2007/8/23 東東東東 東東東東 @ 東東東東東東東 東東東 東東東東東東東東東 夏 1 ILC のののの のののののののののののの 東東東東 東東東東東 東東 東東
Jan 26, 2016
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
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
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ビームサイズモニタ メンバー 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 ILC について
極小のビームサイズの必要性 ビームサイズモニタ
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 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 大きな加速勾配が必要
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
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反応確率 Γ= f N2σ/ S = Lσ
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 L= f N2/ S ルミノシティーを高めるには
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
SN N
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ILCでの電子ビームのデザイン重心エネルギー 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 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
電子ビーム
ワイヤー γ 線
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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)
電子ビーム
γ 線
γ 線量
干渉縞の位置
ΔN
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レーザーコンプトン干渉モニタの特徴 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
大きすぎるちょうどよい
小さすぎる
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干渉縞の形成
θ θ
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FFTBでの結果 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 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 位相(干渉縞)をモニタして、フィードバッ
ク 位相を安定化
レーザーの入射角を 4 通りに変えられる 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 S/N 比を上げる
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モニタの新しいレイアウト
真空チェンバーレーザーの光路軸
レーザー入射角切り替え
干渉モニタ
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まとめ 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 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? 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? 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)
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。
干渉縞の位置
γ 線量
小さすぎる
ちょうどよい
大きすぎる
ちょうどよい
大きすぎる
小さすぎる
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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)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。