[論文レビュー] A Scintillating-fiber Beam Profile Monitor for the DAFNE BTF

M. Anelli, B. Buonomo+2 more|ArXiv.org|Nov 25, 2004

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、DAΦNEビームテスト施設（BTF）向けに、4層構造の1 mm径被覆繊維をマルチアノードフォトマルチプライヤー（MAPMT）に結合させた、破壊的でない高分解能ビームプロファイルモニタを提案する。この検出器は、25–750 MeVの広いビームエネルギー範囲および1粒子から10^10粒子/トレインまでの広い強度範囲で約2 mmの空間分解能を達成し、600粒子/パルスまで飽和せず、最小限のデッドタイムでリアルタイムのオンラインビーム位置およびサイズモニタリングを可能にする。

ABSTRACT

A scintillating-fiber beam profile detector has been designed, built and tested, for the monitoring of the position and size of the electron beam of the DAFNE, the recently commissioned electron beam-test facility at the Frascati LNF. A description of the detector construction and assembly, together with the results achieved during the 2003-2004 run, are here reported.

研究の動機と目的

• DAΦNE BTFで幅広いビームエネルギーおよび強度範囲で動作可能な、耐障害性に優れた破壊的でないビームプロファイルモニタの開発。
• コンactで低物質バジェットな設計を実現しつつ、高空間分解能（約1 mm）と1粒子感度を達成する。
• BTF制御システムに統合し、ビーム最適化およびユーザー実験のアライメントに役立てる、リアルタイムのオンラインビーム位置およびサイズモニタリングを可能にする。
• チャンネル数（32 ADCチャンネル）を最小限に抑えつつ、低強度ビームにおける十分な光出力と信号対雑音比を維持する。
• 低強度の1粒子モードから最高600粒子/パルスまでの高強度ビームを含む、さまざまなビーム条件での性能を検証する。

提案手法

• 1 mm径の被覆シンチレーティング繊維（Pol.Hi.Tech型番0046）を4層積層し、0.5 mmずつずらして配置することで、デッドゾーンを最小限に抑え、光収集効率を最大化した。
• 11–12本の繊維グループを、16ピクセル（各4.2×4.2 mm²）を有するパナソニック社H6568マルチアノードフォトマルチプライヤー（MAPMT）に、PVCマスクを用いてアライメントを保ちながら結合した。
• 光伝送効率を高めるために、光学接着剤（BICRON BC600）を用い、1層あたり48時間の硬化時間を確保した。
• 2視点構成とし、繊維を互いに90°に配置することで、水平および垂直方向のビームプロファイルを同時に測定可能とした。
• 電荷信号は12ビット、0.25 pC/カウントの電荷積分型ADCで積分し、信号を処理・保存してリアルタイムでのプロファイル再構成を実現した。
• 検出器はBTF制御システムに統合され、49 Hzの周期で数秒ごとにビームプロファイルをオンライン表示可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAΦNE BTFにおいて、25–750 MeVの広いエネルギー範囲で、0.5 mm未満の空間分解能を達成できるシンチレーティング繊維ビームプロファイルモニタは構築可能か？
• RQ2 1粒子ビームを解像できるほど感度が高く、600粒子/トレインまでの強度でも線形性を保ち、飽和しないか？
• RQ3 多重散乱および固有の発散角の影響により、ビームスポットサイズはエネルギーに依存してどのように変化するか？また、検出器はこれらの効果を解像できるか？
• RQ4 32 ADCチャンネルという極めて少ないチャンネル数で、コンactで低物質バジェットな設計を実現しつつ、正確でリアルタイムのビームモニタリングが可能か？
• RQ5 ビームの焦点調整やコリメーション設定が変化しても、分解能に著しい損失が生じないか、性能の一貫性は保たれるか？

主な発見

• 水平および垂直方向の両方で約2 mmの空間分解能を達成し、正確なビーム位置およびサイズのモニタリングが可能となった。
• 低エネルギー（400 MeV未満）では多重散乱の影響によりビームスポットサイズが増大し、理論的期待と一致する1/(βcp)依存性を示した。
• 400 MeVを超えるエネルギーでは、ビーム発散および検出器分解能の制限により、スポットサイズが約3 mmに飽和した。
• 1粒子から600粒子/パルスまでのビーム強度範囲で、分解能の著しい損失は観測されず、線形性および安定性が確認された。
• 1粒子モードでも正常に動作し、600粒子/パルスまで飽和や信号歪みを示さず、完全な性能を維持した。
• ビームプロファイルはBTF制御システムに正常に統合され、数秒間のデータ取得でリアルタイムのオンラインビーム位置およびサイズ可視化が可能となった。