JPH03282222A - シンクロトン放射光モニタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、荷電粒子加速蓄積装置から発生するシンク
ロトン放射光（以下、ＳＯＲという）をモニタする装置
に関し、特に調整作業及び構成の簡略化を実現したシン
クロトン放射光モニタ装置に関するものである。

［従来の技術］ 一般に、荷電粒子加速蓄積装置のストレージリングから
外に取り出されるＳＯＲは、リング軌道内を周回してい
る荷電ビームに関する情報が豊富に含まれている。従っ
て、ＳＯＲをモニタすることによって、リング内の荷電
ビームく例えば、電子ビーム）の状態をモニタすること
ができる。

この種のシンクロトロン放射光モニタ装置においては、
例えば、ＳＯＲビームの垂直方向及び水平方向の強度分
布に基づいてリング内の電子ビームの形状が測定され、
ＳＯＲビームの垂直方向及び水平方向の振動に基づいて
電子ビームのベータトロン振動数（リング軌道内の振動
数）が測定される。

又、電子ビームに関する種々の情報を得るためには、特
に光学的取り扱いが簡便であることから、ＳＯＲの可視
領域を用いるモニタ装置が広く用いられている。

第４図及び第５図は、例えばｒ高エネルギー加速器セミ
ナーＯＨＯ’　８６（１９８６年８月）　＋　（７）　
第１ＩＩ　−１２頁〜第■−１７頁［ビーム・モニタと
ビーム不安定性」に記載された、フォトダイオードアレ
イを用いた従来のシンクロトン放射光モニタ装置を示す
概略構成図である。

集光光学系を示す第４図において、（１）は加速装置（
図示せず）から取り出されたＳＯＲの可視領域の光ビー
ムを反射するミラーであり、真空中に配置されている。

（２）は真空中と大気中との境界をなす真空窓である。

（３ａ）〜（３ｃ）はＳＯＲビームの方向を変えるため
に光路中に配置された反射ミラー、（４ａ）〜（４ｄ）
はＳＯＲビームを反射及び透過するように光路中に配置
されたビームスプリッタ、（５）は光路中に配置された
集光用の望遠レンズ、（６ａ）〜（６ｄ）は結像対象（
フォトダイオードアレイ）に近接して光路中に配置され
た倍率調整用のレンズ、（７）はビームスプリッタ（４
ｄ）にレーザビームを照射してＳＯＲビームの光軸及び
倍率を校正するためのレーザ発振器であり、これら（３
）〜（７）によりＳＯＲの集光光学系が構成されている
。

（８）はビームスプリッタ（４ａ）及びレンズ（６ａ）
を介したＳＯＲビームを受光する４分割フォトダイオー
ドアレイであり、ビームスポットに対して中心が一致す
るように田形に配置された４つのフォトダイオードセル
（以下、単にセルという）（８ａ）〜（８ｄ）から構成
されている。尚、４分割フォトダイオードアレイ（８）
は、電子ビームのベータトロン振動数の測定のために、
水平及び垂直ビーム振動読出用の信号処理回路（後述す
る）に接続されている。

（９ａ）及び（９ｂ）はＳＯＲビームを受光する垂直方
向及び水平方向のりニアフォトダイオードアレイであり
、垂直（Ｙ）方向に配列されたりニアフォトダイオード
アレイ＜９ａ）は、ビームスプリッタ〈４ｂ）及びレン
ズ（６ｂ）を介したＳＯＲビームを受光するように配置
され、水平（Ｘ）方向に配列されたりニアフォトダイオ
ードアレイ（９ｂ）は、レンズ（６Ｃ）、（６ｄ）、ビ
ームスプリッタ（４Ｃ）及び反射ミラー（３Ｃ）を介し
た光ビームを受光するように配置されている。

第５図は４分割フォトダイオードアレイ（８）に接続さ
れた信号処理回路を示す回路図である。

図において、（１０）は４分割フォトダイオードアレイ
（８）から出力される４つのチャネル信号を電圧信号に
変換する電流電圧変換器であり、第１入力端子が各セル
（８ａ）〜（８ｄ）のアノードに接続され且つ第２入力
端子が接地されたオペアンプＡと、オペアンプＡの出力
端子と第１入力端子との間に挿入された帰還抵抗器Ｒｆ
と、オペアンプＡの出力端子に接続された一対の出力抵
抗器Ｒ１とを各チャネル毎に備えている。

（１１）は電流電圧変換器（１０）に接続されて振動方
向を分離するための演算回路であり、各セル（８ａ）及
び（８ｂ）の出力信号の和に相当する電圧Ｖａｂと各セ
ル（８ｃ）及び（８ｄ）の出力信号の和に相当する電圧
Ｖｃｄとを比較するオペアンプＡＹと、各セル（８ａ）
及び（８ｄ）の出力信号の和に相当する電圧Ｖａｄと各
セル（８ｂ）及び（８ｃ）の出力信号の和に相当する電
圧Ｖｂｃとを比較するオペアンプＡＸと、各オペアンプ
の出力端子と第１入力端子との間に挿入された帰還抵抗
器Ｒ２と、各オペアンプの第２入力端子に接続された接
地抵抗器Ｒ１とを備えている。

尚、オペアンプＡＹからはＹ（垂直）振動信号が出力さ
れ、オペアンプＡＸからは×（水平）振動信号が出力さ
れ、これらのＹ振動信号及びＸ振動信号は、図示しない
パソコン等に入力され、具体的な解析に用いられる。

次に、第４図及び第５図に示した従来のシンクロトン放
射光モニタ装置の動作について説明する。

光取り出し用のミラー（１）で反射され且つ真空窓（２
）を通して加速装置から取り出されたＳＯＲは、反射ミ
ラー（３ａ）〜（３ｃ）、ビームスプリッタ（４ａ）〜
（４ｄ）、望遠レンズ（５）、及び、倍率調整用のしン
ズ（６ａ）〜（６ｄ）により構成された集光光学系に導
かれ、４分割フォトダイオードアレイ（８）、リニアフ
ォトダイオードアレイ（９ａ）及び（９ｂ）に照射され
て結像される。従って、各フォトダイオードアレイのセ
ルからは、ＳＯＲビームの光強度に比例した電気信号が
得られ、これにより、加速リング内の電子ビームの形状
やベータトロン振動数が測定される。

まず、光学系に入射されたＳＯＲビームは、ビームスプ
リッタ（４ｄ）を通して反射ミラー（３ａ）て反射され
た後、望遠レンズ（５）により集光され、ビームスプリ
ッタ（４ａ）により更に分割される。

ビームスプリッタ（４ａ）で分割されたＳＯＲビームの
うちの一方はレンズ（６ａ）を介して４分割フォトダイ
オードアレイ（８）に結像され、他方はビームスプリッ
タ（４ｂ）により更に分割される。

ビームスプリッタ（４ｂ）で分割されたＳＯＲビームの
うちの一方はレンズ（６ｂ）を介してリニアフォトダイ
オードアレイ（９ａ）に結像され、他方は反射ミラー（
３ｂ）て反射され、レンズ（６Ｃ）及び（６ｄ）を介し
た後、ビームスプリッタ（４Ｃ）により更に分割され、
反射ミラー（３Ｃ）で反射されてリニアフォトダイオー
ドアレイ（９ｂ）に結像される。

この結果、リニアフォトダイオードアレイ（９ａ）及び
〈９ｂ）においては、各セルからの信号強度を用いて、
電子ビームの垂直方向又は水平方向の強度分布形状が測
定される。

一方、４分割フォトダイオードアレイ（８）においては
、各セル（８ａ）〜（８ｄ）からの信号強度に基づいて
、電子ビームのベータトロン振動数が測定される。

即ち、電流電圧変換器（１０）により各セル（８ａ）〜
（８ｄ）の信号強度を電圧信号に変換した後、演算回路
（１１）により、セル（８ａ）及び（８ｂ）の和信号と
セル（８ｃ）及び（８ｄ）の和信号との差に基づいてＹ
振動信号を求め、セル（８ｂ）及び（８ｃ）の和信号と
セル（８ａ）及び（８ｄ）の和信号との差に基づいてＸ
振動信号を求める。ここで、周知のｒｆノックアウト方
式等で電子ビームに強制振動を与えることにより、スペ
クトラムアナライザ等でベータトロン共振周波数を各振
動信号のピークとして読み取ることができる。

このとき、高精度に振動情報を得るためには、ＳＯＲビ
ームの結像中心を田形の４分割フォトダイオードアレイ
（８）の中心と一致させなければならないので、レーザ
発振器（７）により光軸及び倍率の微調整が行なわれる
。

又、３台のフォトダイオードアレイ（８）、（９ａ）及
び（９ｂ）は、ビームスプリッタ（４ａ）〜（４ｄ）や
レンズ（６ａ）〜（６ｄ）等を含む光学系のセツティン
グと同時に、予め調整して配室されている。

しかし、ＳＯＲビームのわずかな変動が生じた場合には
、田形をなす４分割フォトダイオードアレイ（８）の中
心がＳＯＲビームの軸から外れないように、再Ｆｌ整し
なければならない、このため、通常、４分割フォトダイ
オードアレイ（８）の支持台には、正確なアライメント
を行うための微調整機構（図示せず）が設けられている
。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のシンクロトン放射光モニタ装置は以上のように、
荷電ビームの形状及び振動を測定するために別々のフォ
トダイオードアレイを設けていたので、光学系及びフォ
トダイオードアレイのセツティング調整作業に多くの労
力を必要とするうえ、構成が複雑でハードウェア点数が
多く小形化を実現することができないという問題点があ
った。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、セツティング調整を簡略化すると共に、ハー
ドウェア精成の小形化を実現したシンクロトン放射光モ
ニタ装置を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るシンクロトン放射光モニタ装置は、集光
光学系を介してＳＯＲが結像される少なくとも３×３以
上のチャネル数を有する二次元配列フォトダイオードア
レイと、二次元配列フォトダイオードアレイから得られ
る複数のチャネル信号に基づいてＳＯＲの結像形状に対
応したシリア小信号を出力するマルチプレクス回路と、
シリアル信号に基づいてＳＯＲの結像中心に隣接する複
数のチャネル信号を選択するチャネル選択回路と、チャ
ネル選択回路からのチャネル信号に基づいてＳＯＲの振
動を測定する演算回路とを備えたものである。

［作用］ この発明においては、二次元配列フォトダイオードアレ
イを荷電ビームの形状及び振動の測定に兼用して寄与さ
せることにより構成を簡略化する。

又、二次元配列フォトダイオードアレイのうち、ＳＯＲ
ビームの結像中心に隣接したセルのみを選択して振動測
定に用いることにより、受光素子及び光学系のアライメ
ントの微調整を不要とする。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例を示す概略構成図であり、（１
）〜（３）、（５）及び（６）は前述と同様のものであ
る。この場合、集光光学系は、反射ミラー（３ａ）、望
遠レンズ（５）、反射ミラー（３ｂ）及びレンズ（６）
で構成されている。

（１２）はレンズ（６）を介したＳＯＲビームが結像さ
れる二次元配列フォトダイオードアレイてあり、例えば
、１６×１６の２５６チヤネルのセルて構成されている
。

第２図は第１図内の二次元配列フォトダイオードアレイ
（１２）に接続される信号処理回路を示す回路図であり
、（１０）及び（１１）は前述と同様のものである。こ
の場合、電流電圧変換器（１０）は、二次元配列フォト
ダイオードアレイ（１２）からのチャネル信号Ｃｔ〜Ｃ
ｎ（ｎ　＝　１．２．・・、２５６）に対応した２５６
チヤネルを有し、高速に電圧信号を出力するようになっ
ている。

（２０）は二次元配列フォトダイオードアレイ（１２）
及び電流電圧変換器（１０）から構成されるモニタヘッ
ド部である。

（１３）は二次元配列フォトダイオードアレイ（１２）
から得られる複数のチャネル信号Ｃ１〜Ｃｎに基づいて
ＳＯＲの結像形状に対応したシリアル信号Ｓを比較的ゆ
っくりと出力するマルチプレクス回路、（１４）はシリ
アル信号Ｓに基づいてＳＯＲの結像中心に隣接する複数
（ここでは、４個）のチャネル信号を選択する４チャネ
ル選択回路である。

従って、演算回路（１１）は、４チャネル選択回路（１
４）からの４個のチャネル信号に基づいてＳＯＲの振動
に対応したＹ（垂直）振動信号及びＸ（水平）振動信号
を出力するようになっている。

（１６）はマルチプレクス回路（１３）及び４チャネル
選択回路（１４）の切換制御を行う制御回路、（１８）
は演算回路（１１）、マルチプレクス回路（１３）、４
チャネル選択回路（１４）及び制御回路（１６）に給電
する電源である。

（３０）は演算回路（１１）、マルチプレクス回路（１
３）４チャネル選択回路（１４）、制御回路（１６）及
び電源（１８）で構成されるモニタ本体である８尚、シ
リアル信号Ｓは、Ｘ振動信号及びＸ振動信号と共にパソ
コン等に取り込まれ、解析された後、制御回路（１６）
にフィードバックされるようになっている。

第３図は、二次元配列フォトダイオードアレイ（１２）
上のＳＯＲビームの結像状態を示す説明図であり、（＋
２ａ）〜（１２ｄ）はＳＯＲビームの結像スポットＢの
中心に隣接する４つのセルである。

次に、第３図を参照しなから、第１図及び第２図に示し
たこの発明の一実施例の動作について説明する。

前述と同様にミラー（１）及び真空窓（２）から取り出
されたＳＯＲビームは、集光光学系を介して一次元配列
フオドダイオードアレイ（１２）に結像される。そして
、二次元配列フ才ｌ・ダイオードアレイ（１２）の各セ
ルの光強度に比例した複数（２５６チヤネル）の信号か
ら、電子ビームの形状やベータトロン振動数等が測定さ
れる。尚、この場合、ベータトロン振動数測定用の二次
元配列フォトダイオードアレイ（１２）は、Ｘ方向及び
Ｙ方向の素子中心がＳＯＲビームの光軸と一致するよう
にアライメントされていなくてもよい（第３図参照）。

まず、二次元配列フォトダイオードアレイ（１２）の各
セルからの電流信号は、電流電圧変換器（１０）を介し
てチャネル毎の電圧信号に変換され、モ二夕本体（３０
）内のマルチプレクス回路（１３）に入力される。

このとき、制御回路（１６）は、マルチプレクス回路（
１３）を切換選択しており、マルチプレクス回路（１３
）は、各チャネルに対応したシリアル信号Ｓを比較的ゆ
っくり生成する。このシリアル信号Ｓは、パソコンに取
り込まれ、信号強度が解析される。

そして、シリアル信号Ｓの強度をオシロスコープ等で読
み取ることにより、受光素子の配列の中で最も信号強度
の大きいセル（即ち、ＳＯＲビームの光軸の中心）を知
ることができる。又、ＳＯＲビームの形状に対応したシ
リアル信号Ｓにより、電子ビームの分布形状を知ること
ができる。

次に、シリアル信号Ｓから得られたＳＯＲビームの光軸
中心を表わすデータに基づいて、制御回路（１６）は４
チャネル選択回路（１４）を切換選択する。

そして、４チャネル選択回路（１４）を用いて、光軸中
心に巴形をなして隣接する４つのセル（１２ａ）〜（１
２ｄ）を選択し、これらの電圧信号を演算回路（１１）
に同時に入力する。

演算回路（１１）は、前述と同様にＹ振動信号及びＸ振
動信号を生成し、これらをパソコンに入力する。このと
き、電子ビームにｒｆノックアウト方式等で強制振動を
与えることにより、スペクトラムアナライザ等でベータ
トロン共振周波数を振動信号のピークとして読み取るこ
とができる。

このように、二次元配列フォトダイオードアレイ（１２
）が、電子ビームの形状及び振動の測定に兼用して寄与
するので、第１図に示すように構成が著しく簡略化され
る。又、セツティング時の微調整も不要となるので、セ
ツティング作業も簡略化する。

尚、上記実施例では、二次元配列フォトダイオードアレ
イ（１２）をＪ６　ｘ　１６（＝　２５６チヤネル）の
セルで構成したが、３Ｘ３チヤネル以上の二次元配列で
あれば任意のチャネル数で構成しても同等の効果を奏す
る。

又、振動測定時に、２Ｘ２　（＝４＞チャネルの信号を
同時に高速処理するようにしたが、３×３（−９）チャ
ネル、又はそれ以上の信号を処理するようにしてもよい
。

「発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、集光光学系を介してＳ
ＯＲが結像される少なくとも３Ｘ３以上のチャネル数を
有する二次元配列フォトダイオードアレイと、二次元配
列フォトダイオードアレイから得られる複数のチャネル
信号に基づいてＳＯＲの結像形状に対応したシリアル信
号を出力するマルチプレクス回路と、シリアル信号に基
づいてＳＯＲの結像中心に隣接する複数のチャネル信号
を選択するチャネル選択回路と、チャネル選択回路から
のチャネル信号に基づいてＳＯＲの振動を測定する演算
回路とを備え、二次元配列フォトダイオードアレイを荷
電ビームの形状及び振動の測定に兼用して寄与させ、二
次元配列フォトダイオードアレイのうち結像中心に隣接
したセルのみを選択して振動測定に用いるようにしたの
で、受光素子及び光学系のアライメントの微調整を不要
としてセツティング作業を簡略化すると共にハードウェ
ア構成の小形化を実現したシンクロトン放射光モニタ装
置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の集光光学系を示す概略構
成図、第２図は第１図内の二次元配列フォトダイオード
アレイに接続される信号処理回路を示す回路図、第３図
は第１図内の二次元配列フォトダイオードアレイに結像
されるＳＯＲビームを示す説明図、第４図は従来のシン
クロトン放射光モニタ装置の集光光学系を示す概略構成
図、第５図は第４図内の４分割フォトダイオードアレイ
に接続される信号処理回路を示す回路図である。 （１１）・・演算回路 （１２）・・・二次元配列フォトダイオードアレイ（１
３）・・マルチプレクス回路 （１４）・・・４チャネル選択回路 Ｃ１〜Ｃｎ・・・チャネル信号 Ｓ・・・シリアル信号 尚、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 リング状の加速装置から取り出されるＳＯＲに基づいて
   、前記加速装置のリング内を周回する荷電ビームに関す
   る情報を測定するシンクロトン放射光モニタ装置におい
   て、 集光光学系を介して前記ＳＯＲが結像される少なくとも
   ３×３以上のチャネル数を有する二次元配列フォトダイ
   オードアレイと、 この二次元配列フォトダイオードアレイから得られる複
   数のチャネル信号に基づいて前記ＳＯＲの結像形状に対
   応したシリアル信号を出力するマルチプレクス回路と、 前記シリアル信号に基づいて前記ＳＯＲの結像中心に隣
   接する複数のチャネル信号を選択するチャネル選択回路
   と、 このチャネル選択回路からのチャネル信号に基づいて前
   記ＳＯＲの振動を測定する演算回路と、を備えたことを
   特徴とするシンクロトン放射光モニタ装置。