J-PARC RCSにおける大強度ビームプロファイル測定に向けたIPMの改良

Improvement of the IPM for the high-intensity beam profile measurement in the J-PARC RCS

加藤 新一; 原田 寛之  ; 畠山 衆一郎; 川瀬 雅人; 山本 風海   ; 金正 倫計  

Kato, Shinichi; Harada, Hiroyuki; Hatakeyama, Shuichiro; Kawase, Masato; Yamamoto, Kazami; Kinsho, Michikazu

J-PARC 3GeVシンクロトロンでは、周回している陽子ビームの1次元横方向分布を非破壊に測定するために、残留ガスプロファイルモニタ(IPM)が導入されている。IPMは主に、外部電場生成用分割電極と検出部で構成される。IPMでは、ビームによってイオン化された残留ガスを横方向の外部電場で検出部まで輸送し、Multi-Channel Plate (MCP)によって電子として増幅する。そしてこの電子を検出し信号を再構成することで分布を測定している。これまでIPMでは、電場ポテンシャルの最適化や、印加電圧に対して緩やかなゲイン特性を持つMCPの採用などの改良を継続して行ってきた。その結果、IPMは低強度で行うビーム調整において必須の測定装置となっている。しかし、出力の増加に伴ってノイズが増加するため、100kWを超えるような大強度ビームでは検出信号がノイズに埋もれて分布測定ができないという問題があった。そこで、大強度ビームの分布測定に向けてこのノイズの原因探索と対策の検討を行った。具体的には、IPMの構造と大電流ビームを模擬したシミュレーションを行い、測定結果との比較を行った。その結果、ノイズの原因がビーム起因の電場であることを特定した。そこで、この結果を元にビーム起因の電場を遮蔽する分割電極部品を設計した。これにより、電場によるノイズは現在の1/100程度に抑制され、大強度ビームの分布測定が可能になると予想される。

In the J-PARC RCS, the residual gas ionization profile monitor (IPM) is adopted for the nondestructive detection of the 1D transverse distribution of the circulating proton beam. The IPM mainly consists of the divided electrodes generating the external electric field and the detection unit. For the profile measurement, the residual gas ionized by the beam is transported to the detection unit by the external transverse electric field and amplified by the Multi-Channel Plate (MCP) as the electron. After that, these electrons are detected and the 1D distribution is reconstructed. To improve IPM performance, some updates have been performed continuously such as the optimization of the electric field potential and the introduction of the new MCP which has the gradual gain response to the applied voltage. As a result, the IPM shows intended performance in the beam commissioning with the low current condition. However, the distribution cannot be measured in the high current condition such as over 100 kW because the noise increases and hides the signal. To solve this problem, we investigated the source of this noise and examined measures. To compare the simulation and the noise measurement results, we identified the cause of the noise as the electric field from the beam. Therefore, we developed additional electrode component to shield that field based on the simulation result. This component will be installed in 2016 summer. It is expected that the noise is reduced to be 1/100 compared with present one by the new component and the distribution measurement can be performed in the high current condition.