「測定器開発室優秀修士論文賞」概要
2023 年

著者

表題ふりがな氏

名

き の2月

25 日

りょうこ

木野 量子

高エネルギー光子・電子ビームプロファイルモニタの開発と加速器研究への応用
Development of high-energy photon and electron beam profile monitor and application to accelerator research

論文概要(全体で 4 ページに収まるようにページを増やして構いません)

粒⼦加速器を⽤いた物理実験を⾏う上で、加速器から供給されるビームの性質を理解することはよ
り良い物理データを収集するために重要である。特にビームプロファイルは最終的な物理結果に影響を与えるため、実験をデザインする際やデータを解析する際に必要な情報となる。更に、このようなユーザー側の要請だけではなく、ビームプロファイリングは加速器技術の発展においても⽋かせない要素である。ビームの持つパラメータを正確に測定することにより、加速器調整や改善のための理解に繋がり、設計上最⾼のパフォーマンスでビームを提供することが可能になる。
東北⼤学電⼦光理学研究センター(ELPH)の BM4 光⼦ビームラインでは、1 GeV 領域の制動放射光⼦ビームを提供している。電⼦シンクロトロン(BST リング) によって 1.3 GeV に加速した周回電⼦に、φ11 µm の炭素ファイバーの輻射体(ラジエータ)を挿⼊することで制動放射光⼦ビームを取り出す。この光⼦ビームを⽤いた様々な物理実験が展開されており、このためにビームプロファイリングを⾼精度に⾏うことが⾮常に重要である。特に近年ハイパー核物理分野で注⽬を集めている「ハイパートライトンパズル」の解決に向け、BM4 光⼦ビームラインで計画されている「三重⽔素ラムダハイパー核直接寿命測定実験」では、標的位置(ビームライン上流)における光⼦ビーム位置を誤差 0.3mm 以下の精度で知る必要がある。しかしこれまで、BM4 光⼦ビームライン上〜中流には、光⼦ビームを定量的かつ即時的に測定するシステムが無く、写真乾板の原理によるインスタントカメラのフィルムにビームを照射する⽅法で⼤まかな位置とサイズを把握するに留まっていた[1]。
この状況を受け、本研究では、新たに BM4 光⼦ビームライン上〜中流における定量的かつ即時的なビームプロファイルを⾏うための検出器「ビームプロファイルモニタ(BPM)」を開発した。BPM は荷電粒⼦を VETO するファイバー層、光⼦ビームを電⼦陽電⼦対に変換するアルミニウムコンバータを構成要素に持ち、その電⼦陽電⼦対の位置を測定することで、中性粒⼦である光⼦ビームの検出を可能にした。また、BST リングから供給される光⼦ビームは計数率が数 10 MHz に及ぶ⾼強度なものであり、従来型のトリガーと同期したデータ収集系では即時測定が難しい。そこで、プラスチック
シンチレーションファイバーと SiPM を基本構造とし、信号処理回路に ToT 回路、データ収集にはストリーミング型 TDC を導⼊し、⾼速応答可能でコンパクトなシステムを構築することで⾼強度ビームプロファイルの即時測定を実現した。BPM は 1 秒間の測定で 10 µm より良い位置精度を達成し、従来の BM4 光⼦ビームラインにおけるビーム測定システムを⼤きく進展させた。
BPM による⾼精度なビーム測定の実現により、物理実験に必要なビーム位置やサイズの情報を得るだけでなく、加速器固有のパラメータ測定や周回電⼦ビームの情報を得ることが可能になった。本研
究ではラジエータ位置とビーム位置の相関や計数率の減衰速度を詳細に調査することで、BST リングの Twiss parameter、周回電⼦ビームサイズの⾼精度測定を⾏なった。これにより、これまで設計値のみで議論されてきた加速器に関する情報を、初めて測定によって得ることに成功した。このように、
本研究では BPM を原⼦核実験・加速器研究どちらにも資する、分野を跨いだ検出器として開発することができた。

アピールポイント(本論文において特に自身が力を入れた部分や独自のアイデアがあれば記載してください。全体で 4 ページ以内に収まる範囲でページを増やして構いません。)

ビームプロファイルモニタ BPM の基本設計

MPPC基板BPM の要求性能は次の 6 点である。

アナログ信号

1. 誤差 0.3 mm 以下の位置測定
2. 可能な限り少ない物質量3. 荷電粒⼦背景事象の除去が可能

120 mm4. 磁場中での安定した動作
5. 数 MHz の⾼強度光⼦ビーム測定が可能
6. ビームサイクルと同期した即時モニタ
図 1. BPM の外観(左)と内観(右)リングが可能測定対象である光⼦ビームは、その強度が数 10 MHz に及ぶため、従来型のデータ収集系では即時測定が難しいという問題があった。そこで、⾼速応答が可能なプラスチックシンチレーションファイ
バーと SiPM を基本構造とし、信号処理回路に ToT(Time-over-Threshold)回路、データ収集にはストリーミング型 TDC を導⼊することで、⾼強度ビームプロファイルの即時測定を実現することができると考えた。
実際に開発・製作した BPM の外・内観を図１に、図 2 に検出部分の概念図を⽰す。ビーム上流側から順番に、荷電粒⼦背景事象を検出する Charged VETO カウンタ、光⼦の⼀部から電⼦・陽電⼦対を⽣成させるためのアルミニウム光⼦コンバータ、重⼒⽅向、⽔平⽅向に並べた粒⼦位置検出のためアルミニウム光子コンバータ 波長変換ファイバーの 2 層のファイバー層(x 層・y 層(KuraraySCSF-78, φ5 mm))、イベント選択に⽤いる Trigger カウンタ(Eljen EJ-212, 2 mm厚)である。各ファイバーは 1 セグメン

光子ビーム

ト 毎 に SiPM( 浜 松 ホ ト ニ ク ス
MPPC[2])に接触させた。
各カウンタと MPPC を載せた基板をCharged VETO
x層

図 2. 検出部分の概念図

y層

Trigger

固定する筐体には、充分な強度を持ち耐衝撃性に優れた ABS 樹脂を⽤いた。ファイバーの固定位置精度をより⾼くするため、削り出し加⼯により製作した。MPPC の信号読み出し回路と、信号増幅変換回路の開発も⾏なった。MPPC のアナログ信号は⾼速オペアンプ AD8000 による増幅回路で約 20 倍に増幅したのち、コンパレータ LTC6754 を介して LVDS 信号へ変換する。
これらの基本設計は、光⼦ビームとプロトタイプを⽤いた性能評価実験を⾏った上で、この結果を反映するように⾏った。⽤いるファイバーの選定においては、余分な電⼦陽電⼦対⽣成を避けるため、z ⽅向の物質厚を可能な限り抑えるよう⼯夫した。筐体デザインと回路開発は CAD ソフトウェアを⽤いて⾏い、各ファイバーが対応する MPPC に確実に接触するよう注意を払うだけでなく、コリメータやその他の実験器具が並ぶ限られたスペースで⽤いることができるよう、⼩型化を実現した。
BPM における⾼強度光⼦ビームの⾼精度即時測定を可能にした鍵は、データ収集にトリガーレスデータ収集モジュールであるストリーミング型 TDC(StrTDC[3])を導⼊したことである。ToT 法によってタイミングデータと電荷情報を 1 つのモジュールで記録した。前述の通り、BPM によるビーム測定はその計数率が数 10 MHz に及ぶことが予想され、オンライン上にトリガーを持つ従来のデータ収集系では即時測定が難しい。StrTDC は 1 ch が 0.97 ns で 33 秒までデータ収集が可能であり、この StrTDC の導⼊および即時解析システムにより、データ取得から約 10 秒後には１秒間毎に 10µm 以上の精度でビームプロファイル結果を得ることが可能となった。BPM では図 2 に⽰す全てのカウンタでヒットタイミングを記録した後に、オフライン解析上で以下の条件に従って光⼦イベント選択を⾏なった。
Photon event = * 4444444444444444444
Charged VETO 5 ⊗ [ 8 layer ] ⊗ [ < layer ] ⊗ [ trig. ]BPM を⽤いて様々な条件下におけるビつのガウス関数を重ね合わせた関数でフ3µ3030Counts
countsームプロファイルを調べた。⽔平⽅向、重⼒⽅向それぞれのヒット分布に対して 2

Entries 148896
Integral 1.489e+05

×10×1034040ィットした。ガウス関数の平均 µ をビーム中⼼、幅 σ をビームサイズとしてビームプ

Vertical position [mm]測定したビームプロファイル

2020!

1010001015201020005515
Horizontal direction [mm]Horizontalposition[mm]Entries 178845
3

ロファイルの評価を⾏った(図 3)。
StrTDC(1)

Horizontal position [mm]の導⼊により⼗分な統計量を確保するこ
×10とができ、フィッティングの精度は 1 秒間 図 3. ⽔平⽅向のヒット分布(左)とビームプロファイル
40の⼆次元ヒストグラム(右)のプロファイルに対して 10 µm 以上を達測定の結果、ビーム取り出しの 1 スピルの中で、ビームプロファイルは時間依存性を持つことが分かった。通常の制動放射光
⼦ビーム取り出しの場合、輻射体であるラ0.2

1.6

Horizontal

時間変動が大きい

200.1
0.00 Vertical
51015
Vertical direction [mm]−0.1 0−0.205Radiator
Time inpositiona spill[mm][s]20Beam size(σ) [mm]Beamsize(σ) [mm]成した。また、データ取得から約 10 秒で即時解析が可能である[4,5,6]。

Beam position(µ)
position(µ) [mm]Beam[mm]countsIntegral 1.788e+05

10Horizontal

1.5

1.4

1.30

徐々に増大

Vertical
5Radiator
Time inpositiona spill[mm][s]10

ジエータは BST リング中の周回電⼦ビームの中を絶えず移動する。図 4 に⽰す時間 図 4. 光⼦ビームプロファイル(ビーム中⼼位置(左)とサイズ(右))のスピル内時間依存性に依存したプロファイルの変化は、このラジエータ位置に起因するものであることが分かった。⼀⽅、ビームプロファイルはビームエネルギー、周回電⼦ビームカレントに依って変化しないことが分かった。
これらの定量的なビームプロファイルの測定、評価は ELPH BM4 光⼦ビームラインにおける初めての測定である。これまで明らかになっていなかった光⼦ビームの特性について理解することができるようになった。これにより、実際の物理実験の際には、即時測定の結果を⽤いてその場で加速器調整を⾏うことが、物理データの解析時には、反応点の計算等を⾏う際により信頼性の⾼い測定結果を使⽤することが可能となった。
加速器研究への応⽤
ラジエータ位置に依存したプロファイルの変化の要因は、光⼦ビームのソースである BST リング中の周回電⼦ビームが持つ特性であると⾔える。ラジエータ位置によって、削り出す電⼦ビームが持つ⾓度⽅向やその強度が変化するためである。即ち、光⼦ビームのプロファイルを定量的に評価することで、BST リング、周回電⼦ビームの特性にアプローチすることができる。
光⼦ビーム位置(µx)とラジエータ位置(xrad)の間には次式の関係が成り⽴つ。
µ! = @1 −CE
F8
D "#$ %&'(2)ここで α、β が Twiss parameter、zbpm はラジエータと BPM の距離である。zbpm は既知量であるため、ラジエータ位置 xrad を変えながら BPM を⽤いて光⼦ビーム位置 µx を⾼精度に測定することで、BST リングの Twiss parameter、 α / β を得ることができると考えた。実施に光⼦ビームプロファイルのラジエータ位置依存性を詳細に調査した結果を図 5 に⽰す。測定結果に対して１次関数でフィッティングを⾏い(図 5)、α / β = ‒ 0.510 ± 0.001 をることを確認した。このように、光⼦ビームの測定によって、⾼精度のもと加速器パラメータに関する情報を得ることを可能にした[7, 8]。
さらに本研究では、
BST リング中の周回電⼦ビームの強度分布の測定も⾏なった。ラジエータ位
置 xrad が変化すると、ラジエータと周回電⼦ビームとの重なり具合が変化するため、単位時間あたりに削り出す電⼦ビームの量も変化する。すなわ
ち、各ラジエータ位置における光⼦ビーム強度

2

Beam position(µ) [mm]得た。設計値は α / β = ‒ 0.51 であり、初めて測定によって BST リングの動作が設計値を再現す

1Twiss parameter– αx/βx = – 0.510± 0.001

0−1−2−4−202
Radiator position [mm]4

図 5. 光⼦ビーム位置のラジエータ位置依存性

I (t, xrad)は経過時間の関数としてG(I, 8%&' ) = G( exp(−Γ(8%&' )I)(3)と書ける。この原理から、各位置 xrad にラジエータを固定した時の BPM の計数率の減衰定数 Γ(xrad)を測定することで、BST リング中の周回電⼦ビームの強度分布を測定可能であると考えた。実際の測定結果に対し、電⼦ビームの強度がガウス分布に従うと仮定し、フィッティングを⾏なった。この結果
により得られた電⼦ビームサイズ(σ)は 0.803 ± 0.002 mm であった。計算による予想値は 0.76 mm であり、0.1 mm の精度で⼀致する結果を得た[7, 8]。
以上のように、開発した BPM を⽤いて光⼦ビームを⾼精度に測定することで、 光⼦ビームの供給源である加速器のパラメータ測定や、BST リング中の周回電⼦ビーム強度分布測定が可能になった。
まとめと今後の展望BM4 光⼦ビームラインにおいて即時的かつ安定的に光⼦ビームプロファイルを⾼精度に⾏うシステムを構築した。将来的な継続した運⽤を⾒据え、ユーザーが誰でも使うことができるよう GUI の開発も進めている。また、開発した粒⼦位置検出のシステムを、⾼計数率が想定される⽶国・JLab におけるハイパー核実験 [JLab E12-15-008]に応⽤することも検討している。
本研究では、本来原⼦核実験のための検出器として開発した BPM による測定を、パラメータ測定などの加速器研究に応⽤した。このような分野横断的な研究により、加速器グループ、物理実験グループで相互にフィードバックを掛け合いながら、加速器運転効率や性能の向上をはかり、より良いパフォーマンスのもとで実験を進めることが今後可能になると期待できる。
参考⽂献[1] ⽊野量⼦ 他, 「ハイパー核電磁⽣成実験のためのスペクトロメータ較正⽤粒⼦位置検出器」，⽇本物理学会2021 年秋季⼤会, 2021 年 9 月（⼝頭発表）[2] 浜松ホトニクス (URL: https://www.hamamatsu.com)[3] R. Honda et al., PTEP (2021) Volume 2021, Issue 12, December 2021,123H01.
[4] R. Kino, “First measurement of time-dependent photon beam profile at ELPH BM4 beamline”, 第７回クラスター
階層領域研究会, 2021 年 12 ⽉（ポスター発表）[5] ⽊野量⼦, 「MPPC を⽤いた ELPH 標識化光⼦ビームのモニタリング検出器の開発」, ELPH symposium 2022,2022 年 3 月（ポスター発表）[6] ⽊野量⼦ 他, 「ELPH 標識化光⼦ビームのオンラインモニタシステムの開発」, ⽇本物理学会第 76 回年次⼤会 (2022)[7] ⽊野量⼦ 他, 「ELPH BST リングにおける GeV 領域光⼦ビームプロファイル」 ⽇本物理学会 2022 年秋季⼤会, 2022 年 9 月（⼝頭発表）[8] R. Kino, “Realtime imaging of high energy gamma-ray beams from 1.3 GeV electron synchrotron accelerator at ELPH
Tohoku”, Workshop QBI2022, 2022 年 9 ⽉（⼝頭発表）