スキャナーによる イオン源同位体ビームの監視

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1 スキャナーによる イオン源同位体ビームの監視
イオン源オンラインビームモニターの開発 スキャナーによる イオン源同位体ビームの監視 東大ＣＮＳ　渡邊　大城　山家　久保野　下浦　 畑中（ＲＣＮＰ）、密本（ＳＨＩ） 理研　小高　加瀬、放医研　後藤、ＪＡＥＲＩ高崎　横田 2012年3月30日　ＡＶＦ高度化打ち合わせ 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

2 Ｗｈａｔ　ｉｓ　ｓｃａｎｎｅｒ　？ profile detector : movable rod with electron suppressor will be set along a focal plane as shown in a drawing figure.　 Called “scanner” 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

3 スペクトロメータ&スキャナー X’ x Ｐｒｏｂｅ 監視 入射 監視 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

4 スキャナー 機構概念図 左 右 30Si10+ 監視 28Si9+ 入射 29Si9+ 監視 Ｏｈｓｈｉｒｏ
スキャナー　機構概念図 左 右 30Si10+ 監視 28Si9+ 入射 29Si9+ 監視 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ Ｏｈｓｈｉｒｏ

5 スキャナー機構概念図 パルスモーター、プローブ、ＬＳ
Ｐｒｏｂｅ Ｂｅａｍ ＰＭ 左ＬＳ 右LS Ｂｒ小 Ｂｒ大 ＧＢ Ｔｉｍｉｎｇ　Ｂｅｌｔ 右ＬＳ⇒ＤＳ２⇒CW stop 左ＬＳ⇒ＤＳ３⇒CCW stop パルスモーターの回転方向（ＣＷ，ＣＣＷ）は、モーター正面から見て定義 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

6 Ｎ－ＤＩＭ＆リモートスイッチ N-DIM外観 リモートスイッチ外観（前面パネル） 加速器制御用計算機からスキャナーを制御
連続運転/位置決め運転 左（ＣＷ）ＬＳ 右（ＣＣＷ）ＬＳ 電源 N-DIM外観 ＰＬＣ Ｔ１ ＣＯＭ Ｔ２ 電源 加速器制御用計算機からスキャナーを制御 リモートスイッチ外観（前面パネル） 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

7 リモートスイッチ 目的１ スキャナーの試験（バグ出し） 目的２ Ｎ－ＤＩＭの代替
目的１　スキャナーの試験（バグ出し） 目的２　Ｎ－ＤＩＭの代替 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

8 リモートスイッチ概要 １、外観： 卓上可搬型電子回路 ２、制御装置：Ｎ－ＤＩＭの代替機能を持ったＰＬＣを内蔵
１、外観：　卓上可搬型電子回路 ２、制御装置：Ｎ－ＤＩＭの代替機能を持ったＰＬＣを内蔵 ３、駆動能力：ＯＲＩＥＮＴＡＬ製パルスモーター（ＰＭ）　１台 ４、運転モード：連続／位置決め運転が選択可能 ５、ＣＷ、ＣＣＷ制御：前面パネルの専用スイッチによる ６、プローブ電流測定：外部電流計による ７、サプレッサー電圧供給：外部ＤＣ電源による ８、ＰＭ駆動電源：ＰＭドライバー・専用ＤＣ電源を内蔵 ９、外部電源入力：ＡＣ１００Ｖ １０、制御ケーブル：パルスモーター駆動用、リミット信号入力用各１０ｍを装備 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

9 リモートスイッチ諸元 １、ＰＭ駆動パルス信号の周波数は１００ヘルツ（最低） ２、ＰＭ駆動パルス信号は２位相出力
３、ＰＭ位相角度は１．８度／パルス ４、プローブの移動ステップは０．１４ｍｍ／パルス ５、駆動モードは「直線」または「ジャーク」が選べる ６、高さ＝１１５、幅＝２００、奥行き＝３３０、重量＝　　ｋｇ 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

10 リモートスイッチ概念図 スキャナー信号出力端子 ＰＬＣ 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

11 スキャナー信号出力端子 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

12 スキャナー動力源 パルスモーター ステップ角度＝1.8° PK256-02A VEXTA PM driver
2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

13 リモートスイッチ構成部品（１） プログラマブルコントローラー（ＰＬＣ） モード表示 データ表示部 制御命令入力キー パネル写真
2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

14 リモートスイッチ構成部品（２） リレー 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

15 リモートスイッチによる スキャナーの試験 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

16 リモートスイッチの試験項目 大気中での試験 回路チェック パルスモーター回転状況チェック プローブ走行チェック
　　回路チェック 　　パルスモーター回転状況チェック 　　プローブ走行チェック 　　左右リミットスイッチ検出チェック 　　プローブ信号線、絶縁抵抗、導通チェック 　　サプレッサー信号線、絶縁抵抗、導通チェック 真空引きでのチェック 　　パルスモーター駆動のチェック 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

17 準備作業１ リモートスイッチとスキャナーの接続
１、プローブ信号 　　端子記号　Ｔ１　をレコーダー入力のＨへ 　　端子記号　ＣＯＭ　をレコーダー入力のＬへ ２、サプレッサー信号 　　端子記号　Ｔ２　と端子記号　ＣＯＭ　を接続 ３、グランド信号 　　端子記号　ＣＯＭ　からの線を真空槽に接続 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

18 動作モードの他、パルス周波数、位置決め運転のパラメータなどをＰＬＣに設定する。
準備作業２ PLCのプログラミング 動作モードの指定 動作モードの他、パルス周波数、位置決め運転のパラメータなどをＰＬＣに設定する。 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

19 準備作業３ ビームプロファイルの測定準備 リモートスイッチ ペンレコーダー 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

20 18O6+イオンビーム生成 ◆2012年3月23日 MC1: 587(A) MC2: 460(A) RF : 133(W)
プランジャー：102(mm) 18O2 : 2.85(mm) He : 1.08(mm) Vac.:4.6×10-5(Pa) Vext: 7.42(kV) Iext: 2.83(mA) Vein: 0.3(kV) Q1: 0.98(A) ※写楽へビーム供給 ※ビームスキャナー試験 18O6+ (80) 18O5+ 18O4+ 16O5+ q/A=1/4 16O6+ q/A=1/2 14N5+ 100 emA f.s. ( ) emA 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

21 ペンレコーダーによる ビームプロファイル測定
目的：リモートスイッチによるビームプロファイルの確認 問題：スキャナーにプローブ位置を取り込む測定子が付いていない。 対策：ペンレコーダーの目盛情報とスキャン速度からプローブ位置を算出する。 測定器：卓上型ペンレコーダーを用いた 〇レコーダーの設定可能速度　最大６００ｍｍ／分 〇レコーダーの感度は最大２００Ｖ、最低１０ｍＶ 〇プローブを左右の停止位置から一定速度でスキャンしプローブ信号を電圧測定 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

22 ビームプロファイル測定の結果 FWHM=4mm Wbfwhm= 8 mm Stop 120 mm/scan 18O6+
Recorder speed = 60cm/min Recorder V range = 200 V FWHM=4mm Wbfwhm= 8 mm 18O6+ Start Stop 120 mm/scan 6 sec/scan（注） Buffer 注：ＰＬＣのパルス周波数は２００Ｈｚ 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

23 Bufferとは ★分析磁石のエッヂから880mm下流にBuffer Slit ★Buffer Slitから約200mm下流にImage点
★プローブの下流15mmにBeam Slit ★Bufferの役割は不要ビームの通過阻止 ★Bufferの幅は70mm ★プローブはBufferを通過したビームを観測する⇒プローブの可動範囲は120mm⇒左右25mmずつカット ★スキャナーの本来の目的＝サテライトビーム測定のためには取り去る必要がある⇒設計変更に該当 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

24 Beam width at Scanner is estimated around
測定結果の検証 ビーム幅の計算 Beam width at Scanner is estimated around 12mm (90%). Scanner @#25と#26の中間 イオン源エミッタンス Ex=138.2 Ez=91.1 [p mm mrad] 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

25 サテライトビームの観測 ビームプロファイル測定 Stop スキャン Start 結果：サテライトビームは無い
2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

26 スキャナー ビームプロファイルの間隔 スキャナーで測定した２本のプロファイルは14N4+と18O5+ と判別した。18O6+を調整した時のビームスペクトル図を次ページに示す。 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

27 14N4+ 18O5+イオンビームスキャン ◆2012年4月20日 MC1: 560(A) MC2: 472(A) RF : 204(W)
プランジャー：102(mm) 18O2 : 2.63(mm) He : 1.5(mm) Vac.:5.4×10-5(Pa) Vext: 7.42(kV) Iext: 2.28(mA) Vein: 0.1(kV) Q1: 1.07(A) スリット：14mm×14mm ※写楽MT終了後 ※ビームスキャナー試験 18O6+ (48) をスキャンした 14N6+と16O7+も スキャナーで測れる 18O5+ 14N5+ 16O6+ q/A=1/4 16O5+ 14N4+ 18O4+ 14N3+ 18O7+ 14N6+ 16O7+ q/A=1/2 100 emA f.s. ( ) emA 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

28 分析磁石のビーム軌道 焦点面に４５度でプローブがスキャンしているので、磁場の高いイオンビームをスリット(SL)に通せば低い磁場のビームはビームに乗って右側に出る（A）。右側ではプローブではフォーカス点より大分手前を切ることになる（A’）。逆に磁場の低いビームをスリットに通せば、高い磁場のビームはビームに乗って左側に出る（B）。左側でプローブはフォーカス点より遠くを測っている（B’）。 　このためにプロファイル測定では、ビームA及びBそれぞれをSLに通した状態の磁場を測った。1回目と2回目は連続している。 　作図と実際の違いを確認するには、たとえばGIOSによるシミュレージョンの方法がある。右図は概念図である。ビームリジディティが変わるとρが変わり磁場の出口での出射角度が変わる。 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

29 14N4+と18O5+ のビームプロファイル測定 スキャナー １回目 ２回目 左 A’ B’ 47.18 mT 46.47 mT
Br小 Br大 A’ B’ 18O5+ 左 14N4+ 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

30 同位体ビーム監視のテスト スキャナー Beam rock Ib=34mA Ib=0 時間
14N4+ ＣＷモードでプローブを移動し14N4+にロック、そのままレコーダーを流した レコーダー感度　５０Ｖ レコーダー速度　６０ｃｍ／分 Br大 Br小 時間 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

31 スキャナー／まとめ オンラインビーム観測のため焦点面直近にスキャナーを取り付けた スキャナーの試験・調整のためリモートスイッチを製作した
リモートスイッチによるスキャナーの駆動、ビームプロファイル測定のテストを行った スキャナーのプローブをビームにロックして同位体ビーム監視を行うテストを行った 今後・・Ｎ-ＤＩＭへ組み込み実用化する 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

32 電気回路接続端子の変更 補足 スキャナー信号出力端子とリモートスイッチ（ＲＳ）側の入力端子の接続を以下のように変更した。
スキャナー信号出力端子３　⇒　ＲＳ側端子７　に接続 スキャナー信号出力端子４　⇒　ＲＳ側端子８　に接続 スキャナー信号出力端子７　⇒　ＲＳ側端子３　に接続 スキャナー信号出力端子８　⇒　ＲＳ側端子４　に接続 理由：実際の回路に合致させるため 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ

33 サプレッサー電源 補足 サプレッサー電源をＴ２－ＣＯＭ間につなぐように設計したが、スキャナー試験の結果を踏まえてＴ２－ＣＯＭ間を直結した。
理由：サプレッサー電極からプローブ電極の間の絶縁抵抗を通じてリーク電流（サプレッサー電圧を起源とする）がプローブ入力回路に流れるため。 対策：サプレッサー電極とプローブ電極の間に保護リングを入れ、リーク電流がプローブ電極に流れないようにする。当面はサプレッサー電圧は印加せず、保護リングで対策が取られてから印加する。 2012/4/11 第６回ＡＶＦ合同打ち合わせ　＠住友クラブ