JP3820507B2 - ビーム位置検出モニター - Google Patents

Description

本発明は、リニアック、蓄積リングなどのシンクロトロン等のビーム輸送系において、ビームの位置を確認したりビームの大きさを測定するために用いられるビーム検出モニターに関する。

リニアックはシンクロトロンでは電子ビーム軌道の位置およびビームの大きさが運転上の重要な管理対象になるため、立ち上げ時や定常運転時に要所における電子ビーム位置を測定する必要がある。このため、測定するとビームが維持できなくなる破壊型検出方法であるにもかかわらず、ビーム軌道中に酸化アルミニウムなどの蛍光板を挿入し、ビームが衝突して発生する蛍光をＣＣＤカメラ等で観測する方法が用いられる。

図５は従来のビーム位置検出モニターの例を示す一部断面立面図である。
電子ビーム位置を検出するときは電子ビーム軌道に蛍光板を挿入し、これらの板に電子ビームが当たって光る様子を覗窓から観測する。ＣＣＤカメラなどを覗窓の外に設置して取得した画像を画像表示装置に表示させてもよい。なお、電子ビームの電流量によっては蛍光板を金属板に取り替えて測定しても良い。

特許文献１には蓄積リングの加速器のビーム調整時に用いる蛍光板モニター装置が開示されている。この蛍光板モニター装置はビーム路に挿入する蛍光板に複数の穴を設けて、ビームの一部が下流側に通過するようにして、もう１周リングを周回してきたビームの位置を知ることができるようにしたものである。

このような蛍光を利用したビーム位置検出方法は感度が良いため、衝突する粒子ビームの電流値が大きくなると発光量が大きくなりすぎてビーム中心位置が特定しにくくなりかつビーム輪郭も不明瞭になる欠点があり、立ち上がり時のビーム電流値が小さい間はモニターの役を果たしても、定常運転状態のモニターはできないなどの問題があった。
なお、強いビームについて位置を知るためには、ビームの衝突後ある時間を措いてから残光を測定するなどの工夫が行われるが、正確な測定結果を得ることは難しかった。

一方、アルミニウム等の金属に高エネルギーの電子ビームが衝突すると光学的遷移放射（ＯＴＲ）と呼ばれる発光が生じる。この発光現象を利用して電子ビームの位置測定を行うこともできるが、発光効率が低いため加速器の調整時における比較的小さなビーム量を検出することは困難であった。

なお、リニアックにおけるα電磁石は、荷電粒子ビームのエネルギー分析とビームのバンチングを行うための部品であり、運転上、ビームの入射位置と入射方向を正確に調整することが重要である。
図６はα電磁石におけるビーム調整を説明する図面である。電子銃から発射され加速された電子ビームは所定の角度を持ってα電磁石に入射する。電子ビームはα電磁石の磁界内で偏向してほぼ１回転し、α字形の軌跡をたどり所定の角度を持って次の加速管に向けて放出される。

電子の速度が遅いほど曲率半径が小さいためα軌道の内側を通り、電子の速度が速いほど外側の軌道を通る。
電子ビームを４０．７１度の傾きをもってα電磁石の入り口線に入射させると、α形軌道中で一旦分離した電子ビームが再び集合して、同じ点から４０．７１度の傾きをもって射出する。
α電磁石の磁界中では電子ビーム中の速い成分が長い距離を飛翔し遅い成分が短い距離を飛翔するので、α電磁石の出口ではビーム中の位相分布が揃ったより質の良い電子ビームに変成されている。

α電磁石の整形作用を活用するためには、図中破線で示したαマグネットの入り口線において入射ビームと出射ビームが４０．７１度の傾きをもって重なるようにする必要がある。
このため、従来は入射管中に別途用意したビーム位置モニターを用いて位置を確認して調整している。特に入射角度を正確に測定するためには２基のビーム位置モニターを互いに離して設置し、両者の測定結果を用いて算出していた。

なお、上述のように、α電磁石内をα文字形状にたどるビーム軌道は内側の方を低エネルギー粒子が通る。そこで、α電磁石には外部から平行駆動できるビームスリット板を備えていて、α文字形状をしたビーム軌道の内側からビームスリット板を当てて、この板の位置を調整することにより適当なエネルギー水準に達しない粒子を除去してビーム中のエネルギー分布を整えることができるようにしている。
特開平５−２４９２４８号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は。リニアックやシンクロトロンなどのビーム輸送系において、簡単な機構により広い範囲の電流量に対応できるビーム位置測定を可能とするビーム検出モニターを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明に係る、蛍光板を貼付したスクリーンをビーム輸送系のビーム軌道中に挿入してビーム位置を検出するビーム位置検出モニターは、蛍光板を貼付したスクリーンの一部に光学的遷移放射（ＯＴＲ）現象を呈する金属板（ＯＴＲ板）を設けて、ビーム量が小さいときは蛍光を観察しビーム量が増加したときには遷移放射光を観察することによりビームの位置を知るようにしたことを特徴とする。

本発明の構成を有することにより、ビームの電流量が小さい立ち上がり時の調整では蛍光現象を用いて感度よくビーム位置やビームプロフィールを検出し、電流量が大きくなる定常運転条件での調整には光学的遷移放射現象を利用して正確にビーム位置と形状を測定することができる。

このため、スクリーンの一方の面に蛍光板を備え、裏側の面に金属板を備えるようにすることが好ましい。
こうすると調整時等では蛍光面を用いて測定し、ビーム電流が大きくなって明瞭な像が得られなくなると、スクリーンを回転して裏面の金属面にビームが当たるようにして、正しいビーム位置を確認することができる。

さらに、真空用回転導入端子を備え、この回転導入端子によりスクリーンを１８０度回転させてビームの照射する面を切り替えるようにすることができる。
真空用回転導入端子を用いることにより、容易にスクリーンを回転させて測定感度を変更することができるのみでなく、遠隔操作するための機構を付与することにより切り替え時にレーザ装置の運転を休止する必要がなくなるため、調整が極めて容易になる。

また、スクリーンの片面に蛍光板の部分と金属板の部分の両方を備えるようにしてもよい。
こうすることで、回転せず平行移動するだけで、異なる強度のビームについて測定ができる。
さらに、スクリーンのビーム中心照射位置を通る直線を挟んで一方に蛍光板を備え、他方に金属板を備えるようにしてもよい。
このように蛍光板とＯＴＲ板をビームの中心で分けることにより、スクリーンの位置を異なる位置に調整しないでも、同じ位置にセットすることにより異なる強度のビームについて測定ができ、測定装置が極めて簡易なものになる。

さらに本発明のビーム位置検出モニターは、リニアック等に用いられるα電磁石中のビーム軌道においてエネルギーの小さい粒子ビームを除去するために用いられるスリットの裏面に入射ビームが衝突すると光を発生する材料を貼着しておき、ビーム位置を測定するときにはスリットをビームの入射位置まで移動させて発光位置を観察することによりビーム位置とビームサイズをモニターするようにすることを特徴とするものであってもよい。

本発明は、既に使用されているビームスリット板の裏側を用いてビーム位置検出モニターのスクリーンを併用するもので、従来装置におけるビームスリット板駆動機構のストロークを延ばす必要があるが、僅かな改良を加えることでαマグネットの入り口線におけるビーム位置を正確に測定できるようになる。
なお、スリットの裏面の中央部を通る直線を挟んで一方に蛍光板を備え、他方に金属板を備えるようにして、スクリーンを同じ位置に据えることにより異なる水準のビーム位置を測定することができる。

また、上記それぞれのビーム位置検出モニターにおいて、蛍光板を酸化アルミニウムで形成し、金属板をアルミニウムで形成するようにしてもよい。
これらの材料は比較的容易に入手でき、しかも十分な蛍光を発生し、比較的強いＯＴＲ光を発生する。

本発明の自由電子レーザ装置は、上記いずれかのビーム位置検出モニターを組み込んであることを特徴とする。
改良されたビーム位置検出モニターのため、簡便にかつより正確にビーム位置とビーム形状の調整ができるため、立ち上がり時間の節約と精度の高い運転が可能となる自由電子レーザ装置が得られる。

以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明のビーム位置検出モニターの１実施例を表す構成図、図２は本実施例に用いられるスクリーンの正面図と側面図、図３は本実施例に用いられる各種のスクリーンの側面図、図４は本発明のビーム位置検出モニターの第２の実施例を示す構成図である。

本実施例のビーム位置検出モニターは、自由電子レーザ装置におけるビーム輸送系のビームチャンバーに設けてビーム位置を検出するものである。
図１において、１はビームチャンバ、２はモニター取付用ノズル、３はスクリーン、４はスクリーン挿入用シリンダー、５はベローズ、６は回転導入端子、７は覗窓、８はＣＣＤカメラ、９は電子ビームである。

スクリーン３は定常運転時にはシリンダー４により上に引き上げてビーム通路を避けているが、ビーム位置の調整や精度の確認などのためにビームを測定するときにはスクリーン挿入用シリンダー４を駆動してビームの軌道内に挿入することができる。
スクリーン３は回転導入端子６により手動あるいは遠隔操作で１８０度回転することができる。

図２は本実施例に用いられるスクリーン３の拡大図である。図２（ａ）はスクリーンを上流側から見た正面図、図２（ｂ）は側面図である。
スクリーン３の表面に、図２（ａ）に示すように実寸が明らかになるようなターゲット模様を付して、電子ビームの中心位置やビーム輪郭の形状を正確に読みとれるようにしても良い。
図２（ｂ）に示すように、スクリーン３の表面には電子に当たって蛍光を発生する酸化アルミニウムなどの蛍光板３１が貼付されており、裏面には光学的遷移放射（ＯＴＲ）現象を呈するアルミニウム金属などのＯＴＲ板３２が貼付されている。

したがって、運転開始時の位置調整など低いエネルギーの電子ビームが用いられるときは酸化アルミニウム蛍光板３１が貼付された面を電子ビームが入射してくる側に向けて、電子ビームが当たって光る状態を覗窓７を通してＣＣＤカメラ８で撮影することができる。
電子ビームが当たって発生する蛍光は十分強いので、電流値の小さい電子ビームが衝突する場合でも強く発光し感度よくビームの中心位置やビームの断面形状を検出することができる。
電子ビーム位置を確認した後、スクリーン３をモニター取付用ノズル２の中に退避して運転を継続する。

立ち上がり調整において、徐々に出力を上げていくと電子ビームの電流値が大きくなり、蛍光板３１をターゲットにすると電子ビームを受けた部分が明るくなりすぎて飽和し中心位置を明確に指定することができなくなる。また、電子ビームが衝突している部分の輪郭も明瞭でなくなる。通常運転における状態を観察しようとするときにも同じ現象が生じる。

そこで、本実施例では、電流量の大きい電子ビームを測定するときには、アルミニウムを貼付したＯＴＲ板面３２が電子ビームに対向する方向に向くようにスクリーン３を回転して電子ビーム軌道中に挿入し、電子との衝突により生ずる光学的遷移放射（ＯＴＲ）光を覗窓７を介してＣＣＤカメラ８で撮影して表示装置で位置と輪郭形状を確認する。ＯＴＲ光は蛍光板の発光より感度が低いので高エネルギー電子ビームの中心位置や輪郭を正確に観察することができる。
蛍光板３１やＯＴＲ板３２にターゲット模様など位置確認用の印が付されている場合には、スクリーン３をビームチャンバー１に対して決められた位置に正確に挿入して固定すると、発光部分の光分布状況に基づいて電子ビームの走行位置が正しく把握できる。

このように、１枚のスクリーン３でエネルギーの低い状態と高い状態の電子ビームの位置検出ができるようになった。
なお、作業者が運転中の加速器装置に近寄ると放射線障害を受ける危険があるため、従来のようにエネルギー水準が変わってスクリーンを取り替える場合は加速器等の運転を停止する必要があった。
しかし、本実施例のビーム位置検出モニターでは回転導入端子６を利用することにより切り替えを作業者の手でなく遠隔操作で行えるため、加速器等の運転を停止しなくても済むようになった。
運転を中断しないため、一旦調整したビーム位置が狂うことも少なく、運転効率を上げる効果ももたらした。

なお、蛍光板とＯＴＲ板をスクリーン３の表裏２面に分離して貼付する代わりに、１面を分割して分割した一方に蛍光板を他方にＯＴＲ板を貼付するようにしてもよい。
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はスクリーンの別の形態を示す側面図である。
図３（ａ）は、蛍光板で形成した基板３３の下側をＯＴＲ光を生じる金属板３４で覆って形成したスクリーン、図３（ｂ）は基板３５の一方の表面を分割して一方に蛍光板３６、他方にＯＴＲ板３７を張り付けて形成したスクリーン、図３（ｃ）は金属板３８を基板として上側半分に蛍光板３９を張り付けて形成したスクリーンを、それぞれ表示したものである。

このようにスクリーンの片方の表面に２種類の発光板を設けたものは、電子ビームの電流量の増減に伴って発光板を切り替える場合にも、回転する代わりに平行移動させればよいので、機構が簡単になる。
さらに、２種類の発光板の突き合わせ部分を電子ビームの中心に合わせるようにすれば、電子ビームのエネルギーが変わっても測定時におけるスクリーン３の設定位置が変化しないため、操作が容易になる。
なお、図面では蛍光板とＯＴＲ板を上下の方向に並置したものを図示したが、上下方向に限らず、スクリーンの駆動軸を横切る方向に２種類の発光板が並んでいればよい。

本実施例のビーム位置検出モニターは、自由電子レーザ装置に用いるリニアックにおけるα電磁石の部分で使用されるものである。
図４において、１１はα電磁石用チャンバ、１２はビーム入射ノズル、１３はビーム出射ノズル、１４はスリット取付用ノズル、１５はスクリーンを兼ねたビームスリット、１６はスリット駆動装置、１７はベローズ、１８は覗窓、１９はＣＣＤカメラ、２０は電子ビームの軌道である。
ビームスリット１５の裏面、図中右側の面には、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に表示したと同じく、蛍光板とＯＴＲ板が並置されている。

加速された電子ビームはビーム入射ノズル１２から所定の角度を持ってα電磁石に入射する。
電子ビームはα電磁石の磁界内でα字形の軌跡２０をたどり、α字形軌道の頂点位置でビームスリット１５によりエネルギー整形された上で、所定の角度を持ってビーム出射ノズル１３から出射する。
出射される電子ビームのエネルギー分布状態は点線で描いたビームスリットの位置１５’で決まる。ビームスリット１５の位置はスリット駆動装置１６により調整することができる。

入射位置と入射角度は図中破線で示したα電磁石の入り口線を基準として決定される。
電子ビームが正しい位置に入射していることを確認するため、ビームスリット１５を電磁石の入り口線の位置まで移動して発光板が取り付けられている裏面に入射電子ビームが衝突するようにする。
このため、ビームスリット１５の駆動装置１６は従来装置におけるスリット駆動装置より長いストロークを有するものである必要がある。

ビームスリット１５の発光板をビーム入射位置の基準となるα電磁石の入り口線上に設置すると、電子ビームが衝突して光る様子を覗窓１８を通してＣＣＤカメラで撮影して観察することにより、電子ビームの中心位置やビーム断面形状が直接的にしかも正確に把握できる。電子ビームの電流量が小さいときは蛍光板部分で、電流量が大きいときは金属板の部分で測定すれば、広い範囲のエネルギーに対して測定が可能である。

以上説明した通り、本発明のビーム検出モニターを用いれば、簡単な機構により広い範囲の電流量に対応してビーム位置測定が可能である。また、エネルギー水準が変わったときにも加速器等の運転を停止することなく異なる感度を有する発光板に切り替えることができるため、リニアックやシンクロトロンなどの装置運転効率が向上する。

本発明のビーム位置検出モニターの１実施例を表す構成図である。 本実施例に用いられるスクリーンの正面図および側面図である。 本実施例に用いられる各種のスクリーンの側面図である。 本発明のビーム位置検出モニターの第２の実施例を示す構成図である。 従来技術のビーム位置検出モニターの１例を表す構成図である。 従来技術のビーム位置検出モニターの別の例を表す構成図である。

符号の説明

１ ビームチャンバ
２ モニター取付用ノズル
３ スクリーン
３１、３３、３６、３９ 蛍光板
３２、３４、３７、３８ 光学的遷移放射（ＯＴＲ）板
３５ 基板
４ スクリーン挿入用シリンダー
５ ベローズ
６ 回転導入端子
７ 覗窓
８ ＣＣＤカメラ
９ 電子ビーム
１１ α電磁石用チャンバ
１２ ビーム入射ノズル
１３ ビーム出射ノズル
１４ スリット取付用ノズル
１５ ビームスリット
１６ スリット駆動装置
１７ ベローズ
１８ 覗窓
１９ ＣＣＤカメラ
２０ ビーム軌道

Claims (4)

1. リニアック等の加速器に用いられるα電磁石中のビーム軌道においてエネルギーのずれた粒子ビームを除去するために用いられるスリットの裏面に入射ビームが衝突すると光を発生する材料を貼着して、ビームの入射位置まで移動させて発光位置を観察することによりビーム位置とビームサイズをモニターすることを特徴とするビーム位置検出モニター。
2. 前記光を発生する材料が蛍光板と金属板であって、前記スリットの中央部を通る直線を挟んで一方に前記蛍光板を備え、他方に前記金属板を備えることを特徴とする請求項１記載のビーム位置検出モニター。
3. 前記蛍光板の組成が酸化アルミニウムであり、前記金属板の組成がアルミニウムであることを特徴とする請求項２記載のビーム位置検出モニター。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のビーム位置検出モニターを備えた自由電子レーザ装置。
   

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