501

16

■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

toshiyuki.okugi@kek.jp
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, International 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

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)の研究開発は，TDR 第 2 巻 1 部の『ILC のための R&D の衝突点でビームを小さく絞るために重要なことは 2 つあ報告』の内容に深く関係している。読者の方には，本稿のる。1 つ目はビームの平行性を良くすることである。光を内容をとおして，ILC の加速器開発は ATF という KEK 内

想像してもらうとイメージしやすいと思うが，懐中電灯のにある施設での研究開発であっても KEK だけでおこなっ

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と，そして，多少の紆余曲折はあるにしても，順調に ILC

中電灯の光よりも平行性がよい光線（ビーム）だからであ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

らえたら嬉しいです。

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

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。

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

図1

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

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

17

5
502

図2

Acceelerator Test Fa
acility (ATF)のレイアウト図

タ
タンスを小さくする。その後後，収差を小さく抑えた ATF2
A
ビ
ビームラインででビームを小ささく絞っているる。ILC でも ATFとと同じように，最初にダンピングリングでビームのエミッ
タ
タンスを小さ後に収差の小さい
くして，加速したのち，最後
最最終収束光学系
系でビームを衝
衝突点で小さく絞るように設計

図 3

Global Chrromaticity Corrrection と Loccal Chromaticitty

Corrrection のビーム
ム光学系の例。G
Global Correctiion では水平，垂垂直方方向の色収差補正
正セクションと最最終収束レンズ系が別々。
一方，
，

Loca
al Correction は，最終収束レン
はンズ系の中で水平
平，垂直両方の色色収差差補正をおこなう
うので，ビームラ
ラインをコンパクトにできる。

さされている。

2 ATF2 ビームライ
ビ
ン
2
2.1

ILC の最終収束光の光学系

1990 年代かから 2000 年代にかけて，世界中には数多くのリ
リニアコライ
ダー計画がああった。日本ででは Japan Liinear
C
Collider(JLC)という常伝導導技術を使ったリニアコライダーをを進めており，SLAC（アメリカ）でも Neext Linear Colllider((NLC)というリ
リニアコライダダー計画を進めめていた。JLC
C と
N
NLC
は技術開
開発要素が近かかったため，加速空洞をはじめさままざまな技術交交流があった。
。当時，SLAC
C には Final Focus
F
T Beam (FF
Test
FTB)というリニアコライダ
ダーの最終収束束光学系
系を試験する施施設があった。FFTB では Gllobal Chromatticity
C
Correction
といいう収差補正方方法の最終収束光学系でビーム収収束試験をおこない，電子ビームを 70 nm
m 程度まで絞り込
む
むことに成功しした[3]。JLC と NLC は，最終収束光学系のパ
パラメータが近近かったことももあり，FFTBB には多くの日本のの加速器研究者者も参加し，そその成果に貢献
献した。
FFTB での実験が終了した後，リニアコライダーの最終
収
収束光学系の研研究は，おもに計算機シミュレーションによりり進められた。
。そして，現在在の ILC のデザインでは，当時ととは違う
Locaal Chromaticitty Correction の原理に基づづいた
最最終収束光学系を使用する
ることになってている[4]。現在
在の
L
Local
Chromatticity Correction の収差補正
正方法を用いた最終収 束 光 学 系 は ， か つ て ， FFTB で 試 験 さ れ た Gllobal
C
Chromaticity
Correction の原理に基づいた最終収束光学系にに比べ，全長がが約 1/3 と短く(図 3)，エネルギーアクセプタン
ンスが広くとれれ，かつ，ビーームハローが大大きく広がらないとという特徴があある（図 4）。ビームラインの長さが短くなる
こことは，そのままま建設コストの削減に繋がる。また，エネルルギーアクセプ
プタンスが広く，ビームハロ
ローが広がらなないmaticity Correcction と Local Chromaticity
C
図 4 Global Chrom

比較。(a)エネルギー許容値。(bb)焦点でのビームム
Corrrection の性能比
ハロローの分布。

いう性質は，測測定器設計に自自由度を持たせ
せ，マシンプロロ
とい
テ ク シ ョ ン の 観 点 か ら も 利 点 は 多 い 。 し か し ， Local
Chrromaticity Corrrection 方式のの最終収束光学
学系は，このよ
よ
うにに多くの利点ががあるが，ビームム調整が Globaal Chromaticitty
Correction 方式にに比べて複雑でであることや，何よりも実験験に原理証明がな
なされていないいという問題も
もあった。
的に

2.2

ATF2 プロジェクト
プ

20
004 年 の Intternational T
Technology ReecommendatioonPannel ( ITRP)で，それまで世界界中にいくつもあったリニア
アコラ
ライダー計画をを，超伝導加速速技術を用いた
た ILC という世
世
界にに１つの計画にに統一するといいう意思決定ががなされた。そそしてて，2004 年 11 月に，KEK で ILC 計画がススタートして最最初のの国際ワークシショップとなるる LCWS2004 が開催されたた。
このの場において，ATF のビーム
ムエネルギーはは ILC よりも 2桁以以上低いが，ATTF が作り出す
す超低エミッタ
タンスビームをを使え
えば，ATF で ILC
Iの最終収束
束光学系の原理
理証明が可能でであるるという提案ががされた[5,6]。そして，このの ATF のビーム
ムを使使った ILC の最最終収束光学系系の試験施設ををつくる計画ををATF
F2 プロジェククトと命名した
た。

18

5003
Local Chrom
maticity Correection 方式の最終収束光学系の原原理証明をする
ることは，ILC
C のデザインに大きなインパク
トを与えると期期待されていたた。しかしなががら，ILC 計画が発発足した
20044 年の段階ではは FFTB はすでに稼働を終終了してており，最終収
収束光学系の試試験をおこなえる施設が世界中
どどこにも存在ししなかった。ここのことが ATTF2 プロジェクトをを発足させた大大きなモチベーーションであっった。
ATF2 プロジ
ジェクトは，20004 年の LCW
WS2004 で提案
案され
た
たのち，
国際協
協力によるプロジェクトとして推進してきた。
2
2005
年度中は，プロジェクトを推進するための国際組
組織を
作
作り，
ハードウ
ウェアの検討，作業と予算の分配作業を進進め，
国
国際協力によるるプロジェクトの骨格作りがなされた。その過程において，2005 年 8 月には ATF2 Prroposal Vol.1 [77] を過公
公表し，その中中で『ATF2 の目的とハーのドウェア』をまとめめた。さらに，2006 年 2 月には『ATF2 のスケジュール・
推推進体制・予算算』を説明する
る ATF2 Proposal Vol.2 [8] を発表表した。ATF2
2 プロジェクトは，アジア，ヨーロッパ，ア
メ
メリカの
3 地域
域が同程度の貢献をすることを目指して，設計
計，製造およびび建設が分担さされた。そしてて，ILC 最終終収束

F への国内，国外の研究者，学学生の来訪者数。
図 5 年度毎の ATF

2.3

ATF2 ビームライン
ビ

ATF2
A
ビームラ
ラインは ILC のの最終収束光学学系の原理証明
明を第第一の目的とししているので，
L
Local Chromatiicity Correctioon
方式
式のビーム光学学系を採用してている。また，電磁石の配置
置や名
名前も ILC の最最終収束光学系
系と同じであるる（図 6）。そして，色収差（エネルギーが違った粒子の収差差）の強さ，個々々
電磁石の強さ，設置位置誤差
差，振動に対する
る許容値も ILCの電と同同程度になるよように設計されれている（図 7）。ただし，ILC

系系の技術開発にに興味を持つ世
世界中の研究者者が参加できる枠
組
組みを整備したた。こういった
た ATF2 での経験は，ILC を実現現する際の国際際的協力分担体
体制のモデルとしても役立つもののと期待していいる。
ATF2 ビーム
ムラインの建設
設は 2007 年かから 2008 年の間おこ
こなわれた[9]。
。その間に，新新設部分の床の補強工事，放射線
線防御用コンク
クリートブロックの設置，冷却水などのイン
フ
フラの整備，
電電磁石やモニターなどのハードウェアの製作，各
各種ハードウェェアのビームラインへの設置などの作業がおここなわれた。A
ATF2 ビームラインの建設は，ホストである
K
KEKの役割は当然として，電磁石システム
電
ムやビームモニニター
ななど多岐にわたたる加速器要素
素を世界中の大大学・研究機関が分分担することでで実現した。四極電磁石は IHEP（中国）で製製作し，六極電電磁石，最終収
収束電磁石，電磁石ムーバー，

図 6 ILC と ATF2
2 のビーム光学系系。ATF2 ビーム
ムラインは ILC のザインと同じ電磁磁石の配置になっ
っている。
デザ

電
電磁石電源はSLAC が担当した。偏向電磁
磁石は SLAC の設
計
計・発注の下でで IHEP が製造したものである。また，最終収
収束電磁石の架架台システムはは LAPP（フランス）が担担当した 空洞型ビーた。
ーム位置モニターは KEK が設設計を行い，Pohhang
A
Accelerator
Laaboratory, PA
AL（韓国）が製製作を担当した。
ビ
ビーム位置モニニターの読み出出し回路は SLA
AC が設計製作
作し，
ソ
ソフトウェアはは Royal Hollow
way University of London, RH
HUL（（イギリス）がが担当しているる。
このような世
世界各国の研研究機関との協協力のもと，A
ATF2
ビビームラインはは建設され，22009 年に運転を開始した。ビーム
ム運転に関してても，ビームラインの建設と同様，世界各国のの研究者が参加
加している。図
図 5 には共同開発研究のためにAATFを訪れた国内外の来訪者の数をしめした。国内よりも海
海外からの来訪訪者が多いことがわかると思思う。

2 の電磁石の許容容値の比較。(a))磁場の強さの許許図 7 ILC と ATF2

値。(b)電磁石の設
設置位置誤差の許容値。(c)電磁磁石の回転設置誤誤
容値
差のの許容値。(d)電磁磁石の振動誤差
差に関する許容値
値。

19

5
504

表1

が起こると記すす）。一方，電子子ビームのビーームサイズが干干ンがATF2 の仮想
想焦点のパラメータ。

渉縞
縞よりも大きいいときには，干干渉縞の位置をを変えても発生
生㻌ILC-5000GeV

AT
TF2

FF
FTB

ChromaticityyCorrection

LocaalCorrecction

LoccalCorreection

GloobalCorreection

Beam Energgy

250 GeV
G

1.3G
GeV

46.66 GeV

/*

3.5 m

1.0 m

0.44 mβ [ * [mm] × β \ * [mmm]IP
P-BSM によりり測定できるビ
ビームサイズのの測定範囲は，

11 × 0.48

40 × 0.1

10 × 0.1

ε [ [nm] × ε \ [ppm]

干渉渉縞ピッチの約
約 10 % から 35 % の範囲と，干渉縞のピッチ
干チ

0.02 × 0.07
0

2.0 × 120.333 × 20

σ \ * [nm]で決決まる。干渉縞
縞のピッチは 2 つのレーザー
ー光の交差角に
に

5.9
9

377

4
45

依存
存するが，最小小でレーザー波
波長の半分までで小さくするここする
る Ȗ 線数にモジ
ジュレーション
ンは起こらないい。このように，干渉
渉縞の位置を変変えたときの Ȗ 線数のモジュュレーションのの大ききさから，ビーームサイズを評評価することがが出来る。

とがが出来る。ATF
F2 では，小ささなビームサイイズで IP-BSM
Mののビームエネル
ルギーが 250 GeV
G に対して，ATF2 ビームライのビ
ビームサイズ測測定感度が高くくなるように，レーザーの波
波

ン
ンでは
ムサイズは，ILLC 焦
1.3GeV と低いので，絞れるビーム

長をを FFTB で使わわれていた 10664 nm から 5322 nm に変更してて

点 5.9 nm に対点の対して ATF2 仮想焦点ではは 37 nm となってい使っっている[11]。このことにより，ATF2 の IP-BSM ではは，る 表 1 に ILCる。
C と ATF2、FF
FTB のパラメータを比較した。

レーーザー光の交差
差角を最大にししたとき( 174 度)，
度 25-90 nm の

また，ATF22 ビームラインには仮想焦点でビームを小さ範囲
囲のビームサイイズの測定が出出来る。また， 2-8 度， 30 度

く絞るだけでななく，仮想焦点点で正確にビームの位置を制御とさ
さらに 2 つの小小交差角モードを用意することで 25 nm かすするという
2 つ目の目的もつ
れ独立ある。ILC では，それぞれら 6 ȝm までの広い
い測定範囲を実実現している（図 9）。

にに加速された電電子ビームと陽陽電子ビームを衝突点で正確に衝衝突させなけれ
ればならない。
。そのためには，ビームサイズ
よよりもよい精度度で，衝突点ででビームの位置を制御しなければばならない。IILC では衝突点点でビームの位
位置を 2 nm 以下に以制制御できることを前提に設計
計されている。このような精密ななビーム位置制制御に関しても原理証明がなされていないのでで，ATF2ではは，仮想焦点におけるビーム収束とともに，
ビ
ビーム位置制御
御に関する研究究も進めているる。

3 ATF2 仮想衝突点
仮
でのビーム
ム収束
3
3.1

ビーム
ムサイズモニニター(IP-BSSM)

ATF2 では電電子ビームを仮
仮想焦点で 37 nm
n まで絞ろうと考ええている。しかかし，ビームを小さく絞っても，それを測定

図8

ATF2 仮想衝突点に置か仮かれている IP-B
BSM の写真でできるビームササイズモニターーがないと，実際にビームを小ささく絞れたこととを証明するこ
ことができないい。そのため，ATF2
A
ででビームを小ささく絞るためには，ビームサイズモニター自体
体も非常に重要要になってくるる。ATF2 仮想衝
衝突点には，FF
FTB
でで使われていたたビームサイズズモニターIP--BSM（通称，新竹
モ
モニター）
[10]を
を譲り受け使用用している。ATF2
A
での IP-B
BSMのの開発および改
改良は，東大とと KEK と共同で担当している。
A
ATF2
で使用し
している IP-BS
SM の写真を図
図 8 に示した。
IP-BSM は，レーザー干渉
渉縞を利用したビームサイズモ
ニ
ニターである。
。１台のレーザ
ザーから出射さされた光を 2 つに分
分け，仮想衝突
突点で交差させせることで，仮仮想衝突点にレーザ
ザー光の干渉縞
縞を作ることがが出来る。この干渉縞に電子子ビー
ム
ムが通過するとき，電子ビーームとレーザーとのコンプトン

Ȗ 線が生成され散散乱により線る。電子ビームのビームサイズ
がが干渉縞に比べべて小さいときには，干渉縞縞の位置に応じて

Ȗ 線の発生量が変
生生成される
線変化する（以下
下，モジュレーショ

図 9 FFTB と ATF
F2 で使われていいる IP-BSM によよる仮想衝突点ででビームサイズの測
測定範囲。
のビ

505

20

3.2

ATF2 でのビーム調整技術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

ATF2 ビームラインのすべての四極電磁石および六極電

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

磁石は，電磁石ムーバーの上に設置されている。そして，

与は 10-20 nm 程度と考えられていた。しかし，測定された

ATF2 ビームラインには，軌道補正用のステアリング電磁スキュー六極磁場によるビームサイズの寄与は，予想より石はいっさい設置せず，ATF2 での軌道調整は電磁石ムーも遥かに大きかった（図 10）。このことは，ATF2 ビームラ

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

仕様は ILC の最終収束光学系と同じ仕様であり，ATF2 での存在を示唆していた。

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。

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また，仮想衝突点でのビームサイズ測定に関しても，ATF2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，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，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。

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

そこで，シミュレーションを中心とした検討をすすめ，4

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

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

ムの傾きを調整するなど，加速器用語では『線形光学系の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。見ているモニター補正出来る許容値が大幅に広がることがわかった（図 11）。

が，IP-BSM か，ルミノシティモニターかの違いはあるが，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

ATF2 仮想衝突点でのビームサイズの調整方法も ILC 焦点

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での調整方法と同じ手法を採っている[12]。

可能だとの考えにいたった。2012 年夏の運転停止期間に

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。

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 Ȗ 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

図 102012 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。

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

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。

21

5
506

図 13

SD4FF といいう電磁石のコイ
イルを分解して，，LCR メータををいおこなったコイ
イル毎のアドミッタンス。5 番目のポールだけけ，使い
ほか
かのポールより有有意にアドミッタ
タンスが高かった。

図 122012 年 12 月の IP-BSM
M でのモジュレーションの大き
きさの

履
履歴と
IP-BSM の 174 度モードでモジュレーシ
ションを測定したた例。

2012 年 12 月の運転では，4 台のスキュー六極電磁石を使ってて仮想焦点でののビームサイズズの補正をおこなった。このとき
きはじめて
IP-BSM の最大交交差角の 174 度モード(測定度
範囲
990 nm 以下)での仮想衝突点でのビームサイズの測定に成功しした。
図 12 には 2012 年 12 月の最後の 2 週間の IP-BSM
Mで測測定したモジュュレーションのの大きさ（モジュレーションが

図 14
4 2013 年 3 月にに ATF2 仮想衝突
突点で測定されれたビームサイズ
ズ。

大大きいほどビーームサイズは小小さい）の履
履歴と， 174 度モー

図ででは IP-BSM が完全であると仮仮定したときのビ
ビームサイズを示
示

ドで測定されたたモジュレーションの例を示示す。ビームサイ

したた。実際のビームムサイズは，このの値以下になる。

ズ
ズ調整ではビーームサイズを小小さくしていく過程で，干渉縞ののピッチが大きいモードから小さなモードの測定に徐々に移移行していく。
。図からはそのの様子がみてとれると思う。
。

4 仮想衝突点
点でのビーーム位置調整整4.1

ILC のビビーム軌道フィードバック

2012 年の運転終了後，実験結果とシミュレーションを比IL
LC では 554 ns の時間間隔でで並んだ 1312 個のバンチと呼個
呼較
較して，ビーム
ムライン上のどこに強いスキュー六極磁場がばれれる電子ビーム
ムを 1 つの RF
F パルスで加速速する。ILC のあ
あるかを検討しした。その結果
果，ある 1 台の六極電磁石に強バンンチ構造は先頭
頭のバンチから
ら次のバンチがが通過するまででいいスキュー六極
極磁場があると考えると，実験結果とシミュに 554
的なゆとりがああるので，このの時間内に先頭頭
5 ns の時間的レ
レーションがよ
よい一致を示した。ここでも本来ならば
ば，電のバ
バンチの位置情
情報から次のバ
バンチにフィー
ードバックをかか

磁
磁石の磁場を再再確認すべきだだが，その電磁
磁石に合ったすぐけるることができるる。このようにに長いバンチ間
間隔で加速出来来使
使える磁場測定定装置がなかった。そこで，電磁石のコイル

るこ
ことが超伝導技
技術を使った IILC の特徴の 1 つである。ここのの短絡の有無にに問題を絞り，六極電磁石ののコイルを分解解し，のよような特徴からら，ILC は Compact Linear Co
ollider (CLIC，

ポ
ポール１つ１つつに巻かれていいるコイルのアドミッタンスのバン
ンチ間隔 0.5 ns )[13]などの常伝伝導技術を使ったリニアコラ
ラ

測測定をした。コ
コイルの抵抗は小さいので，抵抗値の違いだ

イダ
ダー計画に比べ
べて，衝突点ででの位置を正確
確に制御しやすすけ
けで短絡を調べ
べるのは難しいい。そこで，コイルの短絡
絡があい加加速器となってている。

れ
れば抵抗値だけ
けでなくインダクタンスも変わるだろうと考

一般に，電子ビ
一
ビームと陽電子子ビームが衝突
突点で交差するる

ええて，LCRメ
メータを使ってて各コイルを調調べることにしした。

ときき，2 つのビーームの位置が違違うと，一方ののビームが他方
方そ
その結果，１台
台の六極電磁石石のポールの１つに巻かれれていのビビームが作る電電磁場で散乱さされる。その結結果，衝突点ををた
たコイルの短絡
絡がわかり，これが今までビームを小さく絞過ぎぎた後のビーム
ムの角度が変わわる（図 15）。
。ILC では衝突突れれなかった原因因であると判明
明した（図 13）。

点ででビームを 5.9 nm と非常に小小さく絞るため
め，衝突点で電電予備の六極電電磁石がなかったため，短絡
絡がわかった六極子やや陽電子ビーム
ムの密度が非常
常に高くなり，ビームの散乱
乱電電磁石を，磁場場が弱いところで使われている六極電磁石と角もも大きくなる。ILC
I では 2 つののビームのオフセットが数 nmm

交交換した。そのの後は，スキュー六極電磁石石を使った補正を

ある
ると，衝突点かから数 m 離れたたモニターでは
はビームの位置置

おおこなわずに，点で 100 nm 以下までビームを絞
常に仮想焦点がミ
ミクロンオーダ
ダーで変わる。ILC では衝突
突点でのビームム

る
ることができる
るようになり，2013 年 4 月時点では
月
65 nnm 以の相相対位置を，ビビーム同士の散散乱の大きさををモニターし，下
下までビームをを絞ることが可可能になった（図 14）。

フィィードバックでで揃えることをを考えている（図 16）。

22

5007
い。そのためにには 2 つのキッッカーを使った
たフィードバッッ
ない
クがが必要で，１つのキッカーでフィードバックをかける ILCのフ
フィードバック
クより複雑なもものが要求されれる。
ここではこ
ATF22 ビームラインンでの試験結果
果を簡単に報告告するる[14]。フィードバックの試験
験には前述のよように 150 ns 間

図 15

衝突点で
でビーム同士が散散乱する様子を表表した模式図。ILC

でではビームのオ
フセットがあるると，ビームの角度が大きく変わわる。

隔にに 3 つのバンチ
チが並ぶ構造ののビームを使っった。そして，
１バ
バンチ目のビーームの情報からら 2 番目，3 番目のビームの番の位置
置にフィードバ
バックをかけた
た。フィードバ
バックの試験結結を表表 2 にまとめた。フィードバッ
ックをかけない
いと約 2ȝm あっった 2 番目，3 番目のバンチの位置ジッターが，フィードバッ
クををかけることでで，それぞれ 0.44ȝm ，0.8ȝm まで減少した。
ま。
このの結果を仮想焦
焦点のジッターーに換算するとと，フィードバッ
クななしでは仮想焦
焦点で約 15 nm あったジッターが，フィード
バッ
ックをかけるこ
ことで，それぞぞれ 2.6 nm ， 5.2
た
5 nm に減った

図 16

4
4.2

ILC
C の衝突点での位
位置フィードバックの概念図。

こととに相当する。このように IILC よりも複雑雑な条件で，目目標にに近い精度でビビーム軌道を制制御できることとがわかった。

ATF でのビーム軌
で軌道フィードドバック

ATF2 ビームラインでは，仮想焦点でビームを小さく絞る
るだけでなく，正確にビームの位置を制御する
仮想焦点で正たための研究もおおこなっている。しかし，A
ATF2 ビームライ
ン
ンでは
ILC と違違い，ビームは電子ビーム 1 つしかない。そののため，ILC乱を利とまったく同じ衝突点でのビームの散乱用用した位置フィィードバックははできない。A
ATF2 でのフィードバックは，同同一パルス内のの ATF2 仮想焦点のビーム位置

図 17

ATF ビームライン中流でのの位置フィードバ
バックの概念図図。

をを基準位置に揃揃えるものである。この研究は Oxford Univ
versity（イギリリス）を中心にに進めている。
。

表 2 ATF ビームライン中流でのの位置フィードバ
バックの効果。

ATF2 仮想衝
衝突点でのビーーム位置の安定定化目標は 2 nm 以(

衝突点の位置ジッッターへの換算値
値を示した。
)内は仮想衝下 ILC と同じ値においている。ILC では衝突点でのビー
下と㻌ム
ム散乱を利用でできるためミクロンオーダーの位置分解能のFB OFFF

FB ON

Bunch #1

2.1ȝm (14.55nm)

2.1ȝ
ȝm (14.5 nm)位
位置モニターががあればよい。
。一方，ATF2 ビームラインで

Bunch #2

2.2ȝm (14.77 nm)

0.4ȝ
ȝm (2.6 nm)

ははビーム散乱をを利用できない
いため，ビームの位置もフィー

Bunch #3

2.2ȝm (14.77 nm)

0.8ȝ
ȝm (5.2 nm)

ドバックの目標標値である 2 nm
定しなければならな
n 以下で測定いい。それだけのの位置分解能ががある位置モニターは現在世界

4.3

ビーム位
位置モニターーの開発にに存在していな
ない。ATF2 では，でフィードバック以前のビー

ATF2
A
の仮想焦
焦点での位置フ
フィードバッククの研究には，

ム
ムの位置測定ののハードルが非非常に高い。ままた，ATF でつくで位置
置分解能 2 nm 以下のビーム位
以
位置モニターがが要求されていいる
ることができるるビームの構造
造は，バンチ間隔 150 ns のバンる。ATF では，ここの高い位置分
分解能を実現すするための空洞
洞

チ
チを最大
3 個ま
までしか作るこ
ことが出来ないい。そのため，A
ATF2ビーム位置モニニターの開発研研究もすすめてている[15]。現在
在型ビのの位置フィー
ドバックは ILC で要求される応答時間よりもは ATF2A
ビームラ
ライン中流におおいて，仮想衝
衝突点に入れるる速
速い応答時間がが要求される。
。こう考えると，ATF2 仮想焦ためめのビーム位置
置モニターのププロトタイプのの試験を進めてて

点
点でのフィー
ドバックは ILC のフィードバックよりも難し

おりり，ATF2 の要要求に近い 3.6 nm の位置分解解能が達成されれいいものになってていることが分分かってもらえ
えると思う。

た[116]。達成されれた位置分解能
能は世界最高のの分解能であるる。

ATF2 ビームムラインでは，いくつかの段階を踏みなが
がら，

実際に
実
ATF2 仮想焦点に入入れる空洞型ビ
ビーム位置モニニ

フ
フィードバック
ク技術を磨いてている。その最最初の段階として，

ター
ーは Kyungpoook National Un
niversity（韓国国）が現在製作
作

A
ATF2
ビームラ
ラインの中流ででフィードバックのアルゴリズ

してており，IP-BSM
M と両立可能にに設計された真真空チェンバーーム
ムの実証試験ををおこなった。
。セットアップ
プを図 17 に示示す。

を LAL（フランスLス）が製作してている。これらは 2013 年夏夏衝
衝突点でビーム
ムの位置を安定定にするには，ビームライン中の運運転停止期間にに ATF2 仮想焦焦点に設置してて，ATF2 仮想
想流
流ではビームのの位置と角度のの 2 つを安定化しなければばなら

焦点
点での直接的ななビーム位置制制御をはじめる
る予定である。

508

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23
ATF2 ビームラインは ILC とまったく同じ Local Chromaticity 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。

傾けながら原因を探る作業をしたことは，プロジェクトと参考文献

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[1] International Linear Collider, http://www.linearcollider.org

を積ませてもらえたので，有意義な時間であった。

[2] 山本明，高エネルギーニュース 31-4, 314 (2013).

そして，実際に ILC ラボが出来た場合は，さまざまな国[3] V.BalakinÅETÅAL., Phys. Rev. Lett., 74 2479 (1995).

からの出資にはなるが，母体はラボに集約されるので，お[4] P.Raimondi and A.Seryi, Phys. Rev. Lett. 86, 3779 (2001).

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[5] http://lcdev.kek.jp/ILCWS/WG4.phpとは補足しておきたい。上で書いたことは，ATF2 プロジュ

[6] 佐貫智行，高エネルギーニュース 24-4 (2006).

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

般にあてはまる話ではない。また，私自身 ATF2 プロジェ

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

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[9] 照沼信浩，奥木敏行，高エネルギーニュース 27-4, 230(2009).

理解している。なので，ここで書いたことは単なる私の雑[10] T. Shintake, Nucl. Instru. Meth., A311, 455 (1992).

感にすぎないとことだと受け止めてほしい。

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

6 まとめ[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).

ATF2 ビームラインは，ILC の最終収束光学系の試験施[14] D.R. Bett ETÅAL, IPAC2012 Proceedings 2864 (2012).

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[15] Y. Inoue ETÅAL, Phys. Rev. ST-AB, 11, 062801 (2008).

れた。また，ATF2 におけるビーム試験に関しても，国際[16] Y.I.Kim, Doctor Thesis, Kyungpook National Univ. (2012).

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。