JP6901384B2 - ビームエミッタンス測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ビームエミッタンス測定装置及び方法に関する。

荷電粒子ビーム（以下、ビームと記す）エミッタンスは、加速器中を輸送しているビームの品質を表している。このビームエミッタンスは、スリットスキャン法を用いて測定することが一般的である。このスリットスキャン法には、例えば第１のスリットスキャン法と、第２のスリットスキャン法の２つがある。

第１のスリットスキャン法は、線状に形成された開口部を有するスリット板を２枚用意し、それぞれのスリット板で１次元ずつ別々にスキャンしてビームエミッタンスを測定する方法である。

第２のスリットスキャン法を適用した装置では、多孔式スリット板を固定した状態で設置し、その多孔式スリット板のビーム進行方向に対して下流側にビーム強度測定装置を設置している。第２のスリットスキャン法は、上記ビーム強度測定装置をビーム進行方向に移動させることで、ビームエミッタンスを測定する方法である。

特開２００４−９３１５１号公報

ところで、加速器中でビームを輸送する際、ビーム透過率は、最も重要な物理量の指標である。このビーム透過率は、ビーム品質（エミッタンス）に強く依存する。そのため、加速器を運転する際は、ビームエミッタンスを速やかに測定し、その測定情報をビーム輸送系のセッティングにフィードバックしなければならない。

しかしながら、第１のスリットスキャン法では、スリットスキャンを２回行う必要があり、測定するのに時間がかかるという問題がある。

また、第２のスリットスキャン法では、ビームの空間分布が非均一になりがちな低エネルギー領域のビームを用いるため、ビームエミッタンスを測定するための精度が低くなるという問題がある。

本実施形態が解決しようとする課題は、ビームエミッタンスの測定時間を大幅に削減し、かつ低エネルギー領域でのビームエミッタンスの測定精度を向上させるビームエミッタンス測定装置及び方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本実施形態に係るビームエミッタンス測定装置は、真空容器と、前記真空容器内において荷電粒子ビームの進行方向に対して垂直に設置され、前記荷電粒子ビームの径方向に対して２次元の方向に開口する開口部が形成され、かつ前記荷電粒子ビームの径方向の２次元平面上を移動可能なスリット板と、 前記真空容器内において前記スリット板の前記開口部を通過した前記荷電粒子ビームの空間分布を測定する空間分布測定装置と、を備え、前記スリット板は金属部を有し、この金属部が前記荷電粒子ビームの電流を測定するビーム電流測定装置と電気的に接続されていることを特徴とする。

本実施形態に係るビームエミッタンス測定方法は、真空容器内において荷電粒子ビームの進行方向に対して垂直に設置され、かつ前記荷電粒子ビームの径方向に対して２次元の方向に開口する開口部が形成されたスリット板を前記荷電粒子ビームの径方向の２次元平面上を移動させるスリット板移動工程と、前記スリット板移動工程により前記スリット板の前記開口部を通過した前記荷電粒子ビームの電流強度の空間分布を、前記真空容器内に設置された空間分布測定装置により測定する空間分布測定工程と、前記スリット板に設けられた金属部に電気的に接続されたビーム電流測定装置により前記荷電粒子ビームの電流を測定する工程と、を有することを特徴とする。

本実施形態によれば、ビームエミッタンスの測定時間を大幅に削減し、かつ低エネルギー領域でのビームエミッタンスの測定精度を向上させることができる。

第１実施形態のビームエミッタンス測定装置を示す概略構成図である。 第１実施形態のスリット板によるスリットスキャンの状態を示す説明図である。 第１実施形態のビームエミッタンス測定装置の変形例で用いられるスリット板を示す正面図である。 第１実施形態の変形例のスリット板によるスリットスキャンの状態を示す説明図である。 第２実施形態のビームエミッタンス測定装置を示す概略構成図である。 第３実施形態のビームエミッタンス測定装置を示す概略構成図である。

以下、本実施形態に係るビームエミッタンス測定装置及び方法について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
（構 成）
図１は第１実施形態のビームエミッタンス測定装置を示す概略構成図である。図２は第１実施形態のスリット板によるスリットスキャンの状態を示す説明図である。なお、図１は真空容器内の構成が分かるように透視した状態を示している。

図１に示すように、本実施形態は、真空容器５内にスリット板２と、空間分布測定装置としてのビーム強度測定装置３、第１のスリット板移動装置としてのスリット板移動装置（ビーム径方向移動）４が設置されている。スリット板２は、矩形の板状に形成されている。スリット板２は、真空容器５内においてビーム１の進行方向に対して垂直に設置されている。

スリット板２は、ビーム１の軌道上に２次元的な開口部２ａが形成されている。すなわち、スリット板２は、ビーム１の径方向に対して２次元の方向に開口する開口部２ａが形成されている。具体的に、本実施形態のスリット板２は、開口部２ａが十字形に形成されている。スリット板２は、ビーム１の径方向の２次元平面に対して２軸以上が交差する線形形状の開口部２ａが形成されている。

スリット板２の開口部２ａは、スリット板２の中心から互いに９０°の角度で４本放射状に延びている。開口部２ａは、これに限らず、例えばスリット板２の中心から互いに４５°の角度で８本放射状に延びていてもよい。同様に、互いに３０°の角度で１２本放射状に延びていてもよい。このように開口部２ａは、その線幅がビームサイズに比べて十分に細ければ、十字部分は必ずしも互いに直交している必要はない。

スリット板２は、導電性を有し、その材質は、例えば銅、ステンレス鋼、鉄、アルミニウム、真鍮又はそれらの合金等が用いられる。スリット板２の開口部２ａの加工方法としては、鋳型、切断機による加工等がある。スリット２の開口部２ａの加工後に旋盤加工による面取りを行ってもよい。

スリット板２には、スリット板移動装置４が取り付けられている。このスリット板移動装置４は、スリット板２をビーム１の径方向に対して移動させる。具体的には、スリット板移動装置４は、スリット板２をビーム１の進行方向と垂直な平面上において１次元移動させる。これにより、２次元のビームエミッタンスを測定することが可能である。スリット板２の移動方向は、例えばスリット板２の垂直軸から時計回りに３０°、４５°、６０°の方向（本実施形態では、４５°の方向）等がある。

スリット板移動装置４としては、例えば真空容器５内に取り付けられた回転導入器や直線導入器を用いる手段がある。なお、スリット板移動装置４は、例えばモータを駆動制御することにより、スリット板２を移動させるようにしてもよい。また、スリット板移動装置４は、油圧や空気圧等の駆動手段を用いてもよく、さらには外部から手動で操作することにより、スリット板２を移動させるようにしてもよい。

スリット板移動装置４は、真空容器５内にレールが設置され、このレール上をモータによってスリット板２が移動するように構成してもよい。また、真空容器５の外側に設置されたモータドライバ及びモータと、そのモータドライバと接続する真空容器５内の信号線でスリット板２を移動させる方法もある。この場合、モータとモータドライバとの間は、無線接続してもよい。その他、スリット板移動装置４は、真空容器５に対しウィルソンシール等のオイルシールで真空封止した棒状の治具等を用いてスリット板２を移動させるようにしてもよい。

なお、スリット板移動装置４は、ビームエミッタンスを測定しない場合、スリット板２が加速器の運転の妨げとならないようにビーム軌道外に移動可能である。

ビーム強度測定装置３は、スリット板２のビーム１の進行方向の下流側に設置され、ビーム電流強度の位相空間分布（エミッタンス）を測定する。具体的には、ビーム強度測定装置３は、例えばスリット板２の開口部２ａを通過したビーム１の位置と、この位置におけるビーム１の発散角を測定する。これにより位相空間分布（エミッタンス）を求めることができる。ここで、上記位相空間分布とは、ビーム１の軌道の位置と角度を座標とした空間上で占める面積を表している。

ビーム強度測定装置３としては、例えばワイヤモニタ、蛍光スクリーン、２次電子放出グリッド等がある。その測定の際に用いられる接続端子には、例えばＮ型コネクタ、Ｍ型コネクタ、ＢＮＣ（Bayonet Neill Concelman）コネクタ、ＳＨＶ（Safe High Voltage connector）コネクタ等の同軸コネクタがある。

（作 用）
従来の高精度な２次元エミッタンス測定では、線型の開口部が形成されたスリット板を２枚用意し、それぞれのスリット板２で１次元ずつ別々にスキャンしてエミッタンスを測定する必要があった。

これに対して本実施形態では、ビーム１の径方向に対して２次元的な開口部２ａを有するスリット板２を配置している。真空容器５内においてビーム１は、その径方向に２次元的な分布でスリット板２の開口部２ａを通過し、スリット板２の下流側に設置したビーム強度測定装置３によってビーム電流強度が測定される。この測定をスリット板移動装置４でスリット板２を例えば図２の矢印に示すようにビーム径方向に移動させながら行うことで、２次元の位相空間分布（エミッタンス）を同時に測定することが可能になる。

したがって、本実施形態では、１枚のスリット板２の１次元的な運動のみでビーム１の径方向全域にわたる高精度な２次元のビームエミッタンスを少ない測定回数で測定することが可能になる。そのため、加速器コミッショニングに要する時間を従来に比べ大幅に短縮することが可能になる。

ここで、本実施形態における加速器コミッショニングとは、図示しないイオン源からビーム１として引き出し、このビーム１を加速器を通して例えばシンクロトロンに輸送するまでの一連の作業工程のことである。

（効 果）
このように本実施形態によれば、１枚のスリット板２でビーム径方向の２次元のビームエミッタンスを広いエネルギー領域、特に位相空間分布の非均一性が顕著な低エネルギー領域のビーム１の場合において高精度かつ同時測定が可能になる。その結果、加速器コミッショニングの効率化が期待できる。

また、本実施形態によれば、１つの測定装置で２次元のビームエミッタンスを測定することが可能になる。そのため、２方向別々に測定装置を用意する従来例に比べて機器構成が簡素化され、コストを削減することが可能になる。同時に、ビームエミッタンスの測定にかかる時間も短縮することができる。

（第１実施形態の変形例）
図３は第１実施形態のビームエミッタンス測定装置の変形例で用いられるスリット板を示す正面図である。図４は第１実施形態の変形例のスリット板によるスリットスキャンの状態を示す説明図である。なお、前記第１実施形態と同一部分又は類似部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図３に示すように、本変形例では、スリット板２０の開口部２０ａは、多孔式に形成されている。開口部２０ａは、縦４列、横４列の計１６個が一定間隔をおいて配置されている。各開口部２０ａは、その直径がビームサイズに比べて十分に小さく、かつビーム１の径方向の全域にわたって一様に存在する。

スリット板２０は、前記第１実施形態と同様に導電性を有し、その材質は、例えば銅、ステンレス鋼、鉄、アルミニウム、真鍮又はそれらの合金等が用いられる。スリット板２０の開口部２０ａの加工方法としては、鋳型、パンチングメタル、ドリルによる穴あけ加工等がある。

本変形例では、ビーム１が径方向に２次元的な分布でスリット板２０の開口部２０ａを通過し、スリット板２０の下流側に設置したビーム強度測定装置３によってビーム強度分布が測定される。この測定をスリット板移動装置４でスリット板２０を図４の矢印に示すようにビーム径方向に移動させながら行うことで、２次元の位相空間分布（エミッタンス）を同時に測定することが可能になる。

したがって、本変形例では、スリット板２０の開口部２０ａの形状を工夫していない場合に比べてビームエミッタンスの測定回数を削減することができ、かつ高精度にビームエミッタンスを測定することができる。

このように本変形例によれば、ビームエミッタンスの測定を少ない回数で行えるため、従来と比べ加速器コミッショニングに要する時間の短縮化が可能になる。

なお、本変形例では、開口部２０ａを１６個配置した例について説明したが、これに限らず、開口部２０ａの直径がビームサイズに比べて十分に小さく、ビーム径全域にわたって一様に存在するように配置されていれば、それ以外の数でもよい。

（第２実施形態）
（構 成）
図５は第２実施形態のビームエミッタンス測定装置を示す概略構成図である。なお、前記第１実施形態及びその変形例と同一部分又は類似部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。また、図５は真空容器内の構成が分かるように透視した状態を示している。

図５に示すように、本実施形態では、ビーム１がスリット板２の開口部２ａを通過せず、金属部２ｂに衝突したビーム１の電流値を測定している。具体的には、スリット板２の金属部２ｂには、リード線８の一端が接続され、リード線８の他端は真空容器１の内部に設置された接続端子９に接続されている。この接続端子９は、真空容器５の外側に設置された接続端子１０に電気的に接続されている。この接続端子１０には、リード線１１を介してビーム電流測定装置６が接続されている。

なお、リード線８，１１は、ビニール線、すずめっき線、エナメル線等を利用することができる。リード線８，１１、スリット板２の金属部２ｂ、接続端子９，１０の接続方法としては、半田付けによる接着、ボルトを用いた固定、鰐口クリップ等がある。

ビーム電流測定装置６には、例えばオシロスコープ、デジタルマルチテスター等がある。電流測定の際に用いる接続端子としては、例えばＮ型コネクタ、Ｍ型コネクタ、ＢＮＣ（Bayonet Neill Concelman）コネクタ、ＳＨＶ（Safe High Voltage connector）コネクタ等の同軸コネクタがある。

（作 用）
真空容器５内においてビーム１がスリット板２の開口部２ａを通過せず、金属部２ｂに衝突すると、その電流が、リード線８、接続端子９、接続端子１０、及びリード線１１を経てビーム電流測定装置６に流れる。ビーム電流測定装置６では、金属部２ｂに衝突したビーム１の電流が測定される。そのため、あらかじめ規定されたビーム電流が流れているかを確認することができる。これにより、本実施形態では、あらかじめ規定されたビーム電流が流れている場合に、ビームエミッタンスを測定することで、ビームエミッタンスを正確に測定することが可能になる。

上記のように構成された本実施形態では、ビーム電流とビームエミッタンスの同時測定が可能になる。

（効 果）
このように本実施形態によれば、ビーム電流とエミッタンスの同時測定が可能になることで、従来は別途用意していたビーム電流測定装置が必要なくなるため、装置全体のコンパクト化とコストダウンを図ることが可能になる。

（第３実施形態）
（構 成）
図６は第３実施形態のビームエミッタンス測定装置を示す概略構成図である。なお、前記第１実施形態、その変形例、及び第２実施形態と同一部分又は類似部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。また、図６は真空容器内の構成が分かるように透視した状態を示している。

図６に示すように、本実施形態では、ビーム１の進行方向と同一方向にスリット板２を移動させる第２のスリット板移動装置としてのスリット板移動装置（ビーム進行方向移動）７がスリット板２に設置されている。スリット板移動装置７としては、例えば真空容器５内に取り付けられた回転導入器や直線導入器が用いられる。

また、スリット板移動装置７は、真空容器５にレールが設置され、このレール上をモータによってスリット板２が移動するように構成してもよい。また、真空容器５の外側に設置されたモータドライバ及びモータと、そのモータドライバと接続する真空容器５内の信号線でスリット板２を移動させる方法もある。この場合、モータとモータドライバとの間は、無線接続してもよい。その他、スリット板移動装置７は、真空容器５に対しウィルソンシール等のオイルシールで真空封止した棒状の治具等を用いてスリット板２を移動させるようにしてもよい。

（作 用）
上記のように構成された本実施形態では、スリット板移動装置７を備えることにより、真空容器５においてスリット板２をビーム１の進行方向と同一方向に移動させることができる。その結果、スリット板２とビーム強度測定装置３との間の距離調整が可能になる。

（効 果）
このように本実施形態によれば、スリット板２とビーム強度測定装置３との間の距離調整が可能になることにより、ビーム発散角の測定精度が向上し、ビームエミッタンスを高精度に測定することが可能になる。

（その他の実施形態）
本発明の各実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

なお、上記各実施形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

１…荷電粒子ビーム（ビーム）、２…スリット板、２ａ…開口部、２ｂ…金属部、３…ビーム強度測定装置（空間分布測定装置）、４…スリット板移動装置（第１のスリット板移動装置）、５…真空容器、６…ビーム電流測定装置、７…スリット板移動装置（第２のスリット板移動装置）、８…リード線、９…接続端子、１０…接続端子、１１…リード線、２０…スリット板、２０ａ…開口部

Claims (7)

1. 真空容器と、
   前記真空容器内において荷電粒子ビームの進行方向に対して垂直に設置され、前記荷電粒子ビームの径方向に対して２次元の方向に開口する開口部が形成され、かつ前記荷電粒子ビームの径方向の２次元平面上を移動可能なスリット板と、
   前記真空容器内において前記スリット板の前記開口部を通過した前記荷電粒子ビームの空間分布を測定する空間分布測定装置と、
   を備え、
   前記スリット板は金属部を有し、この金属部が前記荷電粒子ビームの電流を測定するビーム電流測定装置と電気的に接続されている
   ことを特徴とするビームエミッタンス測定装置。
2. 真空容器と、
   前記真空容器内において荷電粒子ビームの進行方向に対して垂直に設置され、前記荷電粒子ビームの径方向に対して２次元の方向に開口する開口部が形成され、かつ前記荷電粒子ビームの径方向の２次元平面上を移動可能なスリット板と、
   前記真空容器内において前記スリット板の前記開口部を通過した前記荷電粒子ビームの空間分布を測定する空間分布測定装置と、
   前記スリット板を前記荷電粒子ビームの進行方向に移動させる第２のスリット板移動装置と、
   を備えることを特徴とするビームエミッタンス測定装置。
3. 前記スリット板は、前記荷電粒子ビームの径方向の２次元平面に対して複数の開口部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のビームエミッタンス測定装置。
4. 前記スリット板は、前記荷電粒子ビームの径方向の２次元平面に対して２軸以上が交差する線形形状の開口部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のビームエミッタンス測定装置。
5. 前記スリット板を前記荷電粒子ビームの進行方向に対して垂直な平面上で１次元移動させる第１のスリット板移動装置をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のビームエミッタンス測定装置。
6. 真空容器内において荷電粒子ビームの進行方向に対して垂直に設置され、かつ前記荷電粒子ビームの径方向に対して２次元の方向に開口する開口部が形成されたスリット板を前記荷電粒子ビームの径方向の２次元平面上を移動させるスリット板移動工程と、
   前記スリット板移動工程により前記スリット板の前記開口部を通過した前記荷電粒子ビームの電流強度の空間分布を、前記真空容器内に設置された空間分布測定装置により測定する空間分布測定工程と、
   前記スリット板に設けられた金属部に電気的に接続されたビーム電流測定装置により前記荷電粒子ビームの電流を測定する工程と、
   を有することを特徴とするビームエミッタンス測定方法。
7. 真空容器内において荷電粒子ビームの進行方向に対して垂直に設置され、かつ前記荷電粒子ビームの径方向に対して２次元の方向に開口する開口部が形成されたスリット板を前記荷電粒子ビームの径方向の２次元平面上を移動させるスリット板移動工程と、
   前記スリット板移動工程により前記スリット板の前記開口部を通過した前記荷電粒子ビームの電流強度の空間分布を、前記真空容器内に設置された空間分布測定装置により測定する空間分布測定工程と、
   第２のスリット板移動装置により前記スリット板を前記荷電粒子ビームの進行方向に移動させる第２のスリット板移動工程と、
   を有することを特徴とするビームエミッタンス測定方法。

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