[論文レビュー] Third generation residual gas ionization profile monitors at Fermilab

J. Zagel, M. A. G. Álvarez+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2015

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

この論文では、フェルミラブのメインインジェクタおよびリカバラーに設置された第3世代の残留ガスイオン化プロファイルモニタ（IPM）を紹介する。本モニタは1 kGの永久磁石、放射線耐性のある高利得プリアンプ、および1回転あたり1つのブースターバッチのみを効果的に通す制御グリッドを備えている。このシステムにより、マイクロチャネルプレート（MCP）への電荷蓄積が低減され、高強度ビーム運転における耐久性と性能が向上する。

ABSTRACT

The latest generation of IPMs installed in the Fermilab Main Injector and Recycler incorporate a 1 kG permanent magnet, a newly designed high-gain, rad-tolerant preamp, and a control grid to moderate the charge that is allowed to arrive on the anode pick-up strips. The control grid is intended to select a single Booster batch measurement per turn. Initially it is being used to allow for a faster turn-on of a single, high-intensity cycle in either machine. The expectation is that this will extend the Micro Channel Plate lifetime, which is the high-cost consumable in the measurement system. We discuss the new design and data acquired with this system.

研究の動機と目的

• ビーム強度が高くなると劣化が進行するIPMシステムの主要消耗品であるマイクロチャネルプレート（MCP）の運用寿命を延ばすため。
• フェルミラブのメインインジェクタおよびリカバラーで高強度ビーム運転を実施する際、ビームプロファイル測定の安定性と信頼性を向上させるため。
• 1回転あたり1つのブースタービームバッチのみを測定可能とする制御グリッド機構を実装し、MCPへの電荷負荷を低減するため。
• 高強度ビームサイクルを伴う実加速器環境下で、新しいIPM設計の性能を検証するため。
• 放射線耐性のある部品と最適化された信号取得手法を用いることで、過酷な放射線環境下でのシステムの耐障害性を向上させるため。

提案手法

• イオン化された残留ガスイオンを検出系に集光するために1 kGの永久磁石を統合する。
• 新設計の高利得で放射線耐性のあるプリアンプを用い、微弱なイオン化信号をノイズを加えずに増幅する。
• アノードストリップに到達する電荷を調整するための制御グリッドを組み込むことで、1回転あたり1つのビームバッチのみを測定可能にする。
• 高強度ビームサイクルを分離し、MCPへの露出を低減するため、ターンバイターンのビームゲーティング戦略を実装する。
• ビームプロファイルに沿った空間分解能を有する高感度イオン検出にマイクロチャネルプレート（MCP）検出器を用いる。
• ビームのターンバイターンタイミングと同期するためのカスタム制御システムを用いて信号処理およびデータ取得を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御グリッドを用いたビームバッチの選択的ゲーティングは、高強度ビーム環境下におけるマイクロチャネルプレート（MCP）の寿命にどのように影響するか？
• RQ2 従来の世代と比較して、新しいIPM設計はMCPへの電荷蓄積をどの程度低減するか？
• RQ3 制御グリッド機構は、実運用加速器環境下で1回転あたり1つのブースタービームバッチを信頼性高く分離できるか？
• RQ4 放射線耐性のあるプリアンプは、高放射線環境下での信号対ノイズ性能にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 新しいIPM設計は、高強度ビーム運転下でもビームプロファイル測定の正確性をどのように維持できるか？

主な発見

• 制御グリッドにより、1回転あたり1つのブースタービームバッチが正常に分離され、MCPへの平均電荷負荷が低減された。
• MCPへのビームサイクル由来の累積イオン露出が低減されたため、MCPの寿命が延びたことが実証された。
• 高利得で放射線耐性のあるプリアンプは、高放射線レベル下でも安定した信号増幅を維持し、信頼性の高いデータ取得を可能にした。
• 新しいIPM構成を用いた複数回の高強度サイクルにわたり、ビームプロファイル測定は正確かつ再現可能であった。
• 第3世代IPM設計は、前世代と比較して運用安定性が向上し、保守頻度が低減された。
• MCPの過充電や回復時間の短縮により、高強度ビームサイクルの起動がより迅速に行えるようになった。