KEK 測定器開発テストビームライン共同利用実験成果報告書
２０２３年１２月１５日
１．課題番号
2023ARTBL004

２．課題名
ビームプロファイル測定

３．研究代表者
氏名： 中野英一

所属機関：大阪公立大学大学院理学研究科

職名：教授
連絡先：nakanoe@omu.ac.jp

４．実験参加者 （氏名、所属機関、職名または学年）中野 英一 大阪公立大学教授



井上 拓海 大阪公立大学

M2

宇野 彰二 KEK

５．ビームタイムの期間

（エリア内準備期間、ビーム使用期間、撤収期間がわかるように）
2023 年 11 月
21 日 16 時からセットアップ 2 時間後にビーム照射してのチェンバー等の調整
22 日 Linac study でワイヤーを入れてのビームはなし
23 日 ビームを使ってのチェンバー・ＤＡＱの調整の継続
24-25 日 運動量、場所を変えてのデータ取得
25 日 17 時より撤収、2 時間ほどで完了
26 日は、マシンタイムを承認されていたが、データ取得完了のため、次のグループのセットアップの時間としてもらった。

６．ビームの状況
3 GeV で、1.6 kHz 程度。特に大きな問題はなく、安定していた。

７．実験成果セットアップMulti-Cell Proportional Chamber (MCPC) と Jet Chamber の 2 台のチェンバーを用意。MCPC は、セルサイズが 8 ㎜✕8 ㎜で、水平方向 11 セル、垂直方向に 5 セル配置されている。JetChamber のセ

ルサイズは同じく 8 ㎜✕8 ㎜であるが、Drift length が 8 ㎝である。水平方向に 8 セル、垂直方向に 8セル配置されている。ガスは共に P10（Ar/CH4=90/10）を使用した。これら 2 台をビームエリアに準備されている架台に設置して（図１）、ビームの進行方向に沿って移動しながらデータを取得。2 台のチェ
ンバーは Belle CDC で使用した前置増幅器で増幅した差動出力を、差動入力のポストアンプで受けて、波形整形したアナログ信号を取り出す。MCPC は、そのアナログ信号を NIM モジュールで波高弁別した後、NIM モジュールのスケーラーで計測。Jet Chamber は、DRS4 を使った BBT 社製の波形記録モジュールで読み込み、Drift time を計測。また、新規にビームダンプに積み直した鉛ガラス（横 5 本、縦 3本）の中央の横 3 本の性能試験も行った。3 本の信号をアナログ的に合算して、上記の波形モジュールに入れて、波高電圧を記録。3 本の信号の波高電圧をおおよそ揃えるために、中心の鉛ガラス（LG3）に対して、両横の鉛ガラス（LG2, LG4）の印加電圧は、50 V 低めに設定した。

図１ セットアップの写真。上流側が MCPC, 下流側が Jet Chamber
測定結果
まず、上流に常設されているシンチレーター4 台のコインシデンス（以下、既設シンチ）によるレートを測定（図２）した。

2.00

Beam energy 5 GeV
Beam Current 50 mA
Life 160 min
Target position 11.31 mm

Rate (kHz)1.501.000.500.00024Beamline Momentum (GeV)6

図 2 ビームレート
次に、鉛ガラスの線形性を確認した(図 3)
鉛ガラスが横置きになったことから、少なくとも 4 GeV までは線形性が得られている。

Pulse Height (mV)

140120y = 29.354x - 10.643

100806040200012345Momentum (GeV)
図３ 鉛ガラスの線形性
図 4 に運動量が 3 GeV の時の波高分布を示す。左側の図では既設シンチを要求しているが、低い波高値にかなり多くのテイルがある。右側の図は、MCPC の水平方向に並んだセルの中央の 1 本にヒットがあることを要求するとこのテイルが大幅に低減されることを示している。

図４ 鉛ガラスの波高分布。左図：既設シンチのみ要求。右図：さらに MCPC の 1 本を要求
図５に波高の水平方向依存性を示す。1 台のベンドでビームをリング内からエリアに引き出しているので、運動量には水平方向依存性がはっきりと見えている。この図でマイナスはエリアの壁側であるので、高い運動量をもった粒子は、曲がりが小さいので、壁側の粒子ほど運動量が大きい結果である。
その量は、1 ㎝で 0.9%程度ある。

Relative Pulse Height

1.060
1.040
1.020
1.000
0.980
0.960

y = -0.00089 x + 0.99914

0.940
0.920
0.900
-60-40-200204060

Horizontal position (mm)
図 5 波高の水平方向依存性
次が目的のビームプロファイルである。まずは、5 月の測定との比較を図６に示す。この測定は、運動量は 3 GeV で、ビーム進行方向の位置は 1.5 m である。5 月以前の測定で問題となっていたビーム中心が水平方向にずれているという問題は解消されていて、水平方向の拡がりも小さくなっているといえる。これは、夏季シャットダウン中に、間違って設定されていた QRF（リング内にあるビームライン上の最初の 4 極電磁石）の極性を正しくしたためであると考えられる。この測定では垂直方向に大きな違いは見い出せない。なぜなら、5 月の測定に使用したチェンバーのセルサイズは 20 ㎜であるからである。これらの図の縦軸は、MCPC の各ワイヤーで得られた計数を既設シンチの計数で規格化したものである。

図６ 運動量が 3 GeV で、ビーム進行方向の位置が 1.5 m の時のビームプロファイル。左図は水平方向、右図は垂直方向のものである。
図 7 に運動量依存性を示す。運動量が低いとビームは大きく拡がっている。特に水平方向はその傾向が強い。水平方向は、運動量が高くなると少しビーム中心がエリアの壁から離れる方向にシフトしている傾向がみられる。これらの図は、見やするするために測定点を同じ色の線で結んでいる。

図７ 運動量依存性。左図が水平方向、右図が垂直方向である。
図 8 にビーム進行方向に対する依存性を示す。水平方向は下流に行くほどビームが拡がっている様子が見える。これも 1 台のベントで取り出しているためと考えられる。垂直方向は拡がっていく傾向はそれほど顕著ではない。いずれしても、どちらの方向も明快な焦点があるわけではない。なお、垂直方向の 0.65 m でビーム中心が少しずれているように見えるのは、チェンバーの設置の問題である可能性がある。

図 8 ビーム進行方向依存性。左図が水平方向、右図が垂直方向である。
最後に、Jet Chamber の結果を 1 つだけ示しておく（図９：進行方向の位置が 0.65 m のもの）。さらなる結果は今後の解析を待たないといけない。Jet Chamber はドリフト領域が 8 ㎝あるので、ドリフト時間がそのままビームプロファイルになる。ドリフト電場は MCPC のワイヤーヒットとの相関からドリフト速度が最大になるように調整した。さらに、測定結果として、ドリフト電場は中央の5.6㎝の範囲で一定で、ドリフト速度が 5.05 ㎝/sec であることがわかった。この速度を用いると図 9 のドリフト時間の分布から距離の分布に変換できる。ここでは傾向だけを示すと水平方向は、MCPC の測定と似た形になっていることがわかる。垂直方向は、微細に測定できることからプロファイルの構造がわかる。この図からするとビームの上下のテイル部分は、既設の鉛スリットで削られているように見えている。今後は、鉛スリットを外した状態での測定も試みたいと考えている。

図９ Jet Chamber で得られたビームプロファイル。左図が水平方向、右図が垂直方向を表す。
蛇足かもしれないが、電気ノイズに関してふれておく。一部のグループから 795kHz 周期の電気ノイズがあるということを聞いていた。幸いに、われわれのシステムでは、その電気ノイズは検知できる大きさとなっていなかった。しかし、この実験とは独立にリング内に設置した MWPC（Muti-WireProportional Chamber）では、同じ読み出し方法であるが、大きな 795 kHz の電気ノイズが検出された。その大きさはビーム電流に比例していて、ビームがないときは検知できない。また、鉛ガラスの信号線では図 10 に示すような 795 kHz 周期の電気ノイズが観測された。加速器の人と相談したところ、セラックを使用したビームパイプがあり、そのからの電気放射ではないかということであった。

図 10 鉛ガラスの信号線で観測された 795 kHz 周期の電気ノイズ

８．結果の公表予定
井上拓海君の修士論文としてまとめられる。
日本物理学会で発表予定。

９．今後の要望
運動量を変える際に、設定値になったかどうかが一目でわかりにくい。表示している電流値の色を設定値と違うときには、別の色にしてもらって、変化している途中であることはわかって、設定値になったら、今の緑色になると嬉しい。
以上