JP2689137B2 - 荷電粒子ビーム計測装置 - Google Patents

荷電粒子ビーム計測装置

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JP2689137B2 JP19885288A JP19885288A JP2689137B2 JP 2689137 B2 JP2689137 B2 JP 2689137B2 JP 19885288 A JP19885288 A JP 19885288A JP 19885288 A JP19885288 A JP 19885288A JP 2689137 B2 JP2689137 B2 JP 2689137B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は荷電粒子ビームの質、特にエミッタンスを測
定するための計測装置に関する。
(従来の技術) 一般に荷電粒子ビーム加速器で、その出力電流を大き
くするためには、イオン源から放出される荷電粒子(イ
オン)ビームの強度を大きくするとともにその質を良く
する必要がある。そして、荷電粒子ビームの質の良し悪
しはエミッタンスと呼ばれる物理量が大きく左右する。
即ち、エミッタンスの小さいビームが質のよいビームで
あり、このビームは加速器内において、損失が極めて少
なくすることができる。
ところで、従来、荷電粒子ビームのエミッタンスを測
定する際には、ビーム通路中にスリット孔が形成された
スリット板を配置し、さらに、このスリット板の後方に
ビーム通路を横切る方向に張られた複数の金属ワイヤを
備えるワイヤーモニタを配置して、測定を行っている。
即ち、スリット孔を通過したビームをワイヤーモニター
に当て、これによって金属ワイヤーに生じる電流を取り
出す。金属ワイヤーに生じる電流はビーム強度に比例す
るから、この電流値に基づいて荷電粒子ビームの粒子分
布を知ることができる。スリット板をビーム通路を横切
る方向にわずかづつ動かして、同様にして粒子分布を求
め、これら複数の粒子分布に基づいて、荷電粒子ビーム
全体の位相空間における全粒子分布及びエミッタンスを
得ている。
(発明が解決しようとする課題) ところが、従来の計測装置の場合、スリット板を少し
づつ動かして、その都度粒子分布を測定しなければなら
ないから、荷電粒子ビーム全体の粒子分布を得るのに手
間がかかるという問題点がある。
さらに、金属ワイヤーに生じる電流は極めて微弱であ
るから、粒子分布の検出精度、ひいてはエミッタンスの
測定精度が悪いという問題点がある。
また、スリット板を通過してしまう高エネルギーの荷
電粒子ビームに対しては、エミッタンスの測定ができな
いという問題点がある。
(課題を解決するための手段) 本発明によれば、ビーム通路上の2点に配置され、該
ビーム通路を進行する荷電粒子ビームを該進行方向から
撮像する2式の撮像手段と、該ビーム通路上の2点の間
には配置され、該2点間のトランスファーマトリックス
を変化させるための電磁石手段と、前記撮像されたビー
ム像を用いて前記荷電粒子ビームの質を求める画像処理
手段とを有し、前記電磁石手段により前記トランスファ
ーマトリックスを変化させ、その都度前記撮像手段から
のビーム像に基づいて該ビーム像の分散を求め、該トラ
ンスファーマトリックス及び分散から前記荷電粒子ビー
ムの質を求めるようにしたことを特徴とする荷電粒子ビ
ーム計測装置がえられる。
(作 用) 本発明では、電磁石手段に加える電流値を変えて、ビ
ーム通路に異なる磁場を与える。これによって予め定め
られたビーム通路上の地点(S0地点)と撮像手段(地点
S1)との間における位相空間で規定されるトランスファ
ーマトリックスを変化させる。そして、このトランスフ
ァーマトリックスを変える毎に、撮像手段で撮像された
ビーム像の分散を求める。これらトランスファーマトリ
ックス及び分散を用いて、荷電粒子ビームの質、特にエ
ミッタンスを求める。
つまり、分散をσ、トランスファーマトリックスを 位相空間における荷電粒子ビームの質をここではトイス
(Twiss)パラメータα,β,γ及びエミッタンスεと
すれば、 (ただし、σはS1地点での分散、α000
それぞれS0地点でのTwissパラメータ及びエミッタンス
を示す。) と表わすことができ、トランスファーマトリックスは
既知であるから、上述のようにトランスファーマトリッ
クスを変えて、その都度ビーム像の分散を求めれば、荷
電粒子ビームの質を決定するTwissパラメータ、及びエ
ミッタンスを求めることができる。
(実施例) 以下本発明について実施例によって説明する。
第1図を参照して、ビーム通路1には、所定の間隔に
おいて、透過性の蛍光スクリーン2及び3が配置されて
いる。そして、この蛍光スクリーン2及び3間には四重
極電磁石4aが配置されている。蛍光スクリーン2及び3
に対応してそれぞれファイバースコープ4及び5が配置
されており、このファイバースコープ4及び5はそれぞ
れCCDカメラ6及び7に接続されている。さらにCCDカメ
ラ6及び7は画像処理装置8に接続され、この画像処理
装置8は計算機9に接続されている。また、計算機9に
は駆動装置10,11及び可変電流源9が接続されている。
四重極電磁石4aには計算機9からの指令に基づき可変電
流源12から電流が加えられる。一方、駆動装置10及び11
によってそれぞれ蛍光スクリーン2及び3が駆動され、
ビーム通路1上に位置される。
ビーム通路1を進行する荷電粒子ビームは、蛍光スク
リーン2及び3を透過して進行する。この際、蛍光スク
リーン2及び3上にはビーム画像が投影される。
ところで、荷電粒子ビームでは、位相空間上の粒子分
は、一般にガウス分布となっている。即ち、位相空間上
の粒子分布は第(1)式で示される。
ここで、xはビームの軸から半径方向への変位、x′
=dx/dz(zはビームの進行方向)、α,β,γはトイ
ス(Twiss)パラメータ、εはエミッタンスを表わす。
また、Twissパラメータα,β,γの間には第(2)式
に示す関係がある。
βγ=1+α …(2) ここで、蛍光スクリーン2(地点(S0))における荷
電粒子ビームのエミッタンス及びTwissパラメータをそ
れぞれε及びα00とし、座標系を(x0,
x′)とすると、位相空間上の粒子分布は第(3)式
で表わせる。
一方、蛍光スクリーン3の配置されている位置を地点
(S1)とし、この地点S1における変位をx1,dx1/dz=
x′とすると、 と表わすことができる。
なお、Aはトランスファーマトリックスで である。
荷電粒子ビームは線型の運動を行っているから、この
場合には、|A|=1である。従って、(dx0,dx′)の
領域におけるエミッタンスは地点S1でも保存するので、
地点S1における粒子分布確率P1(x1,x′)は第(4)
式で表わされる。
ただし、α11は地点(S1)におけるTwissパ
ラメータであり、トランスファーマトリックスAを用い
ると次の第(5)式で示される。
ところで、地点(S1)における荷電粒子のx方向の粒
子分布は、 で示される。
第(4)式を用いると、この粒子分布Px 1(x1)dx1
次の第(6)式で示されることになる。
従って、粒子分布の幅、即ち分散σ1x(σ1xは地点S0
おいて直交座標(X−Y座標)のX軸上へのビーム像の
投影図の分散を示す)は となる。一方、第(5)式から であるから、第(7)式に示すようになる。
一方、地点S0と地点S1との間における位相空間で規定
されるトランスファーマトリックスAは四重極電磁石4a
へ印加する電流値を変化させることにより変化させるこ
とができる。即ち、地点S0から四重極電磁石4aまでの距
離をl1、四重極電磁石4aから蛍光スクリーン3(地点
S1)までの距離をl2とすれば、トランスファーマトリッ
クスAは次の式(8)式で表わすことができる。
ここで であり、四重極電磁石4aによる変換行列を示す。
この変換行列Qは、四重極電磁石4aに加える電流値の
設定を予め定められた設定値に変えることによって、
Q1,Q2,……と変化させることができる。よって、第
(8)式から明らかなように、この変換行列Qを変える
ことにより、トランスファーマトリックスAをA1,A2,…
と変化させることができる。従って、電流値と変換行列
Qとの関係を予め知っておけば、電流値によって、トラ
ンスファーマトリックスAを種々に変化させることがで
きる。
第2図(a)及び(b)も参照して、前述のように、
蛍光スクリーン2及び3上のビーム像がそれぞれファイ
バースコープ4,5及びCCDカメラ6,7を介して画像処理装
置8に入力される。この際、計算機9からの指令により
可変電流源12から四重極電磁石4aに電流が印加され、四
重極電磁石4aによりトランスファーマトリックスはA1
維持されているものとする。
トランスファーマトリックスがA1の際における蛍光ス
クリーン3上のビーム像I1(第2図(a)に示す)は画
像処理装置8で、第2図(a)に示すようにX−Y座標
のX軸及びY軸に投影され、ここで、X軸における分散
σ1x及びY軸における分散σ1yが求められる。この分散
σ1x及びσ1yは画像処理装置8から計算機9に送られ、
記憶される。この際、この分散σ1x及びσ1yはトランス
ファーマトリックスA1に対応して記憶される。
次に、計算機9からの指令により、四重極電磁石4aに
加える電流値を変えて、トランスファーマトリックスを
A2に変える。トランスファーマトリックスがA2の時の蛍
光スクリーン3上のビーム像I2(第2図(b)に示す)
は、第2図(b)に示すようにX−Y座標のX軸及びY
軸に投影され、ここで分散σ2x及び分散σ2yが求められ
る。この分散σ2x及びσ2yは同様に計算機9に送られ、
トランスファーマトリックスA2に対応して記憶される。
さらに、同様にして、四重極電磁石4aによりトランス
ファーマトリックスをA3に変えて、蛍光スクリーン3上
のビーム像I3(第2図(c)に示す)の分散σ3x及びσ
3yを画像処理装置8で求め、計算機9にトランスファー
マトリックスA3に対応させて、この分散σ3x及びσ3y
記憶する。
なお、同様にして、トランスファーマトリックスA1,A
2,及びA3に対応して蛍光スクリーン2上のビーム像が画
像処理装置8に入力され、ここで各分散(σ1x)′,
(σ1y)′,(σ2x)′,(σ2y)′,(σ3x)′,及
び(σ3y)′が求められ、計算機8に記憶される。
ところで、第(2)式から明らかなように、Twissパ
ラメータγはTwissパラメータα0に従属してい
る。一方、前述のようにトランスファーマトリックス
A1,A2及びA3は既知の値として、計算機9に格納されて
おり、また、計算機9には、それぞれ分散σ1x2x
3x,及び分散σ1y2y3yが記憶されているから、第
(7)式にそれぞれσ1x2x3xを代入して、この3
元連立1次方程式を解けば、地点S0におけるエミッタン
ス▲εx 0▼,Twissパラメータ▲αx 0▼,▲βx 0▼,▲γ
x 0▼を求めることができる(なお、xはX軸方向(水平
方向)を示す)。
また、第(7)式にそれぞれ分散σ1y2y3yを代
入して、この3元連立1次方程式を解けば、地点S0にお
けるエミッタンス▲εy 0▼,Twissパラメータ▲αy 0▼,
▲βy 0▼,▲γy 0▼を求めることができる(なお、yは
Y軸方向(垂直方向)を示す)。
次に計算機9は上述のようにして算出されたエミッタ
ンス及びTwissパラメータを用いて、S0におけるX軸方
向及びY軸方向の分散を求め、これらを蛍光スクリーン
2からのビーム像から得られた分散((σ1x)′,(σ
2x)′,(σ3x)′,(σ1y)′,(σ2y)′,
(σ3y)′)と比べ、算出エミッタンス及びTwissパラ
メータが正しいかどうかを確認する。
このようにして算出されたエミッタンス及びTwissパ
ラメータによって荷電粒子ビームの質がわかる。なお、
上述の実施例では、蛍光スクリーン2からのビーム像を
エミッタンスおよびTwissパラメータ確認のため用いて
いるが、この蛍光スクリーン2は特に必要なものでな
く、省略しても差しつかえない。
(発明の効果) 以上説明したように本発明では、電磁石手段によって
トランスファーマトリックスを変えて、その都度ビーム
像の分散を求めて、これらトランスファーマトリックス
及びビーム像の分散から荷電粒子ビームの質を求めてい
るから、つまり、トランスファーマトリックスを3回変
化させるだけで、荷電粒子の質を計測できるから、計測
が極めて短時間で済む。さらに撮像手段によって撮像さ
れたビーム像から分散を求めているから、従来のマルチ
ワイヤーを用いて分散を求めるよりも荷電粒子ビームの
計測精度がよく、低エネルギーのビーム及び高エネルギ
ーのビームすべてに対応できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による計測装置の一実施例を示す図、第
2図(a),(b),及び(c)は荷電粒子ビーム像の
分散の算出を説明するための図である。 1……ビーム通路、2,3……蛍光スクリーン、4a……四
重極電磁石、4,5……ファイバースコープ、6,7……CCD
カメラ、8……画像処理装置、9……計算機、10,11…
…駆動装置、12……可変電流源。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ビーム通路上の2点に配置され、該ビーム
    通路を進行する荷電粒子ビームを該進行方向から撮像す
    る2式の撮像手段と、該ビーム通路上の2点の間には配
    置され、該2点間のトランスファーマトリックスを変化
    させるための電磁石手段と、前記撮像されたビーム像を
    用いて前記荷電粒子ビームの質を求める画像処理手段と
    を有し、前記電磁石手段により前記トランスファーマト
    リックスを変化させ、その都度前記撮像手段からのビー
    ム像に基づいて該ビーム像の分散を求め、該トランスフ
    ァーマトリックス及び分散から前記荷電粒子ビームの質
    を求めるようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム計
    測装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9449791B2 (en) 2014-06-13 2016-09-20 Sumitomo Heavy Industries Ion Technology Co., Ltd. Beam irradiation apparatus and beam irradiation method

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9449791B2 (en) 2014-06-13 2016-09-20 Sumitomo Heavy Industries Ion Technology Co., Ltd. Beam irradiation apparatus and beam irradiation method

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