[email protected] 2013

■研究紹介

ATF2 におけるビーム収束

KEK

加速器研究施設

奥 木  敏 行

[email protected] 2013

年

5

月

10

日

1 はじめに

1.1

 

ILC

のための加速器開発

 

2012

年

12

月，国際リニアコライダー計画（ILC, Inter-

national Linear Collider） [1]

の技術設計書

Technical Design Report(TDR)が完成した[2]。ILC

のレイアウトを図

1

に示 す。TDRは『ILCの物理』『加速器』『物理と測定器の詳 細ベースライン設計』の

3

巻で構成されている。また，第

2

巻の『加速器』は，さらに

2

部構成になっていて，第

1

部には『世界各国での

ILC

のための

R&D

の報告』が纏め られ，第

2

部には『ILCの基本的なデザイン』が書かれて いる。本稿で報告する，Accelerator Test Facility (ATF)で の研究開発は，TDR第

2

巻

1

部の『ILCのための

R&D

の 報告』の内容に深く関係している。読者の方には，本稿の 内容をとおして，

ILC

の加速器開発は

ATF

という

KEK

内 にある施設での研究開発であっても

KEK

だけでおこなっ ているわけではなく，国際的な枠組みで進められているこ と，そして，多少の紆余曲折はあるにしても，順調に

ILC

のための加速器開発は進められている様子を感じ取っても らえたら嬉しいです。

ILC

に要求される加速器技術として重要なことは，全長 を短くするため，あるいは，限りあるトンネルの中で少し でも高いエネルギーに到達するため，高い加速勾配を目指 していることはいうまでもない。しかし，高エネルギー実 験で

ILC

を使うためには，ただ高い加速勾配が得られれば よいわけではない。何度も衝突のチャンスがある円形衝突 器と異なり，ILC では１つの電子ビームや陽電子ビームに 与えられる衝突のチャンスはたった

1

度だけである。この 状況下で高いルミノシティを確保するために

ILC

で工夫し ていることは

2

つある。1 つ目は単位時間当りに加速でき るビームの数を出来る限り多くすること。そして，2 つ目 には，ビームが交差する際に電子と陽電子が反応を起こす 確率を極限まで上げることである。

図1  International Linear Collider (ILC)のレイアウト図

ILC

では単位時間あたりにたくさんのビームを加速する ために，超伝導加速技術を用いたビーム加速を採用してい る。

ILC

の超伝導加速技術は，次号に

KEK

早野氏が報告を 予定しているので，そちらを参照いただきたい。

もう

1

つの

ILC

で高いルミノシティを得るために必要な 要素は，ビーム交差時の反応確率を上げることである。具 体的には，衝突点でビームを出来る限り小さく絞り，ビー ム同士を正確に衝突させることである。ATFでは，それに 必要な技術開発をおこなっている。

1.2  Accelerator Test Facility (ATF)

衝突点でビームを小さく絞るために重要なことは2つあ る。1 つ目はビームの平行性を良くすることである。光を 想像してもらうとイメージしやすいと思うが，懐中電灯の 光とレーザーの光を同じレンズで絞る場合，レーザー光の 方が小さく絞ることができる。これはレーザー光の方が懐 中電灯の光よりも平行性がよい光線（ビーム）だからであ る。光と同じように電子や陽電子ビームにも平行性の良し 悪しがあり，優れた平行性のビームを使うと，衝突点でビー ムを小さく絞ることができる。加速器の用語では，この平 行性の指標をエミッタンスというパラメータで評価してい る。ATF にはダンピングリングという円形加速器があり，

電子ビームをダンピングリングに通過させることで，電子 ビームのエミッタンスを小さくすることができる。ATFで 作られる電子ビームのエミッタンスは，世界トップクラス の小さな値であり，

ATF

では電子ビームを

ILC

で要求され るエミッタンスと同等の値まで小さくできる。

衝突点でビームを小さく絞るために必要な

2

つ目の要素 は，出来るだけ収差の小さいレンズ系を作ることである。

ビームには有限の大きさやエネルギーの広がりがあり，レ ンズ系の収差が大きいと，衝突点でビームサイズが広がっ てしまう。これも光の場合を想像すると分かりやすいと思 うが，収差の小さいレンズを作るためには，複数枚のレン ズを組み合わせた最終収束光学系を作る必要がある。ATF では，後に説明する

ATF2

ビームラインで最終収束光学系 の研究もおこなっている。

ATF2

のレイアウトを図

2

に示した。ATFではビームを 小さく絞るために，まずダンピングリングでビームのエミッ

タ ビ と タ 最 さ

2

2

リ

C

を

( N

ま

T

系

C

収 む パ の

収 り と 最

L

収

C

に ン と こ ル

図2  Acce

タンスを小さ ビームラインで と同じように，

タンスを小さ 最終収束光学系 されている。

2   ATF2 ビ

2.1

 

ILC

の

1990

年代か リニアコライ

Collider (JLC)

を進めており，

(NLC)というリ NLC

は技術開 まざまな技術交

Test Beam (FF

系を試験する施

Correction

とい 収束試験をお むことに成功し パラメータが近 の加速器研究者

FFTB

での 収束光学系の研 り進められた。

とは違う

Loca

最終収束光学

Local Chromat

収 束 光 学 系 は

Chromaticity

に比べ，全長が ンスが広くとれ という特徴があ ことは，そのま ルギーアクセプ

elerator Test Fa

くする。その後 でビームを小さ

最初にダン くして，加速 系でビームを衝

ビームライ

の最終収束光 から

2000

年代

ダー計画があ という常伝導

SLAC

（アメ リニアコライダ 開発要素が近か

交流があった。

FTB)というリ

施設があった。

いう収差補正方 こない，電子 した[3]。JLC 近かったことも 者も参加し，そ 実験が終了し 研究は，おも

。そして，現在

al Chromaticit

系を使用する

ticity Correcti

は ， か つ て ，

Correction

の が約1/3と短く れ，かつ，ビー ある（図

4）。

まま建設コス プタンスが広

acility (ATF)の

後，収差を小 さく絞っている ピングリング したのち，最後 衝突点で小さ

ン

光学系 にかけて，世 あった。日本で 導技術を使った

リカ）でも

Ne

ダー計画を進め かったため，加

。当時，SLAC ニアコライダ

FFTB

ではGl 方法の最終収 ビームを70 nm と

NLC

は，

もあり，FFTB その成果に貢献

た後，リニア に計算機シミ 在の

ILC

のデ

ty Correction

ることになって

on

の収差補正

FFTB

で 試 原理に基づい

(図 3)，エネ

ームハローが大

ビームライン トの削減に繋 く，ビームハロ

レイアウト図

さく抑えた

A

る。ILCでも

でビームのエ 後に収差の小 く絞るように

界中には数多 では

Japan Li

リニアコライ

ext Linear Col

めていた。JLC

速空洞をはじ

C

には

Final F

ダーの最終収束

lobal Chromat

束光学系でビ m程度まで絞 最終収束光学

B

には多くの 献した。

コライダーの ュレーション ザインでは，

の原理に基づ ている[4]。現在 正方法を用いた

験 さ れ た

Gl

た最終収束光 ルギーアクセ 大きく広がら の長さが短く がる。また，

ローが広がらな

ATF2

ATF

ミッ さい 設計

くの

inear

ダー

llider C

と

めさ

Focus

束光学

ticity

ーム り込 系の 日本

最終 によ 当時 づいた 在の 最終

lobal

学系 プタ ない なる エネ ない

図 3 Corr 直方 Loca 収差

図4  Corr ハロ

とい テク

Chr

うに

Cor

的に

2.2 20 Pan

コラ 界に して 初の この 桁以 使え ある を使

ATF

3  Global Chr rectionのビーム 方向の色収差補正 al Correctionは 差補正をおこなう

Global Chrom rectionの性能比 ローの分布。

いう性質は，測 クショ ンの 観

romaticity Cor

に多くの利点が

rection

方式に に原理証明がな

 

ATF2

プ

004

年 の

Int nel ( ITRP)で，

ライダー計画を に１つの計画に て，

2004

年

11

の国際ワークシ の場において，

以上低いが，

AT

えば，

ATF

で

I

るという提案が 使った

ILC

の最

F2

プロジェク

romaticity Cor ム光学系の例。G 正セクションと最 は，最終収束レン うので，ビームラ

maticity Correc 比較。(a)エネル

測定器設計に自 観点からも 利

rrection

方式の があるが，ビーム に比べて複雑で なされていない

プロジェクト

ternational T

それまで世界 を，超伝導加速 に統一するとい 月に，KEKで ショップとなる

ATF

のビーム

TF

が作り出す

ILC

の最終収束 がされた[5,6]。

最終収束光学系 クトと命名した

rrection と Loc Global Correcti 最終収束レンズ ンズ系の中で水平

ラインをコンパ

ction とLocal C ギー許容値。(b

自由度を持たせ 点は多い。

の最終収束光学 ム調整がGloba であることや，

いという問題も

Technology Re

界中にいくつ 速技術を用いた

いう意思決定が で

ILC

計画がス る

LCWS2004

ムエネルギーは す超低エミッタ 束光学系の原理 そして，この 系の試験施設を た。

cal Chromaticit ionでは水平，垂

系が別々。一方，

平，垂直両方の色 クトにできる。

Chromaticity b)焦点でのビーム

せ，マシンプロ し かし，

Loc

学系は，このよ

al Chromaticit

何よりも実験 もあった。

ecommendatio

もあったリニア た

ILC

という世 がなされた。そ スタートして最 が開催された は

ILC

よりも タンスビームを 理証明が可能で の

ATF

のビーム をつくる計画を ty 垂

， 色

ム

ロ

al

よ

ty

験

on

ア 世 そ 最 た。

2

を で ム を

原

発 て ど を

た

2

作 国 過 公 め 推 表 メ 計 系 組 現 の

こ 線 フ 各 こ

K

な 分 製 電 計 収 た

A

ビ ソ

（

ビ ム の A 海

Local Chrom

原理証明をする トを与えると期 発足した

2004

ており，最終収 どこにも存在し を発足させた大

ATF2

プロジ たのち，国際協

2005

年度中は 作り，ハードウ 国際協力による 過程において，

公表し，その中 めた。さらに，

推進体制・予算 表した。ATF2 メリカの

3

地域 計，製造および 系の技術開発に 組みを整備した 現する際の国際 のと期待してい

ATF2

ビーム こなわれた[9]。

線防御用コンク フラの整備，電 各種ハードウェ こなわれた。A

KEK

の役割は など多岐にわた 分担することで 製作し，六極電 電磁石電源は 計・発注の下で 収束電磁石の架 た。空洞型ビー

Accelerator La

ビーム位置モニ ソフトウェアは

（イギリス）が このような世 ビームラインは ム運転に関して の研究者が参加 ATFを訪れた 海外からの来訪

maticity Corre

ることは，ILC 期待されていた

4

年の段階では

収束光学系の試 しなかった。こ 大きなモチベー ジェクトは，

20

協力によるプロ

，プロジェク ウェアの検討，

るプロジェク

2005

年

8

月 中で『ATF2 の

2006

年

2

月 算』を説明する

2

プロジェク

域が同程度の び建設が分担さ に興味を持つ世 た。こういった 際的協力分担体 いる。

ムラインの建設

。その間に，新 クリートブロ 電磁石やモニタ

ェアのビーム

ATF2

ビーム 当然として，電 たる加速器要素 で実現した。

電磁石，最終収

SLAC

が担当 で

IHEP

が製 架台システムは ーム位置モニタ

aboratory, PA

ニターの読み出 は

Royal Hollow

が担当している 世界各国の研 は建設され，2 ても，ビーム 加している。図

国内外の来訪 訪者が多いこ

ection

方式の

C

のデザイン た。しかしなが は

FFTB

はす

試験をおこな このことが

AT

ーションであっ

004

年の

LCW

ジェクトとし トを推進する 作業と予算の トの骨格作り には

ATF2 Pr

の目的とハー には『ATF2 る

ATF2 Prop

トは，アジア 貢献をするこ された。そして 世界中の研究者 た

ATF2

での 体制のモデル

設は

2007

年か 新設部分の床 ックの設置，

ーなどのハー ラインへの設 ラインの建設 電磁石システム

素を世界中の大 四極電磁石は 収束電磁石，

した。偏向電磁 造したもので は

LAPP（フ

ーはKEKが設

AL（韓国）が製

出し回路は

SLA way University

る。

研究機関との協

2009

年に運転

ラインの建設 図

5

には共同 者の数をしめ とがわかると思

最終収束光学 に大きなイン がら，ILC 計 でに稼働を終 える施設が世

TF2

プロジェ った。

WS2004

で提案 て推進してき ための国際組 分配作業を進 がなされた。

roposal Vol.1 [7

ドウェア』を のスケジュー

osal Vol.2 [8]

，ヨーロッパ とを目指して て，ILC 最終 者が参加でき 経験は，ILC としても役立

から

2008

年の の補強工事，

冷却水などの ドウェアの製 置などの作業 は，ホストで ムやビームモニ 大学・研究機

IHEP（中国

電磁石ムーバ 磁石は

SLAC

ある。また，

ランス）が担 設計を行い，

Poh

製作を担当し

AC

が設計製作

of London, RH

協力のもと，A を開始した。

と同様，世界 開発研究のた した。国内よ 思う。

系の パク 画が 終了し 界中 クト

案され た。

組織を 進め，

その

7]

を まと ル・

を発

，ア

，設 終収束 る枠 を実 つも

間お 放射 イン 作，

がお ある ニター 関が

）で ー，

の設 最終 担当し

hang

た。

作し，

HUL

ATF2

ビー 各国 めに りも

図5 

2.3 A

を第 方式 や名 て，

の電 と同

図6  デザ

図7  容値 差の

年度毎のATF

 

ATF2

ビ

ATF2

ビームラ 第一の目的とし 式のビーム光学 名前も

ILC

の最 色収差（エネ 電磁石の強さ，

同程度になるよ

ILCとATF2 ザインと同じ電磁

ILCとATF2 値。(b)電磁石の設 の許容値。(d)電磁

Fへの国内，国

ビームライン ラインは

ILC

の しているので，

L

学系を採用して 最終収束光学系 ルギーが違っ 設置位置誤差 ように設計され

2のビーム光学系 磁石の配置になっ

2の電磁石の許容 設置位置誤差の 磁石の振動誤差

外の研究者，学

の最終収束光学

Local Chromati

ている。また，

系と同じである た粒子の収差 差，振動に対する

れている（図

7

系。ATF2ビーム っている。

容値の比較。(a) 許容値。(c)電磁 差に関する許容値

学生の来訪者数。

学系の原理証明

icity Correctio

電磁石の配置 る（図

6）。そ

差）の強さ，個々

る許容値も

IL

）。ただし，

IL

ムラインはILCの

)磁場の強さの許 磁石の回転設置誤 値。

明

on

置 し 々

C C

の

許 誤

β

の ン 点 る

す に 衝 よ ば 制 な で ビ

3

3

え で さ で 体 で モ の

A

ニ 分 ザ ム 散 が 生

表

Chromaticity Correction

Beam Energ

*

* [mm] × * [m

β β

[nm] × [p

ε ε

* [nm]

σ

のビームエネル ンでは1.3GeV 点の

5.9 nm

に対 る。表

1

に

ILC

また，ATF2 く絞るだけでな するという

2

つ に加速された電 衝突させなけれ よりもよい精度 ばならない。I 制御できるこ なビーム位置制 で，ATF2 では ビーム位置制御

3   ATF2 仮

3.1

  ビーム

ATF2

では電 えている。しか できるビームサ さく絞れたこと でビームを小さ 体も非常に重要 で使われていた モニター）

[10]を

の開発および改

ATF2

で使用し

IP-BSM

は，

ニターである。

分け，仮想衝突 ザー光の干渉縞 ムが通過する 散乱により 線 が干渉縞に比べ 生成される 線

1  ATF2の仮想 ILC-500

y Loca

Correc

gy 250 G 3.5 m

mm]

11 0

× pm]

0.02 0

×

5.9

ルギーが

250 G

と低いので，

対して

ATF2 C

と

ATF2、 FF

2

ビームライ なく，仮想焦点

つ目の目的も 電子ビームと陽 ればならない。

度で，衝突点で

ILC

では衝突点 とを前提に設計 制御に関して は，仮想焦点 御に関する研究

仮想衝突点

ムサイズモニ 電子ビームを仮 かし，ビーム サイズモニター とを証明するこ さく絞るため 要になってくる たビームサイズ を譲り受け使用 改良は，東大と している

IP-BS

レーザー干渉

。１台のレーザ 突点で交差させ 縞を作ることが とき，電子ビー 線が生成され べて小さいと 線の発生量が変

想焦点のパラメ

0GeV AT

al ction

Loc Corre

GeV 1.3G

m 1.0

.48 40×

0.07 2.0

×

9 37

GeV

に対して，

絞れるビーム 仮想焦点では

FTB

のパラメ ンには仮想焦 点で正確にビ ある。ILCで 陽電子ビーム

。そのために でビームの位 点でビームの位

計されている も原理証明が におけるビー 究も進めている

でのビーム

ニター

(IP-BS

仮想焦点で

37 n

を小さく絞っ ーがないと，

ことができない には，ビーム る。

ATF2

仮想衝

ズモニターIP- 用している。

A

と

KEK

と共同

SM

の写真を図 渉縞を利用し ザーから出射さ せることで，仮 が出来る。この

ームとレーザ る。電子ビー きには，干渉縞 変化する（以下

ータ。

TF2 FF

cal ection

Glo Corre

GeV 46.6

m 0.4

×

0.1 10

×

×

12 0.33

7 4

ATF2

ビーム ムサイズは，

IL

は

37 nm

となっ ータを比較し 点でビームを ームの位置を は，それぞれ を衝突点で正 は，ビームサ 置を制御しな 位置を

2 nm

以

。このような なされていな ム収束ととも る。

ム収束

SM)

nm

まで絞ろう ても，それを 実際にビーム い。そのため，

A

サイズモニタ 衝突点には，

FF -BSM

（通称，

ATF2

での

IP-B

で担当してい 図

8

に示した。

たビームサイ された光を

2

仮想衝突点に 干渉縞に電子 ーとのコンプ ムのビームサ 縞の位置に応 下，モジュレー

FTB obal ection

6 GeV

4 m

×

0.1 3 20

×

45

ライ

LC

焦 てい た。

小さ 制御 れ独立 確に イズ けれ 以下に 精密 いの に，

と考 測定 を小

ATF2

ー自

FTB

新竹

BSM

る。

ズモ つに レー 子ビー トン イズ じて ショ

ンが 渉縞 する 干渉 大き

IP

干渉 で決 依存 とが のビ 長を 使っ レー 範囲 とさ ら

6

       

                            図9  のビ

が起こると記す 縞よりも大きい る 線数にモジ 渉縞の位置を変 きさから，ビー

P-BSM

により 渉縞ピッチの約 決まる。干渉縞 存するが，最小 が出来る。ATF ビームサイズ測 を

FFTB

で使わ っている[11]。

ーザー光の交差 囲のビームサイ さらに

2

つの小

6 m

までの広い

図8  ATF2仮

FFTBとATF ビームサイズの測

す）。一方，電子 いときには，干 ジュレーション

変えたときの ームサイズを評 り測定できるビ 約

10 %

から

35

縞のピッチは

2

小でレーザー波

F2

では，小さ 測定感度が高く われていた

106

このことによ 差角を最大にし イズの測定が出 小交差角モー い測定範囲を実

仮想衝突点に置か

F2で使われてい 測定範囲。

子ビームのビー 干渉縞の位置を ンは起こらない

線数のモジュ 評価することが

ビームサイズの

%

の範囲と，干

2

つのレーザー 波長の半分まで さなビームサイ くなるように，

64 nm

から

532

り，ATF2 の したとき(

174

度 出来る。また，

ドを用意する 実現している

かれているIP-B

いるIP-BSMによ

ームサイズが干 を変えても発生 い。このように，

ュレーションの が出来る。

の測定範囲は，

干渉縞のピッチ ー光の交差角に で小さくするこ イズで

IP-BSM

レーザーの波

2 nm

に変更して

IP-BSM

では 度)，

25-90 nm

の

2-8

度，

30

度 ことで

25 nm

か

（図

9）。

BSMの写真 

よる仮想衝突点で 干 生

の

チ に こ

M

波 て は，

の 度 か

で

3.2  ATF2

でのビーム調整技術

ATF2

ビームラインのすべての四極電磁石および六極電 磁石は，電磁石ムーバーの上に設置されている。そして，

ATF2

ビームラインには，軌道補正用のステアリング電磁 石はいっさい設置せず，ATF2 での軌道調整は電磁石ムー バーを使っておこなっている。このようなビームラインの 仕様は

ILC

の最終収束光学系と同じ仕様であり，ATF2で のビーム軌道調整の経験は

ILC

のビーム制御技術に直結す るものであると期待している。

また，仮想衝突点でのビームサイズ測定に関しても，

ATF2

では電磁石ムーバーで六極電磁石の位置を変えることで，

仮想焦点に電子ビームのウエスト位置を合わせたり，エネ ルギーの違った粒子の焦点の位置を１点に揃えたり，ビー ムの傾きを調整するなど，加速器用語では『線形光学系の 調整』と呼ばれる調整をおこなっている。見ているモニター が，

IP-BSM

か，ルミノシティモニターかの違いはあるが，

ATF2

仮想衝突点でのビームサイズの調整方法も

ILC

焦点 での調整方法と同じ手法を採っている[12]。

3.3

  仮想焦点でのビームサイズ調整

ATF2

ビームラインは

2009

年に運転を開始した。運転開 始当初は仮想焦点でビームをあまり小さく絞らず，おもに モニター類などのシステム確認をおこなった。ATF2 プロ ジェクトは国際協力で進められ，各デバイスは，前述の通 りさまざまな国の研究機関や大学が担当し，かつ，それぞ れの担当者は

KEK

に常駐できるわけではない。そのため，

海外の担当者がいなくても各デバイスを使用できるように 運転システムを構築することは，

ATF2

プロジェクトにとっ て非常に重要なことだった。

2009

年の夏に

IP-BSM

のレーザーを高出力レーザーに入 れ換えた。それに伴い

IP-BSM

のコンプトン 線の信号レ ベルも上がった。この頃から

IP-BSM

の低交差角（干渉縞 のピッチを大きくとる測定モード）でのビームサイズ測定 が出来るようになってきた。ビームサイズ測定の精度が上 がるのにあわせて，2010年の年末から仮想焦点でビームサ イズを設計値まで小さく絞りはじめた。そんな折の

2011

年

3

月

11

日に東日本大震災が起こり，

ATF

でも加速器の放射 線シールドがずれるなどの多大な被害を受けた。そのため

2011

年中は震災からの復旧作業に明け暮れた。

2012

年になると震災からの復旧作業も落ち着き，本格的 な仮想衝突点でのビーム収束実験を開始した。しかし，ビー ムは仮想衝突点で150 nm程度までしか絞れなかった。

ATF2

ビームラインには，KEKBから借りたスキュー六極磁電磁 石が１台入っていた。そこで，このスキュー六極電磁石を 使って

ATF2

ビームラインを通過する電子ビームを調べて みた。ATF2 ビームラインに入っている電磁石の多重極成 分はすべて磁場測定で測定されている。電磁石の磁場測定

の値からの想定では，スキュー六極電磁石の強さの最適値 は2 A程度で，スキュー六極磁場によるビームサイズの寄

与は10-20 nm程度と考えられていた。しかし，測定された

スキュー六極磁場によるビームサイズの寄与は，予想より も遥かに大きかった（図

10）。このことは，ATF2

ビームラ インのどこかに想定よりも遥かに大きなスキュー六極磁場 の存在を示唆していた。

本来ならば，この原因を探るべくビームライン上の電磁 石の磁場を再確認すべきだが，ATF2 ビームラインに入っ ている電磁石はいろいろな国の研究期間が担当していて，

KEK

にはすべての電磁石にあった磁場測定装置がなかった。

そこで，シミュレーションを中心とした検討をすすめ，4 台のスキュー六極電磁石を使えば，ビームライン上のどこ かに強いスキュー六極磁場が存在していても，その誤差を 補正出来る許容値が大幅に広がることがわかった（図

11）。

さらに，

4

台のスキュー六極電磁石を使うことで，スキュー 六極磁場のエラーソースがどこにあるのかを調べることも 可能だとの考えにいたった。2012 年夏の運転停止期間に

KEKB

から新たに

3

台のスキュー六極電磁石を借り，

ATF2

ビームラインに合計

4

台のスキュー六極電磁石を入れて，

2012

年秋からの運転に臨んだ。

図10  2012年2月にスキュー六極電磁石の強さを変えたときの ATF2仮想焦点でのビームサイズの変化。図ではIP-BSMの系統 誤差がないと仮定したときのビームサイズを示した。実際のビー ムサイズは，この値以下になる。

図11  ATF2の各四極電磁石のスキュー六極電磁石磁場の許容値。

図にはビームライン上にまったくスキュー六極電磁石を置かなかっ た場合，1台のスキュー六極電磁石を使って補正をおこなう場合，

4台のスキュー六極電磁石を使って補正をおこなう場合を示した。

図 履

て き 9 し 測 大

ズ の 移

較 あ い レ 磁 使 の ポ 測 け れ え そ た れ

電 交 お る 下

図12  2012年 履歴とIP-BSMの

2012年12月 て仮想焦点での きはじめてIP

90 nm以下)で した。図12に 測定したモジュ 大きいほどビー ドで測定された ズ調整ではビー のピッチが大 移行していく。

2012年の運 較して，ビーム あるかを検討し いスキュー六極 レーションがよ 磁石の磁場を再 使える磁場測定 の短絡の有無に ポール１つ１つ 測定をした。コ けで短絡を調べ れば抵抗値だけ えて，LCR メ その結果，１台 たコイルの短絡 れなかった原因 予備の六極電 電磁石を，磁場 交換した。その おこなわずに，

ることができる 下までビームを

12月のIP-BSM の174度モード

の運転では，4 のビームサイズ

-BSMの最大交 の仮想衝突点 は2012年12 ュレーションの ームサイズは小 たモジュレー ームサイズを小 きいモードか

。図からはその 転終了後，実 ムライン上の した。その結果 極磁場がある よい一致を示 再確認すべきだ 定装置がなか に問題を絞り，

つに巻かれてい コイルの抵抗 べるのは難しい けでなくイン メータを使って

台の六極電磁石 絡がわかり，

因であると判明 電磁石がなか 場が弱いとこ の後は，スキ 常に仮想焦点 るようになり，

を絞ることが可

Mでのモジュレ でモジュレーシ

4台のスキュー ズの補正をお 交差角の174度

でのビームサ 月の最後の2 の大きさ（モ 小さい）の履 ションの例を示 小さくしてい ら小さなモー の様子がみて 験結果とシミ どこに強いス 果，ある1台 と考えると，

した。ここで だが，その電磁 った。そこで

六極電磁石の いるコイルの は小さいので い。そこで，

ダクタンスも て各コイルを調

石のポールの これが今まで 明した（図13 ったため，短絡 ろで使われて ュー六極電磁石 点で100 nm以

2013年4月 可能になった

ーションの大き ションを測定した

六極電磁石を こなった。こ 度モード(測定 イズの測定に 週間のIP-BSM ジュレーショ 履歴と，174度 示す。ビーム く過程で，干 ドの測定に徐 とれると思う。

ュレーション キュー六極磁 の六極電磁石 実験結果とシ も本来ならば 磁石に合った

，電磁石のコ のコイルを分解 アドミッタン

，抵抗値の違 コイルの短絡 変わるだろう 調べることにし

１つに巻かれ ビームを小さ

）。

絡がわかった いる六極電磁 石を使った補 下までビーム 月時点では65 n

（図14）。

きさの た例。

使っ のと 範囲 成功 Mで ンが モー サイ 渉縞 々に

。 を比 場が に強 ミュ ば，電 すぐ イル 解し，

スの いだ 絡があ と考 した。

れてい く絞

六極 石と 正を を絞 nm以

図1 使い ほか

  図14 図で した

4  

4.1

IL ばれ バン に5 のバ ける るこ のよ バン イダ い加 一 とき のビ 過ぎ 点で 子や 角も ある がミ の相 フィ

3  SD4FFとい いおこなったコイ かのポールより有

4  2013年3月に ではIP-BSMが た。実際のビーム

仮想衝突点

 

ILC

のビ LCでは554 ns れる電子ビーム ンチ構造は先頭 554 nsの時間的 バンチの位置情 ることができる ことが超伝導技 ような特徴から ンチ間隔0.5 ns ダー計画に比べ 加速器となって 一般に，電子ビ き，2 つのビー ビームが作る電 ぎた後のビーム でビームを5.9 や陽電子ビーム も大きくなる。I ると，衝突点か ミクロンオーダ 相対位置を，ビ ィードバックで

いう電磁石のコイ イル毎のアドミ 有意にアドミッタ

にATF2仮想衝突 完全であると仮 ムサイズは，この

点でのビー

ビーム軌道フ の時間間隔で ムを1つのRF 頭のバンチから 的なゆとりがあ 情報から次のバ る。このように 技術を使ったI ら，ILCはCom )[13]などの常伝 べて，衝突点で ている。

ビームと陽電子 ームの位置が違 電磁場で散乱さ ムの角度が変わ nmと非常に小 ムの密度が非常 ILCでは2つの から数m離れた

ダーで変わる。

ビーム同士の散 で揃えることを

イルを分解して，

ッタンス。5番 タンスが高かっ

突点で測定され 仮定したときのビ

の値以下になる

ーム位置調整

ィードバッ で並んだ1312個

Fパルスで加速 ら次のバンチが あるので，この バンチにフィー に長いバンチ間 ILCの特徴の

pact Linear Co 伝導技術を使 での位置を正確

子ビームが衝突 違うと，一方の される。その結 わる（図15）。

小さく絞るため 常に高くなり，

のビームのオフ たモニターでは

ILC では衝突 散乱の大きさを を考えている

，LCRメータを 目のポールだけ た。

れたビームサイズ ビームサイズを示

。

整

ク

個のバンチと呼 速する。ILCの が通過するまで の時間内に先頭 ードバックをか 間隔で加速出来 1つである。こ ollider (CLIC，

ったリニアコラ 確に制御しやす

突点で交差する のビームが他方 結果，衝突点を

。ILCでは衝突 め，衝突点で電 ビームの散乱 セットが数nm はビームの位置 突点でのビーム をモニターし，

（図16）。

を け，

ズ。

示

呼 の で 頭 か 来 こ

ラ す

る 方 を 突 電 乱 m 置 ム

図 で

4

る た ン の 用

を

v

下 ム 位 は

い に ム る チ の 速 点 い

フ

A

ム 衝 流

図15  衝突点で ではビームのオ

図16  ILC

4.2

 

ATF

で

ATF2

ビー るだけでなく，

ための研究もお ンでは

ILC

と違 のため，ILC 用した位置フィ ドバックは，同 を基準位置に揃

versity（イギリ ATF2

仮想衝 下と

ILC

と同 ム散乱を利用で 位置モニターが はビーム散乱を ドバックの目標 い。それだけの に存在していな ムの位置測定の ることができる チを最大3個ま の位置フィー 速い応答時間が 点でのフィー いものになって

ATF2

ビーム フィードバック

ATF2

ビームラ ムの実証試験を 衝突点でビーム 流ではビームの

でビーム同士が散 フセットがある

Cの衝突点での位

でのビーム軌 ムラインでは

仮想焦点で正 おこなってい

違い，ビーム とまったく同 ィードバックは 同一パルス内の 揃えるもので リス）を中心に 衝突点でのビー じ値において できるためミ があればよい。

を利用できない 標値である2 n の位置分解能が ない。

ATF2

で のハードルが非 るビームの構造 までしか作るこ

ドバックは

IL

が要求される。

ドバックは

IL

ていることが分 ムラインでは，

ク技術を磨いて ラインの中流で をおこなった。

ムの位置を安定 の位置と角度の

散乱する様子を表 ると，ビームの角

位置フィードバ

軌道フィード

，仮想焦点で 正確にビーム る。しかし，A

は電子ビーム じ衝突点での はできない。A の

ATF2

仮想

ある。この研 に進めている。

ーム位置の安定 いる。ILCで クロンオーダ

。一方，ATF いため，ビー nm以下で測定 がある位置モ では，フィード 非常に高い。ま

造は，バンチ ことが出来ない

C

で要求され

。こう考える

C

のフィード 分かってもらえ

いくつかの段 ている。その最 でフィードバ

。セットアップ 定にするには の

2

つを安定

表した模式図。

度が大きく変わ

ックの概念図。

ドバック ビームを小さ の位置を制御

ATF2

ビーム

1

つしかない ビームの散乱

ATF2

でのフ 焦点のビーム 究は

Oxford

。

定化目標は2 n は衝突点での ーの位置分解

2

ビームライ ムの位置もフ 定しなければな ニターは現在 バック以前の また，ATFで 間隔150 nsの い。そのため，

A

る応答時間よ と，ATF2 仮 バックよりも えると思う。

階を踏みなが 最初の段階とし ックのアルゴ プを図

17

に示

，ビームライ 化しなければ

ILC わる。

く絞 する ライ

。そ 乱を利 ィー 位置

Uni-

m以 ビー 能の ンで ィー らな 世界 ビー でつく バン

ATF2

りも 想焦 難し

がら，

て，

リズ 示す。

ン中 ばなら

ない クが のフ こ する 隔に １バ 位置 を表 た

2

クを この クな バッ こと 標に

図1 表

4.3 A

位置 る。

型ビ は

A

ため おり た[1

実 ター して を

L

の運 焦点

い。そのために が必要で，１つ フィードバック ここでは

ATF2

る[14]。フィー に

3

つのバンチ バンチ目のビー 置にフィードバ 表

2にまとめた

2

番目，

3

番目 をかけることで の結果を仮想焦 なしでは仮想焦 ックをかけるこ とに相当する。

に近い精度でビ

7  ATFビーム

表

2

ATFビーム ( )内は仮想衝

Bunch #1 Bunch #2 Bunch #3

  ビーム位

ATF2

の仮想焦 置分解能2 nm以

ATF

では，こ ビーム位置モニ

ATF2

ビームラ めのビーム位置 り，ATF2 の要

16]。達成され

実際に

ATF2

ーは

Kyungpoo

ており，

IP-BSM

LAL（フランス

運転停止期間に 点での直接的な

には

2

つのキッ のキッカーで クより複雑なも

2

ビームライン ドバックの試験 チが並ぶ構造の ームの情報から バックをかけた

。フィードバッ のバンチの位 で，それぞれ0.4 焦点のジッター 焦点で約15 nm ことで，それぞ

このように

I

ビーム軌道を制

ライン中流での

ライン中流での 衝突点の位置ジッ FB OFF

2.1 m (14.5 2.2 m (14.7 2.2 m (14.7

位置モニター 焦点での位置フ

以下のビーム位 この高い位置分 ニターの開発研

ライン中流にお 置モニターのプ 要求に近い3.6 れた位置分解能 仮想焦点に入

ok National Un M

と両立可能に ス）が製作して に

ATF2

仮想焦 なビーム位置制

ッカーを使った フィードバッ ものが要求され

ンでの試験結果 験には前述のよ のビームを使っ ら

2

番目，3番 た。フィードバ ックをかけない

置ジッターが 4 m，0.8 mま ーに換算すると

あったジッタ ぞれ2.6 nm，5

ILC

よりも複雑 制御できること

の位置フィードバ

の位置フィードバ ッターへの換算値

F

5nm) 2.1

7 nm) 0.4 7 nm) 0.8

ーの開発 フィードバック

位置モニターが 分解能を実現す 研究もすすめて

おいて，仮想衝 プロトタイプの nmの位置分解 能は世界最高の

入れる空洞型ビ

niversity（韓国

に設計された真 ている。これ 焦点に設置して 制御をはじめる

たフィードバッ クをかける

IL

れる。

果を簡単に報告 ように150 ns間 った。そして，

番目のビームの バックの試験結 いと約2 mあっ

，フィードバ まで減少した。

と，フィードバ ーが，フィー 5.2 nmに減った 雑な条件で，目 とがわかった。

バックの概念図

バックの効果。

値を示した。

FB ON

m (14.5 nm) m (2.6 nm) m (5.2 nm)

クの研究には，

が要求されてい するための空洞 ている[15]。現在 衝突点に入れる の試験を進めて 解能が達成され の分解能である

ビーム位置モニ 国）が現在製作 真空チェンバー らは

2013

年夏 て，ATF2仮想 る予定である。

ッ

C

告 間

の 結 っ ッ

。 ッ ド た 目

図。

い 洞 在 る て れ る。

ニ 作 ー 夏 想

5   まとめの前に…

高エネルギーニュースの記事ということで，単なる現状 報告だけでは面白くないので，ATF2 のビームサイズ調整 を通して感じた私の雑感を少し書かせてもらう。

ATF2

プロジェクトは国際協力のもとで進められている。

このことは，人的，物的資源の立場から多くの利点がある ことは紛れもない事実だ。しかし，国際協力によるデメリッ トがないわけでもない。

今回のように電磁石の磁場が疑わしいと感じたとき，

KEK

内だけで進められている実験ならば，担当者とのコンタク トは容易なので，担当者をとおして電磁石を調べることも 簡単にできる。しかし，海外の研究所が担当しているデバ イスの場合，提示された測定データを信じるしかない。ま た，ATF2 プロジェクトでは，各デバイスをいろいろな国 の研究機関が担当しているといっても，すべてのデバイス が

ATF2

のために新たにつくられたものではなく，ほかの 加速器で使われていたものを転用したものも少なくない。

そのため，運転当初からすでに経年劣化しているデバイス が含まれていてもおかしくない。

そのような状況下で電磁石の磁場に疑問が生じたとき，

磁場を再測定するには，新たに

KEK

内に磁場測定装置を 作るか，送り返して測定しなおす以外方法はない。どちら もコストがかかるので，実際には磁場測定をおこなった方 が早く正確に結論が出ると分かりながら，提示された測定 結果に疑問を抱きながらも，原因をビームに聞くしかない のである。考えてみれば，非常に非効率なことだ。

とはいえ，暗中模索の中，できる限りビームの声に耳を 傾けながら原因を探る作業をしたことは，プロジェクトと しては非効率だったとは思うが，私個人としてはよい経験 を積ませてもらえたので，有意義な時間であった。

そして，実際に

ILC

ラボが出来た場合は，さまざまな国 からの出資にはなるが，母体はラボに集約されるので，お なじ国際協力とはいっても，状況はまったく違うというこ とは補足しておきたい。上で書いたことは，

ATF2

プロジュ クトの国際協力の性質上起こる問題であって，国際協力全 般にあてはまる話ではない。また，私自身

ATF2

プロジェ クトを違った国際協力の骨格で進めることが難しいことも 理解している。なので，ここで書いたことは単なる私の雑 感にすぎないとことだと受け止めてほしい。

6   まとめ

ATF2

ビームラインは，ILC の最終収束光学系の試験施 設として，設計建設をとおして国際協力の枠組みで進めら れた。また，ATF2 におけるビーム試験に関しても，国際 協力でおこなっている。現在も

ILC

に興味をもつ国内外の 多くの研究者や学生とともに研究開発を進めている。

ATF2

ビームラインは

ILC

とまったく同じ

Local Chro- maticity Correction

の考え方で設計された光学系で，要求 される難しさやビーム調整方法も

ILC

とおなじである。こ れらのことから

ATF2

でのビーム試験は

ILC

の最終収束光 学系の実証試験といっても過言でない。

ATF2

ビームラインでの研究テーマは，仮想衝突点でビー ムを小さく絞ること，および，仮想衝突点でビームの位置 ジッターを抑えることである。そして，ATF2 仮想衝突点 でのビーム収束試験の結果，

ILC

で使う予定の

Local Chromaticity Correction

方式の最終収束光学系の原理実証 をすることができた。また，ビーム位置安定化については

ATF2

ビームライン中流でフィードバック回路の試験をお こなった。その結果，フィードバック回路は

ILCの焦点フィー

ドバックに充分使えるレベルのものだとわかった。今後は

ATF2

仮想焦点に高分解能のビーム位置モニターを設置し て，仮想衝突点でビームジッターをフィードバックで実際 に抑制できることを実証する予定である。

謝辞

本稿を書くにあたり，ATFグループをはじめとする

ILC

関係者の方々には，たくさんの助言やアドバイスを頂きま した。この場を借りて深く感謝申し上げます。また，

KEKB

の増澤美佳准教授には，スキュー六極電磁石を貸していた だき，かつ，磁場測定をはじめとする電磁石に関する様々 なアドバイスを頂きました。どうもありがとうございまし た。

参考文献 

[1]

International Linear Collider, http://www.linearcollider.org

[2]

山本明，高エネルギーニュース 31-4, 314 (2013).

[3]

V.Balakin ., Phys. Rev. Lett., 74 2479 (1995).

[4]

P.Raimondi and A.Seryi, Phys. Rev. Lett. 86, 3779 (2001).

[5]

http://lcdev.kek.jp/ILCWS/WG4.php

[6]

佐貫智行，高エネルギーニュース 24-4 (2006).

[7]

ATF2 Group, “ATF2 Proposal Vol.1”, KEK Report 2005-2.

[8]

ATF2 Group, “ATF2 Proposal Vol.2”, KEK Report 2005-9.

[9]

照沼信浩，奥木敏行，高エネルギーニュース 27-4, 230(2009).

[10]

T. Shintake, Nucl. Instru. Meth., A311, 455 (1992)

. [11]

T. Suehara, Doctor Thesis, University of Tokyo (2008).

[12]

奥木敏行「最終収束系の設計」 OHO’06 13 (2006).

[13]

CLIC Conceptual Design Report, CERN-2012-007 (2012).

[14]

D.R. Bett , IPAC2012 Proceedings 2864 (2012).

[15]

Y. Inoue , Phys. Rev. ST-AB, 11, 062801 (2008).

[16]

Y.I.Kim, Doctor Thesis, Kyungpook National Univ. (2012).