3月26日 日本物理学会

BelleⅡ検出器の衝突点ビームパイプ内面で散乱されたシンクロトロン光の振る舞いの検討

奈良女子大学理,KEK素核研A,KEK加速器B,KEK共通基盤C,KEK物構研D
村上潤，田中秀治A ,中山浩幸A ,坪山透A ,後田裕A ,原康二A
金澤健一B,高力孝A ,佐藤伸彦C,小池重明C,兵藤 一行D
平山明子，宮林謙吉，脇田紗弥佳

1目次

Tip scattering(unknown) はじめに シンクロトロン放射とその対策
 Ridge構造について

 実験のセットアップ
 全反射の条件時の実験
 Tip-scatteringの条件時の実験
 まとめ(Be/Ti)2

Ridge
Structure design

はじめに
２０１４年度からSuperKEKBの運転が始まる。
SuperKEKBの衝突点では、 衝突点近くの収束磁石で発生した放射光がピクセル検出器に当たらないようにしたい。
そのために（１）タンタルビームパイプ内部のridge構造（２）金メッキを採用する。
ridge先端での散乱や、この場所の全反射などが問題になるかもしれない。
この反射は材料の表面状態によるので、シミュレーションだ
けでは予測が難しい。
→シミュレーションで使うための実測データが重要となる⇒２０１１年冬に、KEKのPhoton Factoryで行った。
3

シンクロトロン放射(5-20 keV)を止めるための対策①ビームパイプの材質には重い物質であるタンタルを採用し、放射光を吸収させるため金メッキ100 μmを内壁に施す②上流からのシンクロトロンを止めるため入口の径を絞る③内側にギザギザのridge構造を作ることで、ビームパイプ内壁にあたったシンクロトロン光が反射散乱されてビーム直線部に当たる可能性を減らす(Be/Ti)4

アルミによるRidge構造のモックアップ
左側から赤色レーザー光をRidge部分に当てている

Ridge構造について散乱面が滑らかな時は、入射角度が0.5°以下のX線(10keV程度)は全反射することがある→ 前方散乱の可能性

Ridge構造なし⇒①試験片の平面部に10 keVのＸ線を小角度で照射し、全反射の有無を測定する

Ridge構造で放射光をとめる

しかし例外：tip部にあたった様子放射光(5-20keV)がridgeに当たると、前方散乱は構造的にほぼ防げる
放射光がridgeのtip部に当たった時だけtip部（先端部）
は、予測が難しい⇒②試験片のtip部に5-20 keVのＸ線(tip-scattering) を照射し、散乱の様子を測定する。
Θ5

セットアップ
セットアップ平面図

タンタル試験片にＸ線ビームを当て、散乱の角度分布を検出器(APD)で測定する。

Y軸ステージ

座標軸の定義1. タンタル試験片の水平移動方向；Ｙ
2. Ｘ線の散乱角；θ

回転ステージ

X-ray(10keV)

Yq=0oθ
APD

検出器の大きさ5×5 mm2＋

ビーム幅；
水平方向；0.08 cm
鉛直方向；0.2 cm

タンタル試験片
厚さ3 mm、30 mm 四方
高さ1mm のRidge 構造
放射光を当てる面に厚み100 μm の金メッキ
6

①平面部へＸ線の入射１、タンタル試験片平面部にX線を照射する
 平面部にあてることで、tipのない形での散乱の様子を知る。
 平面部での入射により、全反射が起こる可能性があるのでその有無を確かめる
0.4 度

タンタル試験片へX線を入射角度0.4度で照θ=0射した場合、（ビーム位置） 全反射が起きるとすると、反射光の方向がθ=0.8度となる。
Θ=0.33
また、入射角0.4度の時の金の反射率は入射粒子の半分であるといわれている。
Θ=1.277

今回センサーサイズは5mm角であるので0.33 度付近から1.27 度付近まで幅のもったピークを持ち、入射粒子の半分の粒子が検出されると予想される。

①平面部へＸ線の入射Photon Factoryでの測定

結果（θ=0.6度での入射フォトンと反射フォトンの関係）
Y軸
APD Θ=0Θ=0(ビーム位置)の時のカウントレートX線

Θ=0.2
Θ=1.0

500000

入射フォトン；3.8×105Hz
反射フォトン；最大23Hz

300000200000100000014.6

14.8

1515.215.4

15.6

Y位置(mm)Θ=0.6度でのカウントレート
2520ＨｚＨｚ

40000014.4151050

14.4

14.6

14.8

15
Ｙ位置(mm)8（ビーム位置)

15.2

15.4

15.6

統計誤差のばらつきより反射フォトンカウント数のばらつきが大きく、最大で+/-100%程度ばらついている。
⇒最大反射カウント数/入射カウント数を反射率とする。

反射率 ；6.0×10-5→反射フォトン数は、入射フォトンの半分より十分小さい
また、反射率は、大きく見積もって5ケタ落ちと有意に小さい。
⇒全反射はない2,tip部へＸ線を照射する
r(θ)Δθ
検出器dθ
Ｎ０
Tipの有効高さ＝hn0=入射粒子密度[Hz/cm2]
Ｗ：tipの奥行[cm]h;tipの有効高さ[cm]N0：tip部への入射粒子[Hz]r(θ)：反射確率の角度関数

Tipに当たる数 ; Ｎ０=n0×W×h………….①
角度θからθ＋Δθの範囲に反射するphoton数[Hz]反射photon＝Ｎ0 r (q )q ...........②①、②より “反応断面長”をr(θ)hと定義したとき
9

反射photon / qr (q )h 
[cm / degree]n0W

②tip部へX線の照射
Y軸

結果

APD
X線

Θ=0度でのカウントレート
500000400000Θ=0(ビーム正面)
Θ=0.62

タンタルにX線が当たり始める

Hz

300000200000100000

0

15.2

15.4

15.6

15.8

1616.2

Y位置(mm)

測定結果から反応断面長を計算すると前方0.2-1.1度の範囲での平均値
4.0×10-5 cm/degree

Θ=0.62度（ビーム位置と外れた点）でのカウントレート
120100Ｈz80604020015.215.415.615.8Y位置(mm)1016

統計誤差のばらつきより反射フォトンカ
ウント数のばらつきが大きく、最大で+/-100%程度ばらついている⇒反射photon=最大反射カウント数16.2

まとめ、今後の課題
PF で実験を行い、平面部にＸ線を照射することで、全反射の有無を確かめた。また、平行X線がtip部に当たることによるtipscattering の前方散乱の寄与を測定した。
 全反射の条件での測定
平面部にＸ線の照射した時、反射率は4.0×10-6であり、全反射の傾向は見られなかった。全反射が起きる最適な金メッキ厚は50nmである。今回の金メッキ厚は100 μmであり、最適な厚さより十分大きかったため全反射が起こらなかったと考えられる。
 Tip-scatteringの条件時の実験

tip 部前方0.2-1.1 度の範囲では、最大反応断面長 4.0×10-5 [cm/degree]

今後の課題
SR生成およびビームパイプのGEANT4を用いたシミュレーションの評価はすでに行われている。そこで今回実験で評価した反射の影
響をモデルに入れ、改めて検出器への影響を確認する。
11

Back up12

ピクセル型検出器(PXD)
Depleted p-channel FET
ピクセル検出器
外部ゲート
ソース(p+)

クリアーゲート

クリアー(n+)ドレイン(p+)

E (電場）
heeh eh ehn型内部ゲート（埋め込み層）

空乏層
n型シリコンバルク
バックコンタクト(p+)
ソース

外部ゲート

13

内部ゲート

ドレイン

クリアーゲート

クリアー

模式回路図

•

Bファクトリーのエネルギーに耐えることのできるピクセル型検出器にDEPFETを使用する。

•

ピクセル検出器は電化製品でもよく使われるFET(電界効果型トランジスタ）を応用した検出器
このFETはゲート電圧のみで電流を制御できる素子である。荷電粒子との反応によって空乏層で作られた電子は内部ゲートに集められる。
そして外部ゲート電圧をかけることで内部ゲートに集めらた電子数に比例する電流を読み出すことができる
ピクセル検出器ではこのようなピクセルが約800万個ある。

衝突点付近の設計
衝突点付近の設計は大きく変わる。
①ビームパイプ内径小さくなる(内半径15mm→10mm)②ビーム交差角が大きくなる(22 mrad → 83 mrad)③衝突点近くで2股に分かれる④PXDを新たに配置(交差角を大きくしビームパイプの内径を小さくしたので配置することを可能になった。)

14

金で吸収された2次電子の影響
1.4cm

P[GeV]=0.3B[T]R[m] （R：回転半径）
 PXDの位置は衝突点から14mm=0.014m
 Belleの磁場 B=1.5[T]からＰＸＤにヒットできる荷電粒子は0.3×1.5×0.014=6.3MeV以上のビームに対して垂直方向の運動量Ptがある粒子である。
パイプの内部の金メッキで生成された2次電子の場合0.3×1.5×0.004（PXDの位置-金メッキの位置）=1.8MeVであるため今回問題としている20keV以下のx線が金で吸収されたときに生成される2次電子によるＰＸＤへのヒットは無視できる。
15

SR simulation よりPXDで問題となるエネルギー•

5 keV以上のSRの影響が無視できない状況•

PXDは１フレーム読み出すのに20 usかかる– 約5000バンチ交差分の情報が重なって測定される•

1 keV, 5 keV 10 keV, 20 keVのphotonをIPに内部より当ててIPの外に出てくる粒子数の比率とエネルギー分布をGeant4で調べてみた。
16

Setup と結果

Beに金メッキを行った時の反応
Au plate(optional)

0.4 mm Be
1.0 mm PF200
0.6 mm Be
10 um Au

41.5 mrad

各：10万イベント

Default

5 um 金メッキ

90°入射(reference)

1 keV

100(96.2)(96.3)

99.7

5 keV

100(96.8)(97.8)

99.6

10 keV

100(96.4 )(96.4)

96.3

20 keV

100(98.0)(97.8)

80.2

IP物質でのBGの阻止率99%以上エネルギー吸収した比率
17 反応した放射線の角度分布をみていないので100％というのはまだあやしいYスキャン＋

アライメントメントの調整方法①

角度スキャン＋

θ

Ｘ－ray

ＡＰＤ

－

 角度（θ）スキャン－

タンタルなしでＡＰＤが一番なるところをみる＋α 角

Yを一番奥に持ってきたときのタンタルなしとアリの比較

左図からＸ-rayに何も当たってない時のθの基準点はθ＝－2.32度

5000000
4500000
4000000

ここで、タンタルのＹスキャンを一番奥にをみると、当たらないので3000000

カウント数

置いたときに、x-rayがタンタルに当たらないか

3500000
カウント数（タンタルなし）

2500000
2000000

カウント数（タンタルあり）

1500000

このまま試験をつづける

1000000
500000
0-6-4-2角度

180

Yスキャン＋アライメントメントの調整方法②

角度スキャン＋ＡＰＤ
Ｘ－ray

 αスキャン

－ビームがステージに平行にあたっているα角をさがす－＋α 角

上がり始めからプラトーになるまでの位置の中点をα角でくらべる

Ｙスキャン
6000000

α＝5.0Yの位置

α＝4.0

5000000

32.5
32
31.5
3130.5
30
29.5
29
28.5
28
27.5

α＝3.0
α＝2.0
α＝1.0

3000000

α＝0.02000000

α＝-1.0

Ｙの位置

カウント数

4000000

α＝-2.01000000

α＝-2.5025272931

Ｙの位置

33

3537

α＝-3.0α＝-4.0-10-5Yの位置

05

10

アルファ角

α＝－2.5度に決定
19Yスキャン＋アライメントメントの調整方法③
 タンタルが当たり始めたところを探すため

＋ＡＰＤ
Ｘ－ray
－のＹスキャン

－＋α 角

タンタルありでのＹスキャン
6000000

10秒あたりのカウント数

5000000
4000000
3000000

カウント数
2000000
1000000
02930313233343536

位置(mm)

あたり始めでギザっとなっている部分の効果は見れない
20

角度スキャン本当はどれぐらいの範囲測定
角度変化が0-1.16度の場合は、テーパの角度以下だから次のリッジに当たって止 まる。
 角度変化が1.16-1.64度の場合は、直線部に当たらずに抜ける。
 角度変化が1.64-1.96度の場合は、直線部(Ti)に当たる。
 角度変化が1.96度以上の場合は、直線部(Be)に当たる。
21

Photon factory
KEKのPFにおける実験ではBL14-Cのビームラインを使用した。PhotonFactoryでは、大型の加速器で発生させた電子を、磁場で曲げることにより発生する放射光(X線)を使用する。この実験ステーションでは，縦型ウィグラーから発生する白色Ｘ線または，モノクロメータからの単色Ｘ線を利用できる。今回は結晶(Si)に当てることにより白色から単色を取り出している。Ｘ
線のエネルギーはミラーの角度で変化させる仕様
 光学系 ; ２結晶分光器
 エネルギー領域 ; Si(111):7-40 keVSi(220):12-66keV
 分解能 ; 60 eV/33 keV(Si(111))
 ビームサイズ白色Ｘ線 ; 縦 38 mm×横 8 mm

単色X線:縦 38 mm×横 8 mm
 ビーム強度 ; 約$10^8$ photons/mm/s (33 keV) ビーム方向 ; 上方向に約4.4mradの勾配を持つ。
Ｘ線発生装置と違い、発散の少ない光源であるため、回折計を用いることで平行ビーム光学系を採用しており、Ｘ線の位置に対して試料や検出器等の光学系の配置の自由度が大きい。したがって波長の単色性が優れていることに加え、ガウス分布関数に近い、対称性のよい、半値幅の小さなＸ線のプロファイルを得ることができる。また、任意の波長のＸ線を使用することができる。
22

X線発生装置
角度分布10000000

1000000

100000

カウント数

タンタルなし10000

Y=16776(33.552)
Y=16676(33.352)
Y=16576(33.152)

1000

Y=16476(32.952
Y=16376(32.75)

100

Y=16276(32.552)

101808284868890
角度2392949698

実際にビームパイプに当たった場合

1.16-1.64度の場合は、直線部に当たらずに抜ける。
1.64-1.96度の場合は、直線部(Ti)に当たる。
1.96度以上の場合は、直線部(Be)に当たる。
24

なぜまっすぐでないか

ビーム平行ならまっすぐ

25

APD

ＡＰＤが少し傾いてたら、それが、グラフに見えるはずPhoton Factory セットアップ様子

ハッチ中の様子

X線射出口

26

タンタル試験片APD(X線検出器)

ハッチ外の様子Photon Factoryでの実験

今回の実験では、10 keVのＸ線を用い、平行ビームを出すKEKにあるPhoton Factoryを用いる。

①タンタルtip部にＸ線を照射する
ビームパイプの”ridge 構造”のtip部を模したタンタル試
験片のtip部分にX線を照射した時に、どのようなふるまいをＸ線が行うか調べるθ？

②タンタル試験片平面部にX線を照射する
10 keV 程のＸ線領域では、入射角度が0.5 度以下の時、表面の粗さが少なければ全反射がある
0.4度
全反射の性質が今回のタンタル試験片にあればRidge 構造があっても、当たり所によってはバックグラウンドを増大させてしまう危険性がある
この全反射があるかをタンタル試験片の”ridge 構造”にあたらない平面にＸ線を照射し測定する
27

0.4度
0.4度

？

Y軸を動かす①タンタルtip部にＸ線を照射する

試験片の照射位置の決定

APD
X線

1Ｘ線

ＡＰＤ

2Ｘ線

ＡＰＤ

3Ｘ線
4Ｘ線
5Ｘ線

ＡＰＤ
ＡＰＤ

カウントレート

ビームサイズ2

カウントレートの立下りから立ち上がりのＹ position の大きさ
＝ビームサイズ35 4
Y position

ＡＰＤ

tip ありのタンタル片にＸ線を照射したときにAPDを固定しタンタル片を動かしたときの様子
28１

タンタル試験片にX 線が照射されるほど、カウントレートが下がる

X 線がtip 部にあたり、散乱するとしたら、ビームサイズの幅は、X 線のビーム幅より大きくなるはずである。
またここからどこのＹ（1-5の各）の位置で角度分布をとるかを決定する

特に４周辺の角度分布が重要！！

①タンタルtip部にＸ線を照射する

Y軸を動かすAPD

照射位置の決定の測定結果 X線
6357894210

立下りから立ち上がりまでのY 位置の差＝ビームサイズ→ビームサイズ＝ 0.38 mm(tip 部にあたっての反応)
実際のビームサイズは0.88 mm(蛍光板)291

①タンタルtip部にＸ線を照射する

APD 位置が＋ 0.62 度でのタンタル照射位置とカウントレート
80.62度

APD 位置がビーム位置から外れている＋ 0.62 度でのタンタル照射位置とカウントレートを考える。
8 の位置必ずタンタルにＸ線が照射しているバックグラウンドである値を引くと1 秒当たり34 カウントの反射がある。
入射photon =4.00 × 105photons
反射photon =34 photons
APDの幅(5 mm)を考慮すると、前方0.2 度から＋ 1.1 度の範囲内には、強いtip-scattering やtip に当たることによる乱反射は空気中の場合で、入射粒子の8.5× 10−4存在する。

30

Y軸を動かす②タンタル試験片平面部にX線を照射する

全反射の条件での結果

APD

X線アライメントをとり、APD をビーム位置に固定しY を動かした
6

358794103121②タンタル試験片平面部にX線を照射する

全反射についての考察
金の理論X 線反射率は10keV で入射角0.4 度の場合、反射率が0.5→全反射をすればタンタルにX 線が照射していない時のカウントレートが半減し、0.33 度から1.27 度の位置にピークを持ちテール部分が崩れたグラフになる。
測定範囲；－ 0.6 度から＋ 0.7 度。
→予想；0.7 度付近ではカウントレートは約2 × 105 Hz→測定結果；どのY位置においても10-20 Hz
0.4度では、全反射の傾向は見えない。
32

①タンタルtip部にＸ線を照射する

tip-scatteringの考察
tip時にX線を照射したときのグラフの 散乱がない場合
両端を縦軸logにし拡大したもの散乱がある場合

80.62度APD 位置がビーム位置から外れている＋ 0.62 度でのタンタル照射位置とカウントレートを考える。

散乱の様子を示す右図ではレートの変化のある角度範囲は0.46 – 0.53度の範囲に収まる→0.1度以上の反射はない

8 の位置必ずタンタルにＸ線が照射しているバックグラウンドである値を引くと
1 秒当たり34 カウントの反射がある。
入射photon =4.00 × 105photons
反射photon =34 photons
APDの幅(5 mm)を考慮すると、前方0.2 度から＋ 1.1 度の範囲内には、強いtip-scattering やtip に当たることによる乱反射は空気中の場合で、入射粒子の8.5× 10−4存在する。

シンクロトロン放射SuperKEKBでは、電流がKEKBより2倍となるのでシンクロトロン放射のエネルギーは2倍となる
 最終収束電磁石が衝突点に近いため多くのシンクロトロン放射(SR)が発生し、それが衝突部のビームパイプ直線部のベリリウム部分（physics window）に当たって貫通し内層の検出器まで達するとバックグラウンドノイズとなる

最内層にあるPXD検出器にとって問題となるシンクロトロン放射光5-20keVのエネルギー34

BENT QCS QCS
SRPXD

①タンタルtip部にＸ線を照射する

散乱角度分布測定
1ＡＰＤ
Ｘ線

2X線
センサーサイズ ー ビーム幅

4 5 6カウント
レート

34563

１ 28degree

ビーム幅

ビーム幅

787θ 軸を回転させたときのＸ線とAPD の様子。
35APD
Θ軸を動かす2-4、6-8 →この角度範囲がビーム幅
4-6→プラトー部=センサーサイズ―
ビーム幅
散乱が起こった場合の形は、グラフでの6-8 のテールが崩れた形になりX 線ビーム幅よりテール幅が大きくなることが予想できる。
大角度で強いtip-scattering があった場
合、ビーム0 点の位置から外れた位置にピークをもつグラフとなる①タンタルtip部にＸ線を照射する

tip-scatteringの結果

Y=16.04

Y=16.00

tip時にX線を照射したときのグラフの両端を縦軸logにし拡大したもの

Y=15.66

Y=15.6

Y=15.46

Y=15.4

Y=15.73

Y=15.53

15.46
θ=0.2

θ=1.1
入射photon =4.00 × 105photonsビームの広がりは0.11度以下

反射photon =62 photons
APDの幅(5 mm)を考慮すると、前方0.2 度から＋ 1.1 度の範囲内には、強いtip-scattering やtip に当たることによる乱反射は空気中の場合で、入射粒子の1.5× 10−4存在する。

APD

X線結果

Θ軸を動かす450000400000

15.55

14.83

350000300000

15.55
15.15

250000

15.15

Hx

14.96
14.9

200000

14.83
14.76

150000

14.7

14.96

50000

14.9
0-0.4

-0.2

00.2

0.4

0.60.8θ測定した θ = - 0.6 ～ 0.7
予想；In 0.33 ～ 1.27 degree, the count rate is 2 × 105 Hz .
すべての場合で、θ=0.6 のところでは、10-20Hzしか観測されなかった.
3714.714.63

100000-0.614.76→全反射はみえなかった

15.63

①tip部への入射
PhotonFactoryでの測定

Y軸結果

APD
X線

Θ=0度でのカウントレート
500000400000Θ=0(ビーム正面)
Θ=0.62

タンタルにX線が当たり始める

Hz

300000200000100000

015.2

15.4

15.6

15.8

1616.2

Y位置(mm)Θ=0.62度（ビーム位置と外れた点）でのカウントレート
120
100

Ｈz

80
60
40
20
0

15.2

15.4

15.6

15.8

Y位置(mm)38

1616.2

統計誤差のばらつきより反射フォトンカ
ウント数のばらつきが大きく、最大で+/-100%程度ばらついている。
→この誤差の原因は分からない。
⇒0+100%(=平均反射カウント数/入射カウント数)を反射率とする。
入射フォトン(Θ=0度での傾き)÷ビーム幅=Hz/cm2=2.3 ×107 Hz/cm2
反射フォトン
平均値；66カウントバックグラウンド；50カウント
APD位置Θ=0.62度でのタンタルにＸ線が照射している状態の平均カウントレート÷APDサイズ=2.6×102 Hz/cm2 以下

①tip部への入射

考察；今回の実験データによるバックグラウンドの評価
放射光がビームと平行に入ってきて、C に当たった場合Beの端縦10倍スケール

E

B
A

C

D

1.16-1.64度の場合は、直線部に当たらずに抜ける。
1.64-1.96度の場合は、直線部(Ti)に当F(100,14.2)たる。
1.96度以上の場合は、直線部(Be)に当たる。

この経路が最も低角度で反射しBeパイプに入射する可能性あり
1.96度付近での入射フォトンと反射フォトンをX線発生装置の結果から考える
39

Gamma Background
Attenuation (perpendicular)
10.01

金Ｌ

0.0001

1E-06
1E-08
1E-10
a10µm
Au

1E-12
1E-1475 µm
Si

1E-161E-18
1E-20
1E-22
1E-24
0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

E(eV)

5keV
金ＭE < 5 keV: background (almost) independent of Si thickness(but efficiently absorbed by Au)
E > 5 KeV: background proportional to Si thickness(and Au becomes more transparent)
40
Need rate and spectrum!