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
２０２４年 ３月１２日
１．課題番号
2023ARTBL016

２．課題名
ビームプロファイル測定 2

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



宇野 彰二 KEK 特別教授

５．ビームタイムの期間

教授

（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）
2024 年 2 月
16 日 セットアップと予備データ取得
19 日 割り当てられたビームタイム開始。シンチの追加。データ取集ロジック修正。
20-23 日 鉛スリット、既設シンチ影響調査、Q の調整、場所を変えてのデータ取得
26 日 割り当てられたビームタイムは終了していたが、鉛ガラスの較正を行った。
27 日 リング内 MWPC の調整
28 日 片づけ

６．ビームの状況
3 GeV で、1.7 kHz 程度。特に大きな問題はなく、安定していた。途中で、アンジュレーターの GAPの閉まり具合の変更により、10%程度のビーム強度の変化があった。

７．実験成果セットアップ前期のビームテスト（課題番号 2023ARTBL004）のセットアップをほぼ継続。8 ㎜✕8 ㎜セルの MultiCell Proportional Chamber (MCPC)は、最上流で固定として、 Drift length が 8 ㎝の Jet Chamber のみをビームラインの架台に載せ、ビーム進行方向に移動させて測定した（図１、左側写真）。上流の既設のシンチレーションカウンターは小さすぎることが分かったので、最下流に大き目のシンチレーションカウンターを設置した（図１，右側写真）。ガスは前期と同じ P10（Ar/CH4=90/10）を使用した。Jet Chamber は、デスクリ後の信号を 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、鉛ガラス（横 5 本、縦 3 本）の中央の横 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。今期の測定には、基本的には、10 msec の Injection veto が入れてある。

図１ セットアップの写真。左写真がチェンバー, 右写真が追加したシンチレーションカウンター測定結果
まず、前期の測定で鉛スリットがビームの垂直方向のビームを制限している可能性があったので、その影響を調べた。図 2 の左図に鉛スリット有でのビームプロファイルを示す。この図の横軸は、Jet Chamberの nsec 単位の Drift time を示していて、700 nsec あたりがビーム中心である。ドリフト速度は、前期の測定から 5.05 ㎝/sec である。水平方向、垂直方向ともそれぞれ 2ch 分が示されているが、基本的には、重なっているので、水平は青色、垂直はピンク色を見ればよい。垂直は、明らかに±1 ㎝程度で切れていることが再確認された。中図が鉛スリットを外したものである。垂直のビームが拡がったことが明確にわかる。
しかし、まだ、途中で切れていることもわかる。これは、既設のシンチレーターの縦方向の大きさで決まっていることが想像された。そこで、セットアップのところで示した大き目のシンチを利用して、トリガーすると右図のようなビームプロファイルとなった。見てわかるように、水平と垂直でほぼ同じビームの拡がりとなった。鉛スリットの有無で、ビームレート（3GeV）は、上流シンチのコインシデンス（T1＆４）ではほぼ同じで、鉛ガラスでは 2.5 倍程度の上昇であった。この測定以降は、鉛スリットは外したままである。

図2

Jet Chamber の Drift time 分布。左図：鉛スリット有、中図：鉛スリット無、右図：鉛スリット無しで、しかも、上流のシンチをトリガー条件から外したもの。白色は、テストパルスと鉛ガラスの信号によるものである。この左図と右図を空間座標（mm）に変換して２次元プロットにしたものを下に示す。

図 3 図 2 の左図と右図のデータから再現したビームの２次元プロファイル。
次に、上流に設置されているシンチレーションカウンターの影響を調べた（今期からはシンチ２と３は、コインシデンスから外されている）。結果は、表１に示す通りで、3%程度の改善が確認できた（3 GeV）。
これ以降は、この 2 本のシンチレーションカウンターは外したままである。

表１ シンチ（２＆３）有無でのレートの変化
シンチ２台を外した状態での２次元プロットを下に示す。

図 4 シンチ２台を外した状態でのビームの２次元プロファイル。
次の測定は、ビームライン上に設置されている四極電磁石の磁場の最適化である。今回は、まず、標準設定を行い、その状態で上流から磁場の強さを変えて最適値（レートが最大になる点）を見つけて、見つけた最適値はそのままにして、次の磁石の最適値を探すという方法を取った。最適化の運動量は 3 GeV で行って、見つかった最適値での運動量依存は、最後に測定した。図 5 がリング内四極電磁石の磁場を変えたときの結果である。QRF の電流値は、標準より低め（30.6A から 27.6A）がよく、QRD は、ほぼ同じ（16.4A285000

300000265000250000245000

Counts (100sec)

Counts (100sec)

から 16.6A）がよかった。

y = -141.51x2 + 7729.5x + 162144

225000205000185000165000y = -137.49x2 + 7700x + 72054

145000152535

QRF current (A)45y = -1884.8x2 + 62485x - 255965

200000150000100000y = -1679.2x2 + 55790x - 291491

50000
0510

1520

QRD current (A)25

図 5 リング内の四極電磁石の磁場の強さを変えた時のレートの変化。左図が、QRF の磁場を変えたもので、右図が、QRD の磁場を変えたもの。オレンジが鉛ガラスのレートで、青がシンチ(T1&4)のレートを示す。
次に、ステージ上の四極電磁石の結果である（図 6）。これらの四極電磁石の磁場の強さはビームサイズに敏感で、しかも上流のシンチレーションカウンターの縦サイズがビームサイズよりも小さいことから、ここでは、鉛ガラスのレートを優先して最適値を見極めた。最適な電流値は、QSF で少し大きめ（16.4A か300000

300000250000250000Counts (100 sec)

Counts (100 sec)

ら 18.0A）で、QSD でほぼ同じ（15.0A から 15.2A）であった。

20000015000010000050000

y = -100.46x2 + 3053.5x + 233792

200000150000100000y = -9.8204x2 + 2537.4x + 129558

50000

0510152025

QSF current (A)051015QSD current (A)2025

図 6 ステージ上の四極電磁石の磁場の強さを変えた時のレートの変化。左図が、QSF の磁場を変えたもので、右図が、QSD の磁場を変えたもの。オレンジが鉛ガラスのレートで、青がシンチ(T1&4)のレートを示す。
結果的に、標準と最適化した後での電流値に大きな違いはなく（表 2）、レートの変化を表 3 に示すが、レートにも大きな違いはない。図 7、8 に 1.5m 地点でのビームプロファイルを示すが、最適化された方がより水平と垂直で差が小さくなっていると言える。

表２ 四極電磁石の電流設定値

表 3 四極電磁石の磁場の最適化前後でのビームレートの変化

図 7 四極電磁石の磁場の最適化前後でのビームプロファイル。左図が標準設定。右図が最適化後。
参考のために最適化前後の２次元プロットを示す。最適化前後でビームの中央部分（頻度がもっとも大きい）1 cm2 でのレートの比をとると約 1.25 倍となっている。

図 8 四極電磁石の磁場の最適化前後でのビームの２次元プロファイル。左が標準設定。右が最適化後。
この最適化された設定におけるビームレート（上流のシンチ１と 4 のコインシデンス）の運動量依存性を調べたものが図 9 である。最適の設定値は運動量に線形と仮定して変化させた。3 GeV でのレートが、表3 ではあまり変わっていないのに、図 9 では 15%程度ずれているのは、3 日の間で、放射光ユーザーがアンジュレーターのギャップを変えたことにより、全体のレートが変化したことによるものである。運動量依存性自体は大きな違いはないと言える。

2.502024.02.19 Standard
2024.02.22 opt setting

Rate (kHz)

2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
012345Momentum (GeV)
図 9 運動量依存性
この研究の間でわかったこととして、当たり前ではあるがステージ上の四極電磁石の磁場の強さにより、ビームプロファイルを変えることができるということである。例えば、図 10 に示すような横⾧や比較的縦⾧のビームを作ることが出来る。

図 10 ステージ上の四極電磁石の磁場の強さによるビームプロファイルの違い。左図が QSF を弱めたもの（18A から 10.8A）で右図が QSD を弱めたもの（15.2A から 9.0A）。
最後に進行方向依存性を調べた結果を図 11 に示す。やはり、どこかに焦点があるわけでは無く、水平方向は、下流に行くほど拡がっていき、中心も壁側にずれる。垂直方向は、大きさや中心のずれは大きくない。

図 11 ビーム進行方向依存性。左から 0.75m、1.5m、2.5m、3.5m の地点。
割り当てられたビームタイム外であったが、他のユーザーがいなかったので、最下流に設置されている鉛ガラスの較正を行った。図 12 に鉛ガラスの写真と名称の定義を示す。鉛ガラスを架台から外して、1 個1 個をビーム中心にセットして測定を行った（3 GeV）
。中心に置かれている LG3 の Middle の印加電圧を1300V として、オシロスコープで得られた信号の大きさに他の鉛ガラスの信号の大きさがそろうような印加電圧を決めて、データ取集を行って、信号の大きさを確認した。表 4 左が設定した印加電圧である。表 4右がデータ収集によって得られた信号の大きさである。LG1 Bottom と LG5 Bottom は、PMT の故障により信号が得られなかったものである。LG５の Top と Middle は信号が出るが、表 4 にある電圧以上に印加しても信号が大きくならなかったものである。LG1 の Middle も同様であるが、目標と同じ大きさの信号が得られた。LG2 の Middle は、不手際により正しく測定されなかったと思われ、組み上げたあとで、調整したものである。

5 4 3 2 1TLG3MB

図 12 鉛ガラスの写真と名称の定義

表 4 鉛ガラスの設定電圧とその時の信号の大きさ

表 4 に示された電圧に設定したときに, 運動量 3GeV のビームに対して得られた信号の大きさ（図 13）とビームレートの相対的な違いを示す（図 14）。ここでは、何本の鉛ガラスの信号をアナログ的に足し合わせて、合算信号として扱うかの違いを調べている。ビームは図 11 に示すように下流にいくほど水平に拡がっていくので、水平方向に信号を合算すると大きなメリットがある。ビームレートの測定は、3GeV 付近のみを選んでいる（図 13 で 65mV 以上）。

100000LG3 onlyCounts (100sec)

LG3+2+410000

1000

100020406080100Pulse Height (mV)
図 13 鉛ガラスの足し合わせの違いにより信号の大きさ。

Relative rate

1.30
1.20

Lead GlassP = 3GeV

1.10
1.00
0.90

Configuration
図 14 鉛ガラスの信号の合算に具合によるビームレートの違い最後に Injection veto と 795kHz 周期の電気ノイズにふれておく。図 15 に Injection veto のオシロスコープの写真を示す。黄色は、チェンバーの信号のディスクリアウトであり、緑色が 10 msec の Injection veto の信号で、これでオシロスコープをトリガーしている。左図が Injection veto 無、右図が Injection veto 有である。Injection 時に多くの信号が来ていることがわかり、10 msec 経てば、通常に戻ることがわかる。今期のビームタイム開始前に、795 kHz の電気ノイズの発生源として疑っていたセラミックチェンバーのシールドを強化した（既設のものは物の落下による破損を防ぐもの）。図 16 に効果を示す。一応、8.9mV から6.0mV に低減している。来年度の運転までにさらにシールドを強化して様子をみることとする。

図 15 Injection veto の様子の写真、左図が veto 無、右図が Veto 有

ΔV=8.9mV

ΔV=6.0mV

図 16 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
4 月のテストビーム研究会で発表。
日本物理学会で発表予定。

９．今後の要望

以上