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ILCのための
ビームサイズモニタの開発
東京大学 駒宮研究室
山中 隆志
2007/8/23
東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート
1
ビームサイズモニタ メンバー
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末原大幹(D3)
依田博太郎(M2)
大録誠広(M1)
山中隆志(M1)
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概要
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ILCについて
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ビームサイズモニタ
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
極小のビームサイズの必要性
ワイヤスキャナー
レーザーワイヤー
レーザーコンプトン干渉モニタ
 測定原理
 FFTBでの結果
 ATF2への設置
質問への回答
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ILCとは?
International Linear Collider
 国際的な協力の下に、開発が進められている
電子・陽電子型の線形加速器
 衝突時の重心エネルギー 500GeV~1TeV
 エネルギーはLHCには及ばないが、ハドロンの
破砕反応のないクリーンな反応

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線形加速器を選ぶ理由

円形加速器ではSynchrotron放射により、加速
エネルギーに限界がある
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単位時間当たりの放射エネルギー
これを補うには大きな電力が必要
または、リング半径を大きくする
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線形加速器での難点
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大きな加速勾配が必要
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加速に距離が必要になると加速器が大きくなる
ルミノシティーが小さい
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円形加速器とは違って、一つの粒子は一度しか衝突
に関与しない
(高エネルギーでは、反応断面積が減少する)
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ルミノシティーの定義
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反応確率 Γ=f N2σ/S =Lσ
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1バンチあたりの粒子数 N
ビームの面積 S
ビーム周波数 f
反応断面積 σ
ルミノシティー

N
S
L=f N2/S
ルミノシティーを高めるには
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N
1バンチあたりの加速粒子数を増やす
ビーム周波数を高める
衝突点で電子ビームを極限まで細く絞り込む
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ILCでの電子ビームのデザイン
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

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重心エネルギー 500GeV
ピークルミノシティー ~2×1034 cm-2・s-1
ビームサイズ(y方向) ~5nm
ビームサイズ(x方向) ~500nm
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ビームサイズモニタ
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

ワイヤスキャナ
レーザーワイヤー
レーザーコンプトン干渉モニタ(新竹モニタ)
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ワイヤスキャナの原理
ワイヤー
γ線
電子ビーム
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レーザーコンプトン干渉モニタの原理(1)
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レーザーコンプトン干渉モニタの原理(2)
γ線
γ線量
電子ビーム
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ΔN
干渉縞の位置
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レーザーコンプトン干渉モニタの特徴
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最小でレーザー波長の半分の間隔の干渉縞
干渉縞の間隔に合った大きさのビームサイズに
対してのみ、精度良く測れる
小さすぎる
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ちょうどよい
大きすぎる
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干渉縞の形成
θ
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θ
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FFTBでの結果
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レーザーコンプトン干渉モニタはSLACの線形加
速器(SLC)で、すでに検証されている
測定されたビームサイズ 70nm
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モニタのレイアウト
真空チェンバー
(中心を電子
ビームが通る)
レーザー
の光路
レーザーの入射角
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ATF2での検証
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KEKのATF2に設置予定



ATF2 ← ILCの最終収束システムのテスト
ビームサイズ35nm(設計値)
モニタを再設計
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新しいレイアウトでの変更点
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位相(干渉縞)をモニタして、フィードバック

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レーザーの入射角を4通りに変えられる

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位相を安定化
広いレンジのビームサイズを測る
レーザーの強度を増す

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S/N比を上げる
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モニタの新しいレイアウト
レーザーの
光路軸
真空チェンバー
干渉モニタ
レーザー入射角
切り替え
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まとめ
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

ILCでは、極小のビームサイズが必要
直接測定が可能なビームサイズモニタは、現在
のところレーザーコンプトン干渉モニタのみ
新しく設計を行い、ATF2に2008年2月設置予定
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質問への回答
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

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なぜILCの電子ビームのサイズは、垂直方向と
水平方向で違うのか?
ILCのビームサイズを測ることはできるのか?
ビームサイズの誤差はどのように見積もられて
いるのか?
ILCでは電子ビームはパルスだが、測定もパル
スごとに行うのか?
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なぜILCの電子ビームのサイズは、
垂直方向と水平方向で違うのか?

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リニアーコライダーでは、ビームを小さく絞るため、
衝突点での相手方のビームのつくる電磁場が非
常に強くなり、シンクロトロン放射をし、エネル
ギー幅ができてしまう。
縦横比の異なるビームにすることで、この効果を
減少することができるので、水平方向にある程
度の大きさを持たせ、垂直方向に極限まで絞る
ことにより、ルミノシティーを増加させる。
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ILCのビームサイズを測ることは
できるのか?



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ILCで予定されるビームサイズは5nmに対し、これから
ATF2で測ろうとしているビームサイズは37nmである。
このとき、用いるレーザー波長は532nmで、35nmなら
±2nmの誤差で測ることが可能と見積もられている。
現在、実用可能な短波長のレーザーとしてはF2レー
ザー(153nm)などがある。
相対誤差を保ったままだと、10nmが限界となるが、相
対誤差の増加を許容すれば、5nmの測定も可能である。
そのときの、誤差は1nm程度になると見積もられている。
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ビームサイズの誤差はどのように
見積もられているのか?(1)



電子ビームと、レーザーの干渉縞の密度分布の
形状は既に分かっている。
γ線検出器で得られた、γ線量と干渉縞位置の関
係をプロットする。
電子のビームサイズをパラメータとして、電子
ビームと干渉縞の重なり具合で、得られたデータ
をフィッティングすることにより、ビームサイズが
求まる。
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ビームサイズの誤差はどのように
見積もられているのか?(2)
γ線量
ちょうどよい
大きすぎる
小さすぎる
小さすぎる ちょうどよい 大きすぎる



干渉縞の位置
このとき得られるデータは、干渉縞に対するビームサイ
ズの大きさによって上のように変わる。
小さすぎると、γ線量が極大、極小のまわりではほとんど
変わらなくなり、ビームサイズの変化がわかりにくい。
逆に、大きすぎるとγ線量の変化が全体を通して、少なく
なり、γ線の検出誤差が効いてくる。
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ビームサイズの誤差はどのように
見積もられているのか?(3)


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以上から、干渉縞の間隔に応じて感度のよい
ビームサイズが存在することがわかる。
532nmからつくられる、266nm間隔の干渉縞で
は50nmのビームサイズに最も感度がある。
しかし、感度を落とせばより小さいビームサイズ
も測定可能である。
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ILCでは電子ビームはパルスだが、
測定もパルスごとに行うのか?



一つのパルスに対し、1回の測定が行われる。
ただし、ILCのマルチバンチには対応していない
が、ビームサイズモニタとして機能するにはこれ
は必要ない。
1パルスごとに測定を行うので、干渉縞の位置
が常に安定している必要があり、これが最重要
課題となっている。
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