invention to obtain a beam position measurement system capable of measuring a position and measuring a tilt of a beam trajectory with one electrostatic beam monitor.

この発明に係わるビーム位置測定システムは、入射された荷電粒子ビームをＲＦ加速電界により加速する加速器と、この加速器内の荷電粒子ビーム、または、この加速器からの荷電粒子ビームの位置を測定する少なくとも右側電極と左側電極との二つの電極が真空容器内に設けられた静電型ビーム位置モニタと、この静電型ビーム位置モニタの右側電極からの出力電圧と左側電極からの出力電圧とを個別に増幅すると共に電圧制御アンプを内蔵する複数の増幅回路と、この複数の増幅回路からの出力を受けてビーム位置を演算するビーム位置信号処理回路とを備え、複数の増幅回路のそれぞれの電圧制御アンプの出力電圧が加算され、この加算された電圧が制御電圧としてそれぞれの電圧制御アンプの制御電圧入力端子に負帰還され、増幅率制御が行われるように構成したものである。 A beam position measurement system according to the present invention includes an accelerator for accelerating an incident charged particle beam by an RF acceleration electric field, and at least a right side for measuring the position of the charged particle beam in the accelerator or the charged particle beam from the accelerator. An electrostatic beam position monitor in which two electrodes, an electrode and a left electrode, are provided in a vacuum vessel, and the output voltage from the right electrode and the output voltage from the left electrode of the electrostatic beam position monitor are individually A plurality of amplifier circuits that amplify and include a voltage control amplifier; and a beam position signal processing circuit that receives outputs from the plurality of amplifier circuits and calculates a beam position. Output voltages are added, and the added voltage is negatively fed back to the control voltage input terminal of each voltage control amplifier as a control voltage, and the amplification factor Are those configured as control is carried out.

また、複数の増幅回路の電圧制御アンプの出力電圧が検波された後に加算されるように構成したものである。
さらに、各電極から複数の増幅回路に入力される電圧信号の振幅がステップ状に増大した場合の増幅率制御の応答時間が、加速器に荷電粒子ビームが入射されてから加速が完了するまでの立ち上がり時間に対し、同等か、または、短い時間に設定されるようにしたものである。 Further, the output voltages of the voltage control amplifiers of the plurality of amplifier circuits are detected and added after being detected.
Furthermore, the response time of the gain control when the amplitude of the voltage signal input from each electrode to a plurality of amplifying circuits increases in a step-like manner starts from the time when the charged particle beam is incident on the accelerator until the acceleration is completed. The time is set to be equal to or shorter than the time.

この発明のビーム位置測定システムによれば次のような効果を得ることができる。すなわち、図１の構成によれば、静電型ビーム位置モニタの右側電極の信号を増幅する増幅回路と左側電極の信号を増幅する増幅回路とを同一筐体内に収納するようにしたので、ビーム位置をモニタ中に雰囲気温度の変動があっても両増幅回路には温度差が生じず、増幅率の比を一定に保つことができてビーム位置測定に誤差を生じることがない。また、実施の形態１および実施の形態２の構成によれば、右側電極の信号を増幅する電圧制御アンプのＲＦ信号電圧の出力と左側電極の信号を増幅する電圧制御アンプのＲＦ信号電圧の出力とを加算し、加算されたＲＦ信号電圧とレファレンス電圧との差電圧を各電圧制御アンプの制御電圧入力端子に制御電圧としてフィードバックし、オートゲインコントロールを構成したので、入力電圧によりオペレータがゲイン操作を行う必要がなく、精度の高い測定ができ、アッテネータなどが不要となって操作が容易で安価なビーム位置測定システムを得ることができる。 According to the beam position measuring system of the present invention, the following effects can be obtained. That is, according to the configuration of FIG. 1, the amplifier circuit for amplifying the signal of the right electrode and the amplifier circuit for amplifying the signal of the left electrode of the electrostatic beam position monitor are housed in the same housing. Even if the ambient temperature fluctuates while monitoring the position, no temperature difference occurs between the two amplifier circuits, the ratio of the amplification factors can be kept constant, and no error occurs in the beam position measurement. According to the configurations of the first and second embodiments, the output of the RF signal voltage of the voltage control amplifier for amplifying the signal of the right electrode and the output of the RF signal voltage of the voltage control amplifier for amplifying the signal of the left electrode are provided. And the difference voltage between the added RF signal voltage and the reference voltage is fed back as a control voltage to the control voltage input terminal of each voltage control amplifier, and an automatic gain control is configured. This makes it possible to perform highly accurate measurement, eliminate the need for an attenuator or the like, and obtain an easy-to-operate and inexpensive beam position measurement system.

さらに、実施の形態３の構成によれば、オートゲインコントロールの応答性を加速装置のバンチング完了までの時間より小さく設定したので、アンプ類の寿命を延長することが可能になると共に、測定時間の短縮を可能とすることができ、図５および図６の構成によれば、電極板とアース板とで形成される静電容量をモニタしながら外部より調整できるようにしたので、調整作業が容易となると共に、真空容器の真空特性の劣化を回避することができ、図７の構成によれば、荷電粒子ビームの測定中に電極位置を移動させて測定対象の荷電粒子ビームサイズによる感度係数が求められるようにしたので、従来装置のようにビームサイズを予め求めておくことなくビームの中心位置が精度良く測定でき、図９の構成によれば、ビーム位置モニタの中心線を傾けて感度特性を計測できるようにしたので、１台のビーム位置モニタにより荷電粒子ビームの軌跡の傾きの測定が可能になるなど、優れたビーム位置測定システムを得ることができるものである。 Furthermore, according to the configuration of the third embodiment, the responsiveness of the auto gain control is set to be shorter than the time until the completion of the bunching of the accelerator, so that the life of the amplifiers can be extended and the measurement time can be reduced. According to the configuration of FIGS. 5 and 6, the capacitance can be adjusted from the outside while monitoring the capacitance formed by the electrode plate and the ground plate. In addition, the vacuum characteristic of the vacuum vessel can be prevented from deteriorating, and according to the configuration of FIG. 7, the electrode position is moved during the measurement of the charged particle beam so that the sensitivity coefficient depending on the charged particle beam size of the measurement target is reduced. Since it can be obtained, the center position of the beam can be accurately measured without previously obtaining the beam size as in the conventional apparatus. According to the configuration of FIG. Since the sensitivity characteristic can be measured by tilting the center line, an excellent beam position measurement system can be obtained, for example, the inclination of the trajectory of the charged particle beam can be measured by one beam position monitor. is there.

図１は、この発明のベースとなるビーム位置測定システムの構成を示すもので、上記従来例の図１０との同一部分には同一符号が付与されている。図において、１は右側電極２と左側電極３を持つ静電型ビーム位置モニタであり、図は２個の静電型ビーム位置モニタ１が用いられる場合を示し、また、図１には図示しないが、従来例の図１１にて説明したように各電極２および３はそれぞれ電極板とアース板とにより構成され、この電極板とアース板とで静電容量を形成している。１８はそれぞれの静電型ビーム位置モニタ１に対応して設けられるヘッドアンプで、それぞれ右側電極２の出力信号を増幅する増幅回路１８ａと左側電極３の出力信号を増幅する増幅回路１８ｂとが同一筐体内に収納されている。５ａはこれらの複数のヘッドアンプ１８の右側電極２用の増幅回路１８ａからの出力信号を切り換える切換器、５ｂは複数のヘッドアンプ１８の左側信号用の増幅回路１８ｂからの出力信号を切り換える切換器、６は切換器５ａおよび５ｂで切り換えられた信号を入力し、検波とビーム位置演算とを行うビーム位置信号処理回路である。 FIG. 1 shows the configuration of a beam position measuring system serving as a base of the present invention, and the same parts as those in FIG. In the drawing, reference numeral 1 denotes an electrostatic beam position monitor having a right electrode 2 and a left electrode 3, and the figure shows a case where two electrostatic beam position monitors 1 are used, and is not shown in FIG. However, as described with reference to FIG. 11 of the conventional example, each of the electrodes 2 and 3 is constituted by an electrode plate and an earth plate, and the electrode plate and the earth plate form a capacitance. Reference numeral 18 denotes a head amplifier provided corresponding to each of the electrostatic beam position monitors 1. An amplifier circuit 18a for amplifying the output signal of the right electrode 2 and an amplifier circuit 18b for amplifying the output signal of the left electrode 3 are the same. It is stored in the housing. 5a is a switch for switching the output signal from the amplifier circuit 18a for the right electrode 2 of the plurality of head amplifiers 18, and 5b is a switch for switching the output signal from the amplifier circuit 18b for the left signal of the plurality of head amplifiers 18. , 6 are beam position signal processing circuits for receiving signals switched by the switches 5a and 5b and performing detection and beam position calculation.

それぞれの静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２の信号は各ヘッドアンプ１８の増幅回路１８ａに入力され、また、左側電極３の信号は各ヘッドアンプ１８の増幅回路１８ｂに入力される。各増幅回路１８ａにて増幅された右側電極２の信号は切換器５ａに、また、各増幅回路１８ｂにて増幅された左側電極３の信号は切換器５ｂに出力され、切換器５ａと５ｂとは同一静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２の信号と左側電極３の信号とを選択してビーム位置信号処理回路６に出力し、ビーム位置が演算される。 The signal of the right electrode 2 of each electrostatic beam position monitor 1 is input to the amplifier circuit 18a of each head amplifier 18, and the signal of the left electrode 3 is input to the amplifier circuit 18b of each head amplifier 18. The signal of the right electrode 2 amplified by each amplifier circuit 18a is output to the switch 5a, and the signal of the left electrode 3 amplified by each amplifier circuit 18b is output to the switch 5b. Selects the signal of the right electrode 2 and the signal of the left electrode 3 of the same electrostatic beam position monitor 1 and outputs the selected signal to the beam position signal processing circuit 6 to calculate the beam position.

図１に示すビーム位置測定システムにおいては、上記のように、同一静電型ビーム位置モニタ１の信号を増幅する右側信号用の増幅回路１８ａと左側信号用の増幅回路１８ｂとが一つのヘッドアンプ１８として同一筐体内に収納されるようにしたので、ビーム位置をモニタ中に雰囲気温度の変動があっても両増幅回路１８ａおよび１８ｂには温度差が生じず、増幅率の比を一定に保つことができ、ビーム位置測定時に温度差により生じる測定誤差を回避することができる。なお、温度により増幅度が変化しやすい電界効果トランジスタを同一筐体内で接近、または、接着して設けるようにすればさらに効果的である。 In the beam position measuring system shown in FIG. 1, as described above, the amplifier circuit 18a for the right signal and the amplifier circuit 18b for the left signal for amplifying the signal of the same electrostatic beam position monitor 1 have one head amplifier. Since it is housed in the same housing as 18, even if the ambient temperature fluctuates while monitoring the beam position, there is no temperature difference between the two amplifier circuits 18a and 18b, and the ratio of the amplification factors is kept constant. It is possible to avoid a measurement error caused by a temperature difference when measuring the beam position. It is more effective to provide a field effect transistor whose amplification degree is liable to change depending on the temperature in the same housing, or close to or bonded to each other.

実施の形態１．
図２は、この発明の実施の形態１のビーム位置測定システムのヘッドアンプ１８の構成を示すものであり、上記従来例の図１２との同一部分には同一符号が付与されている。図において、２ａは静電型ビーム位置モニタ１の右側電極２の電極板とアース板とで構成される静電容量、３ａは同じく左側電極３の電極板とアース板とで構成される静電容量、１４ａは右側電極２の出力信号を増幅する増幅回路１８ａの入力抵抗、１４ｂは左側電極３の出力信号を増幅する増幅回路１８ｂの入力抵抗、１５ａと１５ｂとは入力抵抗１４ａと１４ｂの後段に設けられる電界効果トランジスタ、１９ａと１９ｂとは電界効果トランジスタ１５ａと１５ｂの後段に接続される電圧制御アンプ、２０ａと２０ｂとは電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの後段に設けられるバッファアンプである。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 2 shows the configuration of the head amplifier 18 of the beam position measuring system according to the first embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the same parts as those in FIG. In the drawing, reference numeral 2a denotes a capacitance constituted by the electrode plate of the right electrode 2 of the electrostatic beam position monitor 1 and the ground plate, and 3a denotes a capacitance constituted by the electrode plate of the left electrode 3 and the ground plate. Capacitance, 14a is the input resistance of the amplifier circuit 18a for amplifying the output signal of the right electrode 2, 14b is the input resistance of the amplifier circuit 18b for amplifying the output signal of the left electrode 3, and 15a and 15b are the latter stages of the input resistors 14a and 14b. , Field-effect transistors 19a and 19b are voltage-controlled amplifiers connected downstream of the field-effect transistors 15a and 15b, and 20a and 20b are buffer amplifiers provided downstream of the voltage-controlled amplifiers 19a and 19b.

また、２１は増幅回路１８ａの電圧制御アンプ１９ａが出力するＲＦ信号電圧と増幅回路１８ｂの電圧制御アンプ１９ｂが出力するＲＦ信号電圧とを加算する加算器、２２は加算されたＲＦ信号電圧を検波する検波器、２３は検波されたＲＦ信号電圧を平滑するフィルタで、検波器２２とフィルタ２３とで加算されたＲＦ信号電圧が直流化される。２４はレファレンス電圧を出力するレファレンス電源、２５はフィルタ２３が出力する電圧からレファレンス電圧を減算する減算器であり、減算器２５の出力は制御電圧として増幅回路１８ａの電圧制御アンプ１９ａと増幅回路１８ｂの電圧制御アンプ１９ｂの各制御電圧入力端子（ＶＧＣ端子）にフィードバックされる。 An adder 21 adds the RF signal voltage output from the voltage control amplifier 19a of the amplifier circuit 18a to the RF signal voltage output from the voltage control amplifier 19b of the amplifier circuit 18b, and 22 detects the added RF signal voltage. The detector 23 is a filter for smoothing the detected RF signal voltage. The RF signal voltage added by the detector 22 and the filter 23 is converted into a direct current. Reference numeral 24 denotes a reference power supply for outputting a reference voltage, and reference numeral 25 denotes a subtractor for subtracting the reference voltage from the voltage output from the filter 23. The output of the subtracter 25 is used as a control voltage as the voltage control amplifier 19a and the amplifier circuit 18b of the amplifier circuit 18a. Is fed back to each control voltage input terminal (VGC terminal) of the voltage control amplifier 19b.

このように構成されたこの発明の実施の形態１のビーム位置測定システムのヘッドアンプにおいて、右側電極２の出力信号と左側電極３の出力信号とはＲＦ信号であり、このＲＦ信号はそれぞれ増幅回路１８ａの電界効果トランジスタ１５ａと増幅回路１８ｂの電界効果トランジスタ１５ｂとに入力され、低インピーダンスに変換されて増幅回路１８ａの電圧制御アンプ１９ａと増幅回路１８ｂの電圧制御アンプ１９ｂとに入力される。電圧制御アンプ１９ａが出力するＲＦ信号電圧と電圧制御アンプ１９ｂが出力するＲＦ信号電圧とは加算器２１にて加算され、加算されたＲＦ信号電圧は検波器２２とフィルタ２３とにより、加算されたＲＦ信号電圧の振幅に比例した直流電圧に変換され、この直流電圧とレファレンス電源２４のレファレンス電圧とが減算器２５により減算されて差電圧が各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの制御電圧入力端子に制御電圧としてフィードバック（負帰還）される。 In the thus configured head amplifier of the beam position measuring system according to the first embodiment of the present invention, the output signal of the right electrode 2 and the output signal of the left electrode 3 are RF signals, and each of the RF signals is an amplifier circuit. The voltage is input to the field effect transistor 15a of the amplifier circuit 18a and the field effect transistor 15b of the amplifier circuit 18b, converted to low impedance, and input to the voltage control amplifier 19a of the amplifier circuit 18a and the voltage control amplifier 19b of the amplifier circuit 18b. The RF signal voltage output from the voltage control amplifier 19a and the RF signal voltage output from the voltage control amplifier 19b are added by an adder 21, and the added RF signal voltage is added by a detector 22 and a filter 23. The DC voltage is converted to a DC voltage proportional to the amplitude of the RF signal voltage, and the DC voltage and the reference voltage of the reference power supply 24 are subtracted by a subtracter 25, and the difference voltage is controlled by the control voltage input terminals of the voltage control amplifiers 19a and 19b. The voltage is fed back (negative feedback).

このフィードバックループはオートゲインコントロール（以下ＡＧＣと称す）として機能するものであり、減算器２５が出力する差電圧、すなわち、制御電圧により各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂとの増幅率が制御される。この制御電圧は加算されたＲＦ信号電圧が大きいほど大となり、各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの増幅率を低下させるため、各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂが出力するＲＦ信号電圧は所定の値に収斂することになる。このために制御電圧も所定値に収斂することになり、フィルタ２３の電圧とレファレンス電圧とが等しくなるときに平衡状態になる。そして、電圧制御アンプ１９ａの出力するＲＦ信号電圧と１９ｂの出力するＲＦ信号電圧とはバッファアンプ２０ａと２０ｂとを介して図１に示した切換器５ａと５ｂとに出力される。 This feedback loop functions as an automatic gain control (hereinafter referred to as AGC), and the difference between the voltages output by the subtractor 25, that is, the control voltage controls the amplification factor of each of the voltage control amplifiers 19a and 19b. The control voltage increases as the added RF signal voltage increases, and the amplification factor of each of the voltage control amplifiers 19a and 19b decreases, so that the RF signal voltages output from each of the voltage control amplifiers 19a and 19b converge to a predetermined value. Will do. As a result, the control voltage also converges to a predetermined value, and a state of equilibrium is reached when the voltage of the filter 23 becomes equal to the reference voltage. The RF signal voltage output from the voltage control amplifier 19a and the RF signal voltage output from the voltage control amplifier 19b are output to the switches 5a and 5b shown in FIG. 1 via the buffer amplifiers 20a and 20b.

このように、この発明の実施の形態１のビーム位置測定システムによれば、各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの増幅率がＡＧＣの機能により自動制御されるので、従来例のように静電型ビーム位置モニタ１からの入力電圧の条件によってオペレータが操作を行う必要がなく、アッテネータやその制御の機能が不要になるため、操作が容易で安価なビーム位置測定システムを得ることができるものである。また、各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの制御電圧入力端子に加えられる制御電圧は同一値であるので、各電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの増幅率は同一となり、ビーム位置を演算する式
ΔＲ＝（ＶＲ−ＶＬ）／（ＶＲ＋ＶＬ）
の条件は満足されると共に、高精度のビーム位置測定が可能になるものである。 As described above, according to the beam position measuring system of the first embodiment of the present invention, the amplification factors of the voltage control amplifiers 19a and 19b are automatically controlled by the AGC function. An operator does not need to perform an operation depending on the condition of the input voltage from the position monitor 1, and an attenuator and a function of controlling the attenuator are not required. Therefore, an inexpensive beam position measuring system that can be easily operated can be obtained. Since the control voltages applied to the control voltage input terminals of the voltage control amplifiers 19a and 19b have the same value, the amplification factors of the voltage control amplifiers 19a and 19b are the same, and the equation for calculating the beam position is used.
ΔR = (VR−VL) / (VR + VL)
Is satisfied, and the beam position can be measured with high accuracy.

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２のビーム位置測定システムのヘッドアンプの構成を示すもので、この実施の形態は、実施の形態１のヘッドアンプの構成に対してフィードバックループの構成を変更したものである。図において、２２ａは電圧制御アンプ１９ａが出力するＲＦ信号電圧を検波する検波器、２２ｂは電圧制御アンプ１９ｂが出力するＲＦ信号電圧を検波する検波器、２１は検波器２２ａと２２ｂとにより検波され直流化された両信号電圧を加算する加算器、２３は加算された両信号電圧を平滑するフィルタ、２５はフィルタ２３の出力する加算された直流電圧とレファレンス電源２４からのレファレンス電圧とを減算する減算器であり、減算器２５により減算された差電圧が電圧制御アンプ１９ａと電圧制御アンプ１９ｂの制御電圧入力端子に制御電圧としてフィードバックされるように構成されている。 Embodiment 2 FIG.
FIG. 3 shows a configuration of a head amplifier of a beam position measuring system according to a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the configuration of the feedback loop is changed from the configuration of the head amplifier of the first embodiment. It was done. In the figure, 22a is a detector for detecting the RF signal voltage output from the voltage control amplifier 19a, 22b is a detector for detecting the RF signal voltage output from the voltage control amplifier 19b, and 21 is detected by the detectors 22a and 22b. An adder for adding both DC signal voltages, 23 is a filter for smoothing the added signal voltages, and 25 is for subtracting the added DC voltage output from the filter 23 and the reference voltage from the reference power supply 24. It is a subtractor, and is configured so that the difference voltage subtracted by the subtractor 25 is fed back as a control voltage to the control voltage input terminals of the voltage control amplifiers 19a and 19b.

このように構成されたこの発明の実施の形態２のビーム位置測定システムのヘッドアンプにおいて、検波器２２ａは電圧制御アンプ１９ａが出力するＲＦ信号電圧を検波して右側電極２のＲＦ信号電圧の振幅に比例した直流電圧を出力し、検波器２２ｂは電圧制御アンプ１９ｂが出力するＲＦ信号電圧を検波して左側電極３のＲＦ信号電圧の振幅に比例した直流電圧を出力し、この両直流電圧が加算器２１により加算される。静電型ビーム位置モニタ１からヘッドアンプ１８に入力されるＲＦ信号電圧は、例えば右側電極２から増幅回路１８ａまでのケーブル長さと、左側電極３から増幅回路１８ｂまでのケーブル長さとに差がある場合、電圧制御アンプ１９ａと１９ｂとから出力されるＲＦ信号電圧には微妙な位相差が生じ、これらの信号電圧を加算した場合には、加算値が両信号電圧の振幅の加算値とは若干異なるものになってしまう。この実施の形態では以上のように、両ＲＦ信号電圧が検波されて直流電圧化された後に加算するようにしたため、両ＲＦ信号電圧に位相差があってもこれに影響されることがなく、正確な両信号電圧の振幅の加算値が得られ、ビーム位置の測定精度を高めることができると共に、実施の形態１と同様な効果を得ることができるものである。 In the thus configured head amplifier of the beam position measuring system according to the second embodiment of the present invention, the detector 22a detects the RF signal voltage output from the voltage control amplifier 19a and detects the amplitude of the RF signal voltage of the right electrode 2. The detector 22b detects the RF signal voltage output from the voltage control amplifier 19b and outputs a DC voltage proportional to the amplitude of the RF signal voltage of the left electrode 3, and the two DC voltages are equal to each other. The addition is performed by the adder 21. The RF signal voltage input from the electrostatic beam position monitor 1 to the head amplifier 18 has, for example, a difference between the cable length from the right electrode 2 to the amplifier circuit 18a and the cable length from the left electrode 3 to the amplifier circuit 18b. In this case, a slight phase difference occurs between the RF signal voltages output from the voltage control amplifiers 19a and 19b, and when these signal voltages are added, the added value is slightly different from the added value of the amplitude of both signal voltages. It will be different. In this embodiment, as described above, since both RF signal voltages are detected and converted to a DC voltage and then added, even if there is a phase difference between the two RF signal voltages, the difference is not affected. An accurate sum of the amplitudes of the two signal voltages is obtained, so that the measurement accuracy of the beam position can be improved and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３のビーム位置測定システムの動作を説明する特性図であり、この実施の形態は、実施の形態１および２のＡＧＣの応答性を規定するものである。図の特性２６は増幅回路１８ａあるいは１８ｂに入力されるＲＦ信号電圧の振幅がステップ状に増大すると仮定したときの関数を示す特性であり、特性２７は増幅回路１８ａあるいは１８ｂに特性２６を持つＲＦ信号電圧が入力された場合の制御電圧の応答性τａｇｃを示すものである。特性２８は荷電粒子ビームが加速装置であるシンクロトロンに入射された直後の荷電粒子ビーム電流の波形を示し、特性２９はシンクロトロンのＲＦ加速電界により荷電粒子がバンチングされ、バンチングが完了した時点での荷電粒子ビーム電流の波形を示すものである。特性３０は荷電粒子ビームがシンクロトロンに入射されてからバンチングが完了するまでの間に増幅回路１８ａあるいは１８ｂに入力されるＲＦ信号電圧の振幅の時間に対する関数を示し、特性３１は特性３０に示したＲＦ信号電圧が増幅回路１８ａあるいは１８ｂに入力された場合の電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの制御電圧の応答の状態を示すものである。 Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining the operation of the beam position measuring system according to the third embodiment of the present invention. This embodiment defines the responsiveness of the AGC of the first and second embodiments. The characteristic 26 shown in the figure is a characteristic showing a function when it is assumed that the amplitude of the RF signal voltage input to the amplifier circuit 18a or 18b increases in a step-like manner. It shows the response τagc of the control voltage when a signal voltage is input. A characteristic 28 indicates a waveform of the charged particle beam current immediately after the charged particle beam is incident on the synchrotron as an accelerator, and a characteristic 29 indicates a state where the charged particles are bunched by the RF accelerating electric field of the synchrotron and the bunching is completed. 3 shows a waveform of the charged particle beam current. A characteristic 30 indicates a function of the amplitude of the RF signal voltage input to the amplifier circuit 18a or 18b from the time when the charged particle beam enters the synchrotron to the time when the bunching is completed. This shows the response state of the control voltage of the voltage control amplifiers 19a and 19b when the RF signal voltage is input to the amplifier circuit 18a or 18b.

制御電圧の応答性τａｇｃは、増幅回路１８ａあるいは１８ｂに振幅がステップ状に増大する電圧が入力されたときの電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの制御電圧の立ち下がり時間である。荷電粒子ビームがシンクロトロンに入射されてからバンチングが完了するまでの時間を特性３０に示したτｂｕｎｃｈとすると、τａｇｃがτｂｕｎｃｈより長い場合には増幅回路１８ａあるいは１８ｂに入力されるＲＦ信号電圧の振幅の増大にＡＧＣの動作が追従できず、一時的に電圧制御アンプ１９ａと１９ｂの増幅率が大きくなりすぎて電圧制御アンプ１９ａと１９ｂ、および、バッファアンプ２０ａと２０ｂとが飽和してしまうことになる。一度飽和状態となればＡＧＣが平衡状態となっても電圧制御アンプ１９ａと１９ｂ、および、バッファアンプ２０ａと２０ｂの回復には時間がかかり、出力信号は不安定となってしまう。 The response τagc of the control voltage is the fall time of the control voltage of the voltage control amplifiers 19a and 19b when a voltage whose amplitude increases stepwise is input to the amplifier circuit 18a or 18b. Assuming that the time from when the charged particle beam is incident on the synchrotron to when the bunching is completed is τbunch shown in the characteristic 30, if τagc is longer than τbunch, the amplitude of the RF signal voltage input to the amplifier circuit 18a or 18b AGC operation cannot follow the increase of the voltage, and the amplification factors of the voltage control amplifiers 19a and 19b temporarily become too large, and the voltage control amplifiers 19a and 19b and the buffer amplifiers 20a and 20b are saturated. Become. Once the saturation state is reached, it takes time for the voltage control amplifiers 19a and 19b and the buffer amplifiers 20a and 20b to recover even if the AGC is in a balanced state, and the output signal becomes unstable.

この実施の形態はこのような状態を避けるために、τａｇｃをτｂｕｎｃｈより短くするか、または、同等に設定するようにしたものである。このように設定することにより、荷電粒子がシンクロトロンに入射されてからバンチングが完了するまでの間の、ヘッドアンプに入力されるＲＦ信号電圧の振幅の増大にＡＧＣが追従することができ、電圧制御アンプ１９ａと１９ｂ、および、バッファアンプ２０ａと２０ｂの飽和を回避することができるので、これらのアンプ類の寿命を延長することができ、アンプ類の飽和からの回復を待つことなくビーム位置の測定ができるもので、測定時間の短縮が可能なビーム位置測定システムを得ることができるものである。 In this embodiment, in order to avoid such a state, τagc is set to be shorter than τbunch, or set to be equal. With this setting, the AGC can follow the increase in the amplitude of the RF signal voltage input to the head amplifier between the time when the charged particles are incident on the synchrotron and the time when the bunching is completed. Since the saturation of the control amplifiers 19a and 19b and the buffer amplifiers 20a and 20b can be avoided, the life of these amplifiers can be extended, and the beam position can be adjusted without waiting for the amplifiers to recover from saturation. It is possible to obtain a beam position measurement system capable of performing measurement and capable of shortening the measurement time.

図５は、この発明のビーム位置測定システムに使用される静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す上面断面図と側面断面図であり、図中、上記従来例の図１１と同一部分には同一符号が付与されている。図において、２は右側電極、３は左側電極であり、各電極２および３は図の側面断面図に示すように電極板７とアース板８とから構成され、真空容器９内にアース板８を支えるサポート１０と電極板７を支える絶縁サポート１１とを介してボルト３２により組み付けられている。３３は可変容量コンデンサであり、セラミックなどにより封止された真空導入端子３４を通じて電極板７と真空容器９（アース板８と同電位）との間に接続され、真空容器９の外部に設けられている。電極板７とアース板８との間に発生する電圧は、右側電極２用の信号端子１２と左側電極３用の信号端子１３とを介して外部の信号処理系であるヘッドアンプ１８に出力される。 FIG. 5 is a top sectional view and a side sectional view showing an example of the configuration of an electrostatic beam position monitor used in the beam position measuring system of the present invention. Are given the same reference numerals. In the figure, 2 is a right electrode, 3 is a left electrode, and each of the electrodes 2 and 3 is composed of an electrode plate 7 and an earth plate 8 as shown in the side sectional view of FIG. Are supported by bolts 32 via a support 10 for supporting the electrode plate 7 and an insulating support 11 for supporting the electrode plate 7. A variable capacitor 33 is connected between the electrode plate 7 and the vacuum container 9 (at the same potential as the ground plate 8) through a vacuum introduction terminal 34 sealed with ceramic or the like, and provided outside the vacuum container 9. ing. A voltage generated between the electrode plate 7 and the ground plate 8 is output to a head amplifier 18 which is an external signal processing system via a signal terminal 12 for the right electrode 2 and a signal terminal 13 for the left electrode 3. You.

このように構成された静電型ビーム位置モニタにおいて、荷電粒子ビームが真空容器９の右側電極２と左側電極３との間を通過すると、各電極２および３の電極板７には荷電粒子とは反対極性の電荷が蓄積され、また、アース板８には電極板７とは逆極性の電荷が蓄積される。右側電極２と左側電極３とでは荷電粒子ビームの位置により蓄積される電荷量が変わり、右側電極２に蓄積される電荷量をＱＲ、左側電極３に蓄積される電荷量をＱＬとし、右側電極２の静電容量をＣＲ、左側電極３の静電容量をＣＬとすると、右側電極２用の信号端子１２と左側電３用の信号端子１３とには、この電荷量をそれぞれの静電容量で除した値の電圧、すなわち、右側電極２用の信号端子１２には、ＶＲ＝ＱＲ／ＣＲが、左側電極３用の信号端子１３には、ＶＬ＝ＱＬ／ＣＬが出力されて各増幅回路１８ａと１８ｂとに供給され、前記の式
ΔＲ＝（ＶＲ−ＶＬ）／（ＶＲ＋ＶＬ）
によりビーム位置が測定される。 In the thus-configured electrostatic beam position monitor, when the charged particle beam passes between the right electrode 2 and the left electrode 3 of the vacuum vessel 9, the charged particles are placed on the electrode plates 7 of the electrodes 2 and 3. The electric charge of the opposite polarity is accumulated, and the electric charge of the opposite polarity to that of the electrode plate 7 is accumulated on the ground plate 8. The amount of charge stored in the right electrode 2 and the left electrode 3 varies depending on the position of the charged particle beam. Assuming that the capacitance of the second electrode 2 is CR and the capacitance of the left electrode 3 is CL, the charge amount is stored in the signal terminal 12 for the right electrode 2 and the signal terminal 13 for the left electrode 3 respectively. That is, VR = QR / CR is output to the signal terminal 12 for the right electrode 2, and VL = QL / CL is output to the signal terminal 13 for the left electrode 3. 18a and 18b, and the above equation
ΔR = (VR−VL) / (VR + VL)
Measure the beam position.

このようにビーム位置を測定する場合、それぞれの電極２および３の静電容量ＣＲとＣＬとは値を一致させておく必要があるが、輸送中の振動や径年変化によるボルト３２の緩みなどにより、電極板７とアース板８との間隔が変化すれば、静電容量の値も変化してビーム位置の測定に誤差を生ずることになる。図５に示す静電型ビーム位置モニタでは上記のように、電極板７に真空導入端子３４を通じて真空容器９の外部に可変容量コンデンサ３３を接続したので、真空導入端子３４にて静電容量の値をモニタしながら真空容器９の外部から可変容量コンデンサ３３を操作して各電極の静電容量を微調整することができ、従来例のような分解による調整が不要となり、煩雑な作業と、水分や異物の付着による真空特性の劣化とを回避することが可能になるものである。 When measuring the beam position in this way, it is necessary to make the values of the capacitances CR and CL of the respective electrodes 2 and 3 equal to each other. Therefore, if the distance between the electrode plate 7 and the earth plate 8 changes, the value of the capacitance also changes, causing an error in the measurement of the beam position. In the electrostatic beam position monitor shown in FIG. 5, as described above, the variable capacitance capacitor 33 is connected to the electrode plate 7 through the vacuum introduction terminal 34 outside the vacuum vessel 9. The capacitance of each electrode can be finely adjusted by operating the variable capacitor 33 from the outside of the vacuum vessel 9 while monitoring the value, so that adjustment by disassembly as in the conventional example is unnecessary, and complicated work and This makes it possible to avoid the vacuum characteristics from deteriorating due to adhesion of moisture or foreign matter.

図６は、この発明のビーム位置測定システムに使用される静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す上面断面図と側面断面図である。図において、２は右側電極、３は左側電極であり、各電極２および３は図の側面断面図に示すように電極板７とアース板８とから構成され、アース板８はサポート１０を介して真空容器９内に組み付けられ、電極板７は絶縁スペーサ３５と固定用ナット３６とにより直線導入機３７の先端に取り付けられている。直線導入機３７は真空容器９内の真空を保持した状態で真空容器９内の電極板７を外部より手動ないしは電動により直線的に移動できるように構成されている。 FIG. 6 is a top sectional view and a side sectional view showing an example of the configuration of an electrostatic beam position monitor used in the beam position measuring system of the present invention. In the drawing, 2 is a right electrode, 3 is a left electrode, and each of the electrodes 2 and 3 is composed of an electrode plate 7 and an earth plate 8 as shown in the side sectional view of FIG. The electrode plate 7 is attached to the tip of a linear introducer 37 by an insulating spacer 35 and a fixing nut 36. The linear introduction device 37 is configured to be able to linearly move the electrode plate 7 in the vacuum container 9 manually or electrically from the outside while maintaining the vacuum in the vacuum container 9.

以上のように構成されたビーム位置測定システムに使用される静電型ビーム位置モニタにおいても、図５の場合と同様に、真空容器９を分解することなく各電極２および３の静電容量の調整ができるものであり、調整は信号端子１２と１３とにより静電容量をモニタしながら直線導入機３７を操作し、電極板７を移動させてアース板８との間隔を調整することにより達成でき、図５と同様の効果を得ることができるものである。なおこの例では電極板７を移動させたが、アース板８を移動させても同様の効果が得られるものである。 Also in the electrostatic beam position monitor used in the beam position measuring system configured as described above, the capacitance of each electrode 2 and 3 can be measured without disassembling the vacuum vessel 9 as in the case of FIG. The adjustment can be made, and the adjustment is achieved by operating the linear introduction device 37 while monitoring the capacitance by the signal terminals 12 and 13 and moving the electrode plate 7 to adjust the distance from the ground plate 8. Thus, an effect similar to that of FIG. 5 can be obtained. Although the electrode plate 7 is moved in this example, the same effect can be obtained by moving the ground plate 8.

図７は、この発明のビーム位置測定システムに使用される静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す上面断面図と正面断面図、図８はその動作を説明する特性図である。
図において、９は真空容器、３８は真空容器９内に、荷電粒子ビームの軌道に対して移動可能に保持される方形管、３９は方形管３８を荷電粒子ビームの軌道に対して移動させる駆動装置、４０は駆動装置３９と方形管３８とをつなぐ連結桿、４１は荷電粒子ビームの断面、４２は荷電粒子ビームの中心であり、方形管３８の内部には電極板７とアース板８とが絶縁サポート１１とサポート１０とを介して取り付けられ、右側電極２と左側電極３とを形成している。 FIG. 7 is a top sectional view and a front sectional view showing an example of the configuration of an electrostatic beam position monitor used in the beam position measuring system of the present invention, and FIG. 8 is a characteristic diagram for explaining the operation.
In the figure, 9 is a vacuum vessel, 38 is a square tube movably held in the vacuum vessel 9 with respect to the trajectory of the charged particle beam, and 39 is a drive for moving the square tube 38 with respect to the trajectory of the charged particle beam. The device, 40 is a connecting rod connecting the driving device 39 and the square tube 38, 41 is a cross section of the charged particle beam, 42 is the center of the charged particle beam, and the electrode plate 7, the earth plate 8, Are attached via an insulating support 11 and a support 10 to form a right electrode 2 and a left electrode 3.

このように構成された静電型ビーム位置モニタにより荷電粒子ビームの位置を測定するとき、荷電粒子ビームの中心位置４２が時間的に変化しないものとすると、駆動装置３９により方形管３８を荷電粒子ビームの軌道に対して移動させることにより、右側電極２と左側電極３とが相対位置を保ったまま移動するので、前に示した式、ΔＲ＝（ＶＲ−ＶＬ）／（ＶＲ＋ＶＬ）のΔＲが変化することになる。このΔＲと方形管３８の位置、従って、電極２および３の位置との関係を示したのが図８の白点の特性である。この特性を直線とみなし、傾斜を感度係数とし、異なる荷電粒子ビームサイズ４１で同様の測定をすれば、例えば図８の黒点の特性が得られる。この両感度係数の差は荷電粒子ビームサイズ４１の差で生じるものであるが、この例のビーム位置モニタでは、このようにしてビームサイズ４１により感度係数が変わっても、感度係数を容易に測定することができるので、測定対象の荷電粒子ビームの感度係数を測定することにより、従来装置のようにビームサイズを予め求めておくことなく、簡単にビームの中心位置の測定を行うことができるものである。 When the position of the charged particle beam is measured by the electrostatic beam position monitor configured as described above, assuming that the center position 42 of the charged particle beam does not change with time, the rectangular tube 38 is moved by the driving device 39 to the charged particle beam. Since the right electrode 2 and the left electrode 3 move while maintaining their relative positions by moving the beam with respect to the trajectory of the beam, ΔR of the above-described equation, ΔR = (VR−VL) / (VR + VL), Will change. The relationship between ΔR and the position of the square tube 38, and thus the positions of the electrodes 2 and 3, is shown by the white point characteristics in FIG. If this characteristic is regarded as a straight line, the inclination is used as a sensitivity coefficient, and the same measurement is performed with different charged particle beam sizes 41, for example, the characteristic of the black point in FIG. 8 can be obtained. The difference between the two sensitivity coefficients is caused by the difference in the charged particle beam size 41. In the beam position monitor of this example, even if the sensitivity coefficient changes in accordance with the beam size 41, the sensitivity coefficient can be easily measured. By measuring the sensitivity coefficient of the charged particle beam to be measured, it is possible to easily measure the center position of the beam without having to obtain the beam size in advance as in the conventional device. It is.

図９は、この発明のビーム位置測定システムに使用される静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す上面断面図と正面断面図であり、この例は、１台のビーム位置モニタにより荷電粒子ビームの傾きの測定を可能にするものである。図において、９は真空容器、３８は真空容器９内に荷電粒子ビームの軌道に対して左右に移動可能に保持される方形管、４３は方形管３８の荷電粒子ビームの軌道に対する傾きを調整する駆動装置、４０は駆動装置４３と方形管３８とをつなぐ連結桿、４１は荷電粒子ビームの断面、４２は荷電粒子ビームの中心、４４はビーム位置モニタの中心線であり、方形管３８の内部には電極板７ａとアース板８ａとが絶縁サポート１１とサポート１０とを介して取り付けられ、右側電極２ｂと左側電極３ｂとを形成している。この例の電極２ｂおよび３ｂは上述した各例とは異なり、各電極の電極板７ａ間に形成される隙間がビーム位置モニタの中心線４４とは平行に設けられている。 FIG. 9 is a top sectional view and a front sectional view showing an example of the configuration of an electrostatic beam position monitor used in the beam position measuring system of the present invention. In this example, charged particles are measured by one beam position monitor. This enables the measurement of the tilt of the beam. In the figure, 9 is a vacuum vessel, 38 is a rectangular tube held in the vacuum vessel 9 so as to be movable left and right with respect to the trajectory of the charged particle beam, and 43 is to adjust the inclination of the rectangular tube 38 with respect to the trajectory of the charged particle beam. A driving device, 40 is a connecting rod connecting the driving device 43 and the square tube 38, 41 is a cross section of the charged particle beam, 42 is a center of the charged particle beam, 44 is a center line of the beam position monitor, and the inside of the square tube 38 , An electrode plate 7a and a ground plate 8a are attached via an insulating support 11 and a support 10, forming a right electrode 2b and a left electrode 3b. In the electrodes 2b and 3b of this example, unlike the above-described examples, a gap formed between the electrode plates 7a of each electrode is provided in parallel with the center line 44 of the beam position monitor.

このように構成された静電型ビーム位置モニタにより荷電粒子ビームの傾きを測定するとき、荷電粒子ビームの中心位置４２と軌道の傾きとが時間的に変化しないものとすると、駆動装置４３によりビーム位置モニタの中心線４４の荷電粒子ビームの軌道に対する傾きを変えて図７で説明した感度係数を測定し、感度係数が最大になる傾き角を計測する。ビーム位置モニタの中心線４４の傾きと荷電粒子ビームの軌道の傾きとが一致した場合にこの感度係数が最大となるため、このときのビーム位置モニタの中心線４４の傾きθを求めることにより、従来装置のように複数のビーム位置モニタを使用することなく、１台の静電型ビーム位置モニタによりビームの傾きの計測が可能になるものである。 When the inclination of the charged particle beam is measured by the electrostatic beam position monitor configured as described above, it is assumed that the center position 42 of the charged particle beam and the inclination of the trajectory do not change with time. By changing the inclination of the center line 44 of the position monitor with respect to the trajectory of the charged particle beam, the sensitivity coefficient described with reference to FIG. 7 is measured, and the inclination angle at which the sensitivity coefficient becomes maximum is measured. When the inclination of the center line 44 of the beam position monitor and the inclination of the trajectory of the charged particle beam coincide with each other, the sensitivity coefficient becomes maximum. By calculating the inclination θ of the center line 44 of the beam position monitor at this time, It is possible to measure the tilt of a beam with one electrostatic beam position monitor without using a plurality of beam position monitors as in the conventional apparatus.

この発明のベースとなるビーム位置測定システムの構成を示す構成図である。1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a beam position measurement system that is a base of the present invention. この発明の実施の形態１のビーム位置測定システムに使用するヘッドアンプの一例を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram illustrating an example of a head amplifier used in the beam position measurement system according to the first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態２のビーム位置測定システムに使用するヘッドアンプの一例を示す構成図である。FIG. 9 is a configuration diagram illustrating an example of a head amplifier used in a beam position measurement system according to a second embodiment of the present invention. この発明の実施の形態３のビーム位置測定システムの動作を説明する特性図である。FIG. 14 is a characteristic diagram illustrating an operation of the beam position measuring system according to the third embodiment of the present invention. この発明のビーム位置測定システムに使用する静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a configuration of an electrostatic beam position monitor used in the beam position measuring system of the present invention. この発明のビーム位置測定システムに使用する静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a configuration of an electrostatic beam position monitor used in the beam position measuring system of the present invention. この発明のビーム位置測定システムに使用する静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a configuration of an electrostatic beam position monitor used in the beam position measuring system of the present invention. 図７の静電型ビーム位置モニタの動作を説明する特性図である。FIG. 8 is a characteristic diagram illustrating an operation of the electrostatic beam position monitor of FIG. 7. この発明のビーム位置測定システムに使用する静電型ビーム位置モニタの構成の一例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a configuration of an electrostatic beam position monitor used in the beam position measuring system of the present invention. 従来のビーム位置測定システムの構成を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram illustrating a configuration of a conventional beam position measurement system. 従来の静電型ビーム位置モニタの構成を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conventional electrostatic beam position monitor. 従来のビーム位置測定システムに使用するヘッドアンプの構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a head amplifier used in a conventional beam position measurement system.

Explanation of reference numerals

１静電型ビーム位置モニタ、２右側電極、３左側電極、
２ａ、３ａ静電容量、５ａ、５ｂ切換器、６ビーム位置信号処理回路、
７電極板、８アース板、９真空容器、１０サポート、
１１絶縁サポート、１２、１３信号端子、１４ａ、１４ｂ入力抵抗、
１５ａ、１５ｂ電界効果トランジスタ、１８ヘッドアンプ、
１８ａ、１８ｂ増幅回路、１９ａ、１９ｂ電圧制御アンプ、
２０ａ、２０ｂバッファアンプ、２１加算機、２２ａ、２２ｂ検波器、
２３フィルタ、２４レファレンス電源、２５減算器、
３３可変容量コンデンサ、３４真空導入端子、３５絶縁スペーサ、
３７直線導入機、３８方形管、３９駆動装置、４０連結桿、
４１荷電粒子ビームの断面、４２荷電粒子ビームの中心、４３駆動装置、
４４ビーム位置モニタの中心線。 1 Electrostatic beam position monitor, 2 Right electrode, 3 Left electrode,
2a, 3a capacitance, 5a, 5b switch, 6 beam position signal processing circuit,
7 electrode plate, 8 ground plate, 9 vacuum vessel, 10 support,
11 Insulation support, 12, 13 signal terminal, 14a, 14b input resistance,
15a, 15b field-effect transistor, 18 head amplifier,
18a, 18b amplifier circuit, 19a, 19b voltage control amplifier,
20a, 20b buffer amplifier, 21 adder, 22a, 22b detector,
23 filters, 24 reference power supplies, 25 subtractors,
33 variable capacitance capacitor, 34 vacuum introduction terminal, 35 insulating spacer,
37 linear introducer, 38 square tube, 39 drive, 40 connecting rod,
41 cross section of charged particle beam, 42 center of charged particle beam, 43 driving device,
44 Beam position monitor centerline.

Claims

An accelerator for accelerating an incident charged particle beam by an RF accelerating electric field, a charged particle beam in the accelerator, or at least two electrodes of a right electrode and a left electrode for measuring the position of the charged particle beam taken out of the accelerator Is an electrostatic beam position monitor provided in a vacuum vessel, a plurality of amplifiers each independently amplifying an output voltage from a right electrode and an output voltage from a left electrode of the electrostatic beam position monitor and including a voltage control amplifier. And a beam position signal processing circuit for calculating a beam position by receiving outputs from the plurality of amplifier circuits, wherein output voltages of the respective voltage control amplifiers of the plurality of amplifier circuits are added, and the added voltages are added. The detected voltage is detected and negatively fed back to the control voltage input terminal of each of the voltage control amplifiers as a control voltage, so that amplification factor control is performed. Beam position measurement system characterized in that it is configured.

2. The beam position measuring system according to claim 1, wherein the output voltages of the voltage control amplifiers of the plurality of amplifier circuits are added after being detected.

The response time of the gain control when the amplitude of the voltage signal input from each electrode to the plurality of amplifier circuits increases stepwise is the rise time from when the charged particle beam is incident on the accelerator until acceleration is completed. The beam position measuring system according to claim 1, wherein the beam position is set to be equal or shorter.