BelleⅡ実験の2021年運転期間における電磁カロリメーターでのビームバックグラウンド測定
奈良女子大学 人間文化総合科学研究科

数物科学専攻高エネルギー物理学研究室
修士2年

2022/4/11

今野つかさ

修士論文発表会

1

目次• BelleⅡ実験• 研究動機• BelleⅡ実験における電磁カロリメーターの原理と検出器• ビームバックグラウンドにおける放射線被ばく量測定• 暗電流値のとり方の改善• CsI（Tl）結晶が受けたビームバックグラウンドにおける放射線被ばく量• 2018年と2021年の運転の比較• まとめ

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2

BelleⅡ実験•

BelleⅡ実験とは、SuperKEKB 加速器で加速された 7 GeVの電子と4 GeVの陽電子を衝突させて、衝突で生じるB中間子、D中間子、タウレプトンの崩壊過程を詳細に調べることを目的としている。

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3

研究動機
••

軌道をそれた粒子はビームパイプに衝突して電磁シャワーを形成 →衝突型加速器の衝突の頻度を表す指標 → ルミノシティ

ビームバックグラウンド

ビームバックグラウンド

ビームガス散乱
ビームパイプ内に残ったガスとビーム粒子が散乱すること。

• ルミノシティは高くビームバックグラウンドは低くが理想• 2018年と比べ2021年の積分ルミノシティは約280倍に増加

ビームバックグラウンドは• 粒子の検出効率を悪化させる• 検出器が放射線損傷によって性能劣化につながる

ビームバックグラウンド測定が必要。

• 本研究では電磁カロリメーターに飛来するビームバックグラウンドについて調べた
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4

BelleⅡ検出器• 電磁カロリメーター（ECL）
電子とγ線のエネルギー測定• 崩壊点検出器（VXD）
B中間子の崩壊点測定• 中央飛跡検出器（CDC）
荷電粒子の飛跡・運動量測定• 粒子識別（TOP・ARICH）
K中間子とπ中間子の識別• 𝐾!"およびμ粒子検出器（KLM）
𝐾!" およびμ粒子の測定

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修士論文発表会5電磁カロリメーター（ECL）• γ線や電子のエネルギー測定を行う• CsI(Tl)結晶シンチレータと光検出器としてPIN-PDを組み合わせたカウンターを8736本用いている。
• カロリメーターまでに飛んでくるビームバッ
クグラウンドの多くは絶え間なくやってくる
低エネルギーのγ線。

• CsI（Tl）結晶：発光量が豊富• PIN-PD：低電圧で応答が速い。

•超伝導ソレノイド内側に設置

１MeVあたり5000の電子を放つ。

• 暗電流• 逆方向にバイアス電圧を印加した状態でもわずかに電流が流れる。これを暗電流という。
• 空乏層中で熱励起により発生した電子・正孔対の移動によって発生。
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カウンター

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PIN-PD電流値モニターシステム•

CsI（Tl）結晶のシンチレーション光を読み出すPIN-PD電流値を測定・記録するもので、5秒ごとに測定を行う。

•48のセグメントの結晶の本数は異なるため、結晶一本当たりの電流値（nA/crystal）に換算する必要がある。

•測定・記録された値（𝐼!"#$ ）は、CsI（Tl）
結晶からのシンチレーション光（𝐼%#&）と暗電流値（𝐼&#%' ）が含まれるため、CsI（Tl）結晶の放射線被ばく量を求めるには、増加分を求める必要がある。
ビーム

前方
エンドキャップ部

バレル部

後方
エンドキャップ部

ON期間
ビーム
OFF期間

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7モニターした電流値の推移
暗電流値の求め方
1.

SuperKEKB の加速器運転状況のモ
ニター画面から、HER、LERともにビームがOFFになっているところを探す。

2.

その間で測定された電流値の平均値を求め、それを暗電流値とした。

3.

2月24日～7月5日で同様のビームOFF期間を探し、暗電流値とした。

PIN-PDで測定された電流値を時間経過で表した。期間は2021年3月～6月

3月20日を拡大したグラフ
ビームOFFのときは電流値は低くなっている

2021年3月20日の加速器の運転状況。上段は HER(𝑒 !)、下段は LER(𝑒 ") の状
況を表し、ビーム電流が赤い実線で示されている。横軸は時間（hour）2022/4/11

修士論文発表会8

前方エンドキャップ• 電流値の変化が不規則で前ページで説明した手法では対応しきれないことがわかった。

• 今回は被ばく量算出の対象から外した。

前方エンドキャップ

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前方エンドキャップ

内側

修士論文発表会外側

9暗電流値の時間推移• 2021年2月24日～7月5日までの期間中、ビームOFF時の電流値を暗電流値とした。
• 暗電流値は時間とともに増加していることがわかった。
• バレル前方・後方、後方エンドキャップ外側において約10 nA/cry、後方エンドキャップ内側で約20 nA/cryであった。

8分割した一つをΦ（ビーム軸周りの方位角の違い）として、グラフではそれを色でわけている。
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10

CsI（Tl）結晶が受けた放射線被ばく量の算出方法• PIN-PD電流値と暗電流値の差を𝐼!"# として、これを時間で積分し、ビームバックグラウンドによるCsI（Tl）結晶でうけた放射線被ばく量を求める。

𝑑𝐷𝐷=$𝑑𝑡 = ' 4.0 × 10$% 𝐼&'( ∆𝑡𝑑𝑡

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修士論文発表会11暗電流値の取り扱い
暗電流値の取り扱い（今まで）暗電流値の取り扱い（本研究）• 運転時間に対して最新の暗電流値を設定• 暗電流値は時間経過で増加している。

する定数として扱っていた。

• 暗電流値は時間とともに増加しているためビームバックグラウンドによる放射線被ばく量を過大評価していることになる。

• 算出した暗電流値を時間的に近接したデータの間を直線で補完した。

ある暗電流値から次の暗電流値までを直線でつなぎ、その直線をある時間における暗電流値とした。

ある暗電流値から次の暗電流値までは最初の暗電流値を用いている

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修士論文発表会12暗電流値の取り扱いの違い• ２つの結果を比較したところ、以前の方法はバレル前方・後方、後方エンドキャップ内側・外側のいずれも約20％被ばく量を過大に見積もっていたことがわかった。

暗電流値を階段状に結んだ今までの方法

暗電流値を直線で補完した本研究の方法

0.4[Gy]0.4[Gy]0.28 [Gy]~0.36 [Gy]0.20.2002/24

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6/30

0.20 [Gy]~0.24 [Gy]6/302/24

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13さらに細かく暗電流を測定• ビームOFF期間をさらに細かく探し、暗電流値の測定点を27点から48点に増やした。
• これらについて時間的に近接したデータの間を直線で補完した。

0.21 [Gy]~0.25 [Gy]

• 暗電流値のデータ点を27点から48点に増やしても放射線被ばく量の結果に影響はなかった。
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142018年と2021年の運転の比較• 2018年4月～7月運転期間における放射線被ばく量はバレル部前方で約 0.2 Gy、後方で 約 0.3Gy であった。

• 本研究の2021年3月～6月とおおむね同じ。
$%• 積分ルミノシティは 0.5 "b() （2018年4月～7月） → 140 "b（2021年3月～6月） と約280倍に増加• ルミノシティの増加に対してビームバックグラウンドは抑えられていることがわかった。

SuperKEKB 加速器へのアップグレードのため、LER の真空チェンバーが全て新製されたことと関連• 新製した真空チェンバーの内壁は多数のガス分子が付着。運転開始
直後はビームが発する放射光により、真空劣化をもたらし、ビームガス散乱が多くなる。
• このガス分子はビーム通路を高真空に保つポンプ により取り除かれる。
• これを長期にわたって続けるうちにガス分子放出が減少し、ビームガス散乱が減る。
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ビームガス散乱
ビームパイプ内に残ったガスとビーム粒子が散乱し、ビームバックグラウンドとなる。

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LER(e+)真空の改善によるビーム電流増加
2018年7月6日

2021年6月29日

HER (e-)HER(e-)LER (e+)LER (e+)

真空はいずれも約5×10-8 Pa
LER(e+)ビーム電流は約260 mA → 約840 mAに増加対応してHER(e-)ビーム電流も約220 mA → 約700 mAに増加
ルミノシティ2×1033 cm-2s-1 → 3×1034 cm-2s-1に向上
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まとめ• SuperKEKB 加速器の2021年3月～6月運転の期間中に電磁カロリメーターのPIN-PD電流値をモニターしたデータを解析した。

• PIN-PDの暗電流値が時間とともに増加していることを確かめた。
• 時間的に近接した暗電流値データの間を直線で補完したPIN-PD 電流値との差を求め、時間で積分し CsI(Tl) 結晶の放射線被ばく量を求めた。

• これまでの暗電流値を階段状に見積もる方法ではおよそ20％被ばく量を多く過大評価していたことがわかった。

• 暗電流値のデータ点を増やした結果、放射線被ばく量の結果は変わらなかった。
• バレル部の前方で 0.20 Gy～0.25 Gy、後方で 0.33 Gy～0.39 Gy、後方エンドキャップ部の外側で 0.40 Gy～0.55 Gy、内側で 0.73 Gy～1.02 Gy を得た。また、前方エンドキャップに関しては、今回の手法では対応できなかった。

• 2018年と2021年の運転期間における放射線被ばく量を比較した結果、ルミノシティは増加しているにも関わらず、おおむね同じ結果であったことがわかった。これは、SuperKEKB 加速器へのアップグレード時に LER の真空チェンバーが新製されて実験を開始してから運転を続けるにつれ、内面からのガス放出が減少しているためと考えられる。
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Back up2022/4/11

修士論文発表会18

１，BelleⅡ

電磁カロリメータ（ECL） • CsI（Tl）結晶シンチレーターは長さは16 [ 𝑋" ]、幅は1.5 [𝑅# ] に対応

𝑋$ と𝑅# の概念図

放射長 [𝑋" ]lエネルギーが1/e に減少するまでに通過する平均距離2022/4/11

モリエール半径 [𝑅# ]• シャワーの横方向に広がり、電子・光子のエネル
ギーの90％が入るシャワーの半径

修士論文発表会19

用語解説• シングルエンド• ある電圧を基準にそれよりも高いか低いかで1または0を表現する方法。一本の信号線で利用可• ボルテージフォロアー• 高いインピーダンスを低いインピーダンスに変換すること。オペアンプの反転入力端子と出力をショートして使う。非反転増幅回路の一種で増幅度は１。

• データロガー• 信号記録をデジタル処理して記憶する装置。オシロスコープに比べて遅い事象の信号観測に適している。

• マルチプレクサススイッチモジュール• 複数の入力を1つの出力に接続し、自動テストシステム配線を簡素化する。

• プロトコル• コンピューター同士が通信を行うためのルール• オペアンプ• 非反転入力端子（+）と反転入力端子（-）と、一つの出力端子を備えた増幅器の電子回路モジュール。

• バイアス電圧• 中央が0Vの偏りのない信号を偏った信号にするために加える電圧のこと。波形を維持したまま偏らせることができる。直流で動作する電子回路で交流信号を処理するときはバイアス電圧を加えて直流信号にしてから処理をする。

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修士論文発表会20

無機シンチレーターの原理• 電子のとりうるエネルギー状態は構成原子に強く束縛された価電子帯と自由に動き回る伝導帯に分かれている。

• Γ線がシンチレーターに入射すると価電子帯にある電子と光電吸収やコンプトン散乱を起こす• 電子が励起されてエネルギーの高い伝導体にあげられる• 励起された電子は結晶中を動き回り、クーロン散乱によりほかの電子を励起させる。

• これらの電子が再び価電子帯に落ち込んだときにエネルギーが光子の形で放出⇒発光

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ルミノシティ• 衝突型加速器の衝突の頻度を表す指標• 単位は[fb^-1] b（バーン）は面積の単位で10^-28 m^2• つまり1fbでどれくらい衝突が起きているかを示すため、値が大きい方が多く衝突をしているということになる

イメージ図

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1fb1fb

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CsI（Tl）結晶シンチレーター•

シンチレーターとは、粒子が入射してエネルギー損失を起こしたときに光を発する物質のこと
CsI(Tl)結晶

無機シンチレータを採用• 限られた体積の中でシャワーを形成する• γ線に対する発光効率が高い
CsI（Tl）結晶• 縦5.5 cm 、横5.5 cm 、長さ30 cm、約5kg• 全体で8736本を使用• 先端に、PIN-PDがある
特徴• 発光量が豊富（約5万光子/MeV）
弱点
・発光の減衰時間が 1.3 µs と長いことからくるパイルアップ。
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PIN-PD光検出器• PD（フォトダイオード）とは、p 型半導体と n 型半導体を接合した半導体素子であり、pn 接合部付近では電子と正孔が打ち消しあいキャリアが存在しない空乏層と呼ばれる領域が形成される。

• 光検出器として使用する場合、逆方向にバイアスをかける。
• n型半導体内部の電子、p型半導体の正孔は電極側に引き付けられ、空乏層が大きくなる。
• 空乏層に光を照射すると、電子と正孔が発生し、電子は n 型半導体、正孔は p 型半導体の電極へ移動し電気信号パルスが生じる。

• PDにシンチレーターを組み合わせることでシンチレーターに素粒子が入射したときに発生するシンチレーション光を電気信号として検出することができる。

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PIN-PD光検出器
PIN-PD検出器• p型半導体とn型半導体の間にi型半導体（真性半導体）を挟む。

i 型半導体• 空乏層を拡大させてキャリア（電子・正孔）を多く発生させ、PDに比べ低電圧で応答が速い。

暗電流• 逆方向にバイアス電圧を印加した状態でもわずかに電流が流れる。

これを暗電流という。

• 空乏層中で熱励起により発生した電子・正孔対の移動によって発生。

測定・記録された値（𝐼!"#$ ）は、CsI（Tl）結晶からのシンチレーション光（𝐼%#&）とこの暗電流値（𝐼&#%' ）が含まれるため、CsI（Tl）結晶の放射線被ばく量を求めるには、増加分を求める必要がある。
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PIN-PD電流値モニターシステム
PIN-PD電流値モニターシステム• CsI（Tl）結晶のシンチレーション光を読み出すPIN-PD電流値を測定・記録するもので、5秒ごとに測定を行う。

1.

計測アンプを用いて電気信号に変換する。
• セグメントごとにバイアス電源の陽極との間に抵抗10kΩを挿入している。

2.

電圧降下の増幅率を10倍にしている。

3.

ボルテージフォロアーで変換された電気信号をエレクトロニクスハット内のデータロガーへ送る。

4.

データロガーで数値化する。
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PIN-PD電流値モニターシステム

全体図• PIN-PD電流値モニターは8736本あるカウンターをセグメントごとにまとめて読み出しを行う。
• ビーム軸に垂直な xy 平面における方位角 ϕ 方向に 8 分割
• 前方エンドキャップ、後方エンドキャップのそれぞれを内側・外側に分ける• z 軸から極角 θ 方向に 6 分割
• バレルは前方と後方に分ける• 総計48セグメントに分割

方位角に依存してビームバックグラウンド量が異なると考えられているため、分割をしている

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前方エンドキャップ
後方エンドキャップ
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バレル

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PIN-PD電流値モニターシステム• 48のセグメントの結晶の本数は異なるため、結晶一本当たりの電流値（nA/crystal）に換算する必要がある。
• 電流値モニターの生データは、セグメント毎に配置した10kΩ の電圧降下を計測アンプで 10 倍 に線形増幅したものを記録

測定は5秒ごとに行う

𝑉
𝐼=
10000・𝑁+&,

前方エンドキャップ内側：1～8番目
前方エンドキャップ外側：9～16番目
バレル前方：17番目～24番目
バレル後方：25番目～32番目
後方エンドキャップ外側：33番目～40番目
後方エンドキャップ内側：41番目～48番目

生データ
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最初の8個のデータは前方エンドキャップ内側の結晶一本当たりの電流値を示している。

修士論文発表会28

ビームバックグラウンド• 安定に周回できなくなったビーム粒子はビームパイプに衝突して、二次粒子を生成する。これが検出器に達するとビームバックグラウンドとなり、検出器の検出効率を悪化させる。
1. タウシェック散乱
加速器ビームはバンチという電子または陽電子の集まりでできている。同一バンチ内でのビーム粒子同士の散乱のことである。

4. ビーム入射直後のビームロス
継続的にビームを入射してビーム電流を一定に保ちながら運転するため、ビーム操作を行う。この時にビームバックグラウンドが増加する
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2. ビームガス散乱
ビームパイプ内に残ったガスとビーム粒子が散乱すること。
ビーム周回によって発生

3. シンクロトロン放射
ビームが磁場により曲げられる際に発生する放射光がビームパイプの検出器内部を通過する区間にあたると、バックグラウンドとなる。

5. Radiative Bhabha 散乱
電子または陽電子の内、Bhabha
散乱で光子を放出してエネルギーを失ったものが、磁場により本来よりも大きく曲がり、ビームパイプ内壁にあたる。これにより生じる電磁シャワーがバックグラウンドとなる。
修士論文発表会

6. 二光子過程
電子と陽電子の両方から同時に放出された仮想光子同士の衝突により、粒子生成が起きるため衝突点で生じる、ルミノシティに比例するバックグラウンド源である。
ビーム衝突によって発生

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ビームバックグラウンド測定
Barrel front のグラフ
他にも形式をそろえバックアップしておく。

0.28 [Gy]~0.36 [Gy]0.20 [Gy]~0.24 [Gy]グラフは、バレル前方部を8分割したうちの一つを示している。
【横軸】2月24日～6月30日までを日付で表している。
【縦軸】ビームバックグラウンドによる放射線被ばく量の積算値

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修士論文発表会30

最終result

ビームバックグラウンド測定• バレル前方・横軸は2月24日～6月30日までを日数で示す。
・縦軸は放射線被ばく量の積算
値 [Gy]• バレル後方0.33 [Gy]~0.39 [Gy]2022/4/11

修士論文発表会

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最終result

ビームバックグラウンド測定• 後方エンドキャップ外側0.39 [Gy]~0.55 [Gy]・横軸は2月24日～6月30日までを日数で示す。
・縦軸は放射線被ばく量の積算
値 [Gy]• 後方エンドキャップ内側0.73 [Gy]~1.02 [Gy]2022/4/11

修士論文発表会32

Old radiation
resultOld radiation
resultMiddle radiation
resultMiddle radiation
result用語メモ• フラックス：特定の表面を通過するフィールドの量• Fwdエンドキャップ：暗電流は熱励起により発生した電子・正孔対の移動によって起こるため、温度が下がると伝導帯に熱励起される電子が減ってキャリア密度が下がるため暗電流が減少し、温度が上昇した時はその逆になる• 中性子の発生は，電子加速器からの数十～数百 MeV の電子ビームによる高エネルギーガンマ線 の生成，そのガンマ線と原子核との光核反応によ る蒸
発中性子の生成という 2 段階を経てなされる
10(*10+11
𝐷 = 𝐼%#& & ∆𝑡 &[/nA & s] &[eV] &[J/eV] & [/kg]
1.6×10()*50006.24×10),
5= 4.0×10(, 𝐼%#& & ∆𝑡
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修士論文発表会37

前方エンドキャップの取り扱い• 暗電流値がPIN-PDで測定した電流値を大きく上回るまたは下回る箇所が多く見られたため、直線で補完した方法以外にも対処が必要とし、この手法だけでは前方エンドキャップ部での被ばく量を見積もることができないことがわかり、今回は研究対象外とした。

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直線で補完した暗電流値がPIN-PD電流値を上回る例

修士論文発表会

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ボツスライド

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修士論文発表会

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研究動機
••

軌道をそれた粒子はビームパイプに衝突して電磁シャワーを形成 →衝突型加速器の衝突の頻度を表す指標 → ルミノシティ

ビームバックグラウンド

ビームバックグラウンド

2. ビームガス散乱
ビームパイプ内に残ったガスとビーム粒子が散乱すること。

• ルミノシティの増加⇒ビームバックグラウンドの増加• 2018年から2021年で積分ルミノシティは約280倍に増加• 粒子の検出効率を悪化させる• 検出器が放射線損傷によって性能劣化につながる

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修士論文発表会

ビームバックグラウンドを測定する検出器が必要。

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ビームバックグラウンド測定
1.

SuperKEKB の加速器運転状況のモニ
ター画面から、HER、LERともにビームがOFFになっているところを探す。

2.

その間で測定された電流値の平均値を求め、それを暗電流値とした。

3.

2月24日～7月5日で同様のビームOFF期間を探し、暗電流値とした。

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本研究で定めた暗電流値

17時～20時はHER、LERともにビームがOFF

2021 年 3 月 2 日の加速器の運転状況。上段はHER(𝑒 ")、下段は LER(𝑒 #) の状況を表し、ビーム電流が赤い実線で示されている。

修士論文発表会41

光電極

光電極＋ ＋ ＋ ＋ ＋

p型半導体＋ ＋ ＋ ＋－に帯電＋に帯電空乏層－－－ － －

n型半導体＋ ＋－ －－ － － －pn接合

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修士論文発表会＋p型半導体空乏層－n型半導体42

2022/4/11[Gy]

Barrel Barrel Bwd
front back out

Bwd
inner

Φ=00.28

0.43

0.52

1.14

Φ=10.32

0.42

0.54

1.18

Φ=2

0.33

0.46

0.63

1.22

Φ=3

0.36

0.49

0.64

1.27

Φ=4

0.36

0.48

0.63

1.17

Φ=50.34

0.47

0.61

1.20

Φ=60.29

0.44

0.59

1.13

Φ=70.29

0.41

0.50

1.03

修士論文発表会432022/4/11

修士論文発表会

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