４及び８ GeV 電子ビームによるタングステン単結晶標的を用いた陽電子生成実験
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~5  (T=J\s @h\0    @h=i@hJ8H F? ~O pa |r i7fz\0  i7fn-IJk\] V. Ababiy A.P. Potylitsyn I.E. Vnukov Tomsk Polytechnic University Lenin Ave. , Tomsk, 604050 Russia῍῍ ῍῍R. Chehab LAL IN2P3-CNRS῍῍῍Universite de Paris-Sud῍Bat.200-B.P.34῍91898 Orsay῍France概要
電子ビームをタングステン単結晶標的に照射したときの陽電子生成実験を KEK 8-GeV 電子陽電子入射器（入射器）で続けている。本実験は、次世代の大強度陽電子源開発に向けた基礎実験をなすものである。陽電子強度の増大は、電子エネルギー、陽電子運動量、標的厚さのパラメータに対しどのように最適化されるかを調べた。実験の結果、結晶標的による陽電子強度は、同じ厚さの非晶質標的に比べ最大５倍程度増大することを確認した。本報告は、入射器におけるタングステン単結晶標的を用いた一連の陽電子生成実験についてまとめたものである。

１．はじめに

２．陽電子生成実験 MeI#

電子ビームは、入射器終端のエネルギー分析ラインで得られるビームを利用した。設定した電子エネルギー（Ee-）は、エネルギー依存性を調べるために４及び８GeV とした。８GeV 電子は、入射器で得られる最大エネルギーで、４GeV 電子は、入射器の陽電子源で使用している１次電子エネルギーと同じである。入射器の電子ビームは、単バンチ化（パルス幅~10ps）されており、陽電子標的での電荷量は、~0.2nC/bunch に制限した。標的でのビームサイズは、直径 1-1.5mmf (FWHM)に調整した。これらは、壁電流モニター及び蛍光板モニターにより実験中監視した。電子ビームの角度拡がりは、ワイヤースキャナーを用いてエミッタンスを測定した後算出した。水平／垂直方向の角度拡がりは、４（８）GeV 電子に対し、それぞれ 123（23）／121（41）mrad であった。一方、電子ビームは、ビーム窓（100mm 厚 SUS304）を通して大気中へ取出されるので（図１参照）、標的での角度拡がりは、この窓による多重散乱が支配的である。計算により４（８）GeV 電子に対し、それぞれ 0.2（0.1）mrad と推定した。結晶標的の結晶軸に対する入射電子の角度拡がりは重要 で 、 チ ャ ネ リ ン グ 放 射 の 臨 界 角（0.61mrad/4GeV, 0.43mrad/8GeV）よりも小さいことが放射条件となる。本実験は、この臨界条件を満たす。

次世代のリニアーコライダーや B ファクトリー
においては、高エネルギー実験で必要とするルミノシティを上げるために大強度陽電子源が要求される。従来の方法では、大電流の１次電子ビームを非晶質の重金属標的に当て、標的中で発達する電磁シャワーにより陽電子を発生させる。このように、この方法では、陽電子強度を上げるには１次電子ビームの強度を上げる以外に方法はなく、この場合、標的の熱的破壊が問題となる。1989
年仏オルセー研究所の Chehab 等は、単結晶標的を利用した新しい陽電子源の可能性を提唱した[1]。
この方法によると結晶中に電子が入射すると電子は、格子状に整列した原子核と相互作用し、チャネリング放射過程（CR）及びコヒーレント制動放射過程（CB）を通して、相対的に低エネルギー光子を多数放射する。光子は、同時に標的中で電子2.2 ''`:Sob
陽電子対生成を起こし、陽電子を生成する。この標的として、W 単結晶単独の場合（結晶標的）時、多数の光子がこの放射過程で生成されるので、及びその直後に（82.5mm後）非晶質 W を組合最終的な陽電子数は、増大するという考え方であわせた標的（混合標的）をテストした。結晶標的る。現在、KEK を中心とする実験グループが、の厚さは、2.2, 5.3, 9.0mm の３種類を、混合標
この方法を利用した大強度陽電子源の実用化の可的の非晶質 W は、厚さ 3-18mm（3mm ステッ
能性を追及すべく基礎的実験を続けている。我々プ）を準備した。標的の電子ビームに対する結晶は、まず、重金属標的であるタングステン（W）軸は、<111>軸である。また、陽電子強度の絶対を単結晶化し、CR 及び CB を通して陽電子生成値を校正するために、結晶標的と同じ厚さのもの数の増大がどれくらい期待できるのかを実験で確認することにした。
1E-mail: tsuyoshi.suwada@kek.jp

を含め２８mm 厚までの幾つかの非晶質 W プレート（通常標的）を用意した。

2.3 xeI"&$(b) に、4 及び８GeV 電子によるＨ軸を回転させたときの陽電子強度の変化（ロッキングカーブ, V軸はピークに固定）を示す。各データ点は、２０回平均と標準偏差を示す。補正は、検出器の ADCペデスタル、バックグランド及び電子ビーム電流に対し補正を行っている。電子ビームに伴うバックグランドは、偏向電磁石をオフし、標的を離した状態での測定値とし、陽電子データから差し引いた。ロッキングカーブの幅は、明らかにチャネリング放射臨界角より大きく、かつ結晶厚さが厚いほど大きい。この幅の拡がりは、数 GeV 電子エネルギー領域では、CR よりもむしろ CB が優勢であることを示唆している。図３に結晶標的に対するロッキングカーブ幅の変化をプロットした。
結晶厚さが増すに従い単調に増加している。

図１に陽電子生成実験のセットアップを示す。
標的上で生成された陽電子は、陽電子スペクトロメータで、運動量が選択され、陽電子検出器でその強度が計測される。偏向電磁石は、陽電子をビーム軸に対し６０度偏向することにより設定された運動量（ Pe+=5-20MeV/c）の陽電子を選択する。陽電子輸送路は、陽電子の空気との多重散乱を極力避けるために、標的直後からすぐに真空チェンバーに入り真空（<0.1Pa）を確保している。
陽電子検出のアクセプタンスは、偏向電磁石前後に 置 い た 鉛 コ リ メ ー タ （ 前 /30, 40mmf, 後/20mmf）により決められる。陽電子強度は、２3.2 xeIXWZ\g
種 類 の 測 定 器 （ 5mm 厚 Lucite CherenkovDetector（陽電子数を測定）、
20mm 厚 Lead-Glass
ロッキングカーブから陽電子強度の増大度が得
Cherenkov Calorimeter（陽電子の総エネルギーられる。ここで、増大度は、Ｈ軸をピークからを測定））で測定する。標的後の陽電子輸送路は、50mrad（off-axis）離した入射角度での陽電子強バックグランドを極力抑制するために鉛で覆った。 度に対するピーク（on-axis）の陽電子強度の比
バックグランドの主な要因は、オフモーメンタムで定義する。図４は、得られた増大度を標的厚さ電子ビームが標的上流でダクトに当たり電磁シャ（混合標的の場合は標的総長で定義）の関数としワーを生成する、また、オフモーメンタム陽電子て表したもので、混合標的の結果も同時に示した。のコリメータ部で発生する電磁シャワーである。
図４(a) は４GeV 電子、図４(b) は、８GeV 電子
陽電子スペクトロメータのアクセプタンスは、計の結果を示す。このように、４（８）GeV 電子で算機コード GEANT3 を用いて測定運動量ごとには、薄い標的に対し最大 4（５）倍程度の増大度評価を行い算出した。陽電子運動量 20MeV/c にが得られ、標的厚さに対する変化はなめらかに減おける典型的な幾何学的／運動量アクセプタンス
少している（図中の実線はガイド線）。これは、は、1msr／2.4%(DP/P, FWHM)である。データ
電子ビームの標的中での多重散乱が、標的厚さが厚いほど大きく寄与するからだと考えられる。ま収集系については、他の報告[2]を参照してほしい。
た、４GeV 電子のデータは、標的厚さが~１５mm
Goniometer
Positron Detectors
以上になると増大度が１以下になり、通常の制動
Lead-Glass Cherenkov CalorimeterV{ Lucite Cherenkov Detector
放射過程に比べ陽電子強度が小さくなることを示
e- Beam+
TargetLead Shield
す。これは、結晶標的で生成された光子のエネル+ギーが相対的に小さいために標的が厚いほど対生H成された陽電子の吸収が起こりやすくなるからだ+ AX
e+と考えられる。増大度の陽電子運動量依存性を 5+Target
20MeV/c の範囲で測定したが、実験誤差の範囲
e- Beam内で依存性は認められなかった。図５に、結晶標e+e的に対する増大度の電子エネルギー依存性を示す。
Vacuum Chamber
Wall-Current Monitor
図中、１GeV 電子のデータは、過去に東大核研 ES
Analyzer Magnet
Screen Monitor
で行った実験である。増大度の電子エネルギー依
図１：陽電子生成実験セットアップ。
存性は、単調に増加するようだ。

３．実験結果3.1 &'!
本実験は、標的厚さ、電子エネルギー及び陽電子運動量をパラメータとして陽電子強度を測定するため、広いダイナミックレンジ（数１０倍）が必要である。このことから、検出器の光電子増倍管の高電圧を陽電子強度に対し比例するように注意深く調整した。結晶標的に対する軸出しは、ゴニオメータの水平／垂直（H/V）の２軸を回転させ、陽電子強度が最大になるように決めた。
図 2 (a),3.3 xeIXWy
陽電子強度の絶対値を非晶質標的の実験データ及びシミュレーションにより求めた。シミュレー
ションは GEANT3 を用いて、測定系の幾何学的配置を考慮して計算した。陽電子生成率を入射電子数で規格化した検出陽電子数で定義する。図６に、結晶又は混合標的厚さに対する陽電子生成率の変化を示す。図６(a), (b) は、それぞれ４及び８GeV の結果である。図中黒丸は、結晶標的を、白抜きは混合標的のデータを示す。また、白抜き
ダイヤモンドは、非晶質標的データを示す。陽電子生成率として表した陽電子強度の絶対値は、
60
9.0mm 厚非晶質の実験データを同厚さのシミュ
Pe =20 MeV/c
Ee-=8 GeVEe-=4 GeVレーション結果を規格化することにより行った。
50
シミュレーションは、非晶質データをよく再現し40ているのがわかる。また、結晶標的の方が、混合標的に比べ若干ではあるが陽電子生成率が大きい。
30
一方、４GeV 電子データの混合標的データを見る
20と陽電子生成率は、非晶質部の厚さに殆ど依存せず、その変化は、非晶質データに比べ厚さが薄い10方にピークがシフトしている。これは、結晶標的0中での電磁シャワーの発達が非晶質に比べ速い、
0246810Target Thickness [mm]すなわち、実効的放射長が、短くなっていること
図 3：ロッキングカーブピーク幅の結晶標的厚さ依を示すものと考えられる。得られた最大陽電子生。
存性（Pe+=20MeV/c）
成率は、9.0mm 厚結晶標的の場合で、非晶質標的 で 得 ら れ る 最 大 値 （ 最 適 厚 14mm/4GeV,18mm/8GeV）に比べ、２０％程度の増大を示し(a) E e- =4 GeV, Pe+ =20 MeV/c(b) E e =8 GeV, Pe+ =20 MeV/c
2.2mmW2.2mmWた。さらに厚い結晶標的データも興味深いが、残2.2mmW +W
2.2mmW +W
5.3mmW
5.3mmW
9.0mmW
念ながら準備出来なかった。この結果は、実際の5.3mmW +W
9.0mmW +W
9.0mmW
9.0mmW +W
陽電子源設計に対し、同程度の陽電子強度を要求するならば、標的厚さを薄く出来るので、熱的破壊に対し緩和が期待できる。
Peak Width [mrad]+-66cccccacc

45a

Enhancement

Enhancement

5a321４．まとめ0cccaca43210510152025300051015202530

Target Thickness [mm]Target Thickness [mm]KEK 電子陽電子入射器の電子ビーム（Ee-=4 及
図 4：結晶及び混合標的厚さに対する陽電子増大度
び 8GeV）を利用して、タングステン単結晶標的の変化（Pe+=20MeV/c）(a) Ee-=4GeV, (b) Ee-=8GeV。
による陽電子生成実験を行った。電子ビームを結晶標的の<111>軸に調整すると同厚さの非晶質標8的に比べ最大５倍の陽電子の増大度が得られた。
Pe =20 MeV/c
7
標的厚さは、厚いほど増大度は減少することを定6量的に確認した。9mm 厚結晶標的の陽電子生成
5率は、非晶質標的の最適値と比べると２０％程度の増大があった（電子エネルギーの違いは殆どな4い）。この結果は、通常標的の最適厚に比べ約半3分の厚さで同等の陽電子数が得られることを示し、2標的の熱的破壊が緩和できると期待される。今後
1は、熱的破壊緩和の実験的検証、結晶損傷の問題0等、実設計へ向けた実験を行う予定である。
02
46810Enhancement+

Electron Energy [GeV]

図 5：１次電子エネルギーに対する陽電子増大度の変化, Pe+=20MeV/c。

参考文献[1] R. Chehab, et al., PAC'89, Chicago, IL, Mar. 1989, p.283.
[2] T. Suwada, et al., EPAC2002, Paris, France, June 2002.

(a) E e- =4 GeV, Pe+ =20 MeV/c(b) E e- =8 GeV, Pe+ =20 MeV/c0.06(b) Ee-=4 GeV

21.5

10.5

Positron Production
Efficiency [%]5Ee-=4 GeV & Pe+=20 MeV/c
Ee-=8 GeV & Pe+=20 MeV/c

Relative Positron Yield[arbitrary unit]

Relative Positron Yield[arbitrary unit]

32.5

5.3-mm-thick Wc & Pe+=20 MeV/c9.0-mm-thick Wc & Pe+=20 MeV/c43210.060.050.040.030.02

0.0100510152025

Target Thickness [mm]0-80-60-40-200204060

Rotational Angle [mrad]

800-80-60-40-20020406080

Rotational Angle [mrad]

図 2：結晶標的による陽電子生成（Pe+=20MeV/c）
ロッキングカーブ測定結果 (a) 標的厚さ 2.2mm、(b) 標的厚さ 5.3 及び 9.0mm（Ee-=4 及び 8GeV）。
（Ee-=4GeV）

Positron Production
Efficiency [%](a) 2.2-mm-thick W c

W c's
2.2mmW c+W a
5.3mmW c+W a
9.0mmW c+W a
Simulation
W a's

300.050.04

0.030.02

W c's2.2mmW c+W a9.0mmW c+W aSimulation
W a's0.010051015202530

Target Thickness [mm]図 6：結晶及び混合標的厚さに対する陽電子生成率の変化(Pe+=20MeV/c) (a)Ee--=4GeV, (b)Ee-=8GeV。