こ単結晶標的を利用した陽電子生成実験•

諏訪田 剛 (tsuyoshi.suwada@kek.jp)
加速器研究施設, KEK••••

こCollaboration
佐藤政則、古川和朗、杉村高志、紙谷琢哉、
吉田勝英、
加速器研究施設, KEK
奥野英城、
素粒子原子核研究所, KEK
梅森健成、
物質構造科学研究所, KEK
原順一、藤本紘行、浜津良輔、
東京都立大学理学研究科
A.P.Potylitsin, I.E.Vnukov, I.S.Tropin
NPI, Tomsk Polytechnic University
R.Chehab,
LAL, IN2P3-CNRS, Universite de Paris-Sud
2004春季日本物理学会@九州大学, 2730/Mar,2004

Motivation
 次世代Ｂファクトリー、リニアコライダー
における大強度陽電子源への応用可能性を探る
 特に、重金属標的（非晶質）の熱負荷による損傷が回避できる陽電子源が要求される

 単結晶標的を利用した新しい陽電子生成

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Introduction
 単結晶標的を利用した新しい陽電子生成法の提唱(R. Chehab, et al., PAC’89, Chicago, IL, USA,Mar. 1989, p.283)
 タングステン結晶標的を利用した陽電子生
成の原理実証実験@旧核研ES(1.2GeV電子)(K. Yoshida, et al., Phys. Rev. Lett. 80, 1437,1998)2004春季日本物理学会@九州大学, 2730/Mar,2004

Channeling Radiation & Coherent
Bremsstrahlung Processes
2GeV eCrystal W
Amorphous W

20GeV eCrystal W
Amorphous W

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New Positron Production Schemes

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Crystal Targets

CrystalElem.

Denom.

Thickness

X0[mm]

標的構造(b)標的構造(a)DiamondC

5mmDia4.570.0372

Silicon

Si10mmSi

9.90.1058

Silicon

Si30mmSi

29.90.319

Silicon

Si50mmSi

48.150.514

Tungsten

Wc

2.2mmWc

2.20.629

Tungsten

Wc

5.3mmWc

5.31.51

Tungsten

Wc

9mmWc

9.02.57

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Experimental Setup

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Acceptance of the Positron Spectrometer

15Acceptance (ΔPΔΩ)  幾何学的運動量アクセプタンスのGEANT3による評価(10-4 x (MeV/c)•sr)
 運動量アクセプタンス
1.08 ± 0.03
ΔP/P=2.4% (FWHM)
2.47 ± 0.07
幾何学的アクセプタンス
ΔΩ=1msr at Pe+=20MeV/c.
3.80 ± 0.1

204.81 ± 0.12

Pe+(MeV/c)510

 次世代リニアコライアー陽電子アクセプタンスの３％に対応

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Experimental Condition/Electron Beam
Electron Beam:• Beam Energy 8 GeV• Angular Spread ~22 µrad (H), ~44 µrad (V)• Transverse Beam Size ~0.8mm (FWHM) in diameter• Beam Charge 0.1 nC/bunch• Bunch Length (Single Bunch) ~9 ps (FWHM)• Beam Repetition 25Hz
Angular Spread of the Electron Beam at the Positron Target• Φ ~ 55 µrad < Φc (Φ : beam divergence & multiple scattering at abeam window(30µm-thick SUS))
Critical Angle for the Channeling Condition at the Positron Target
Linhard Crytical Angles (Φc =(2U/E)1/2 , U:Potential depth ofatomic field)• Φc ~ 170µrad @8 GeV for Silicon Crystal• Φc ~ 130µrad @8 GeV for Diamond Crystal
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Experimental Results:
2-Dimensional Axis Scan for 30-mm thick Si
Crystal at Ee-=8 GeV (Pe+=20MeV/c)

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Experimental Results:
Rocking Curves (Axis <110>) for 5mm-thick
Diamond and 30mm-thick Si Crystals at Ee-=8GeV (Pe+=20MeV/c)
5mm-Diamond alone

30mm-Silicon alone

width σ=0.7mrad

width σ=1mrad

on-axisoff-axis

on-axisoff-axis

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Experimental Results:
Variations in the enhancement (Ne+@peak/Ne+@base)& Momentum dependence of the e+ yield at Ee-=8GeV (Pe+=20MeV/c)

Bethe-Heitler

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Experimental Results:
Variations of the e+ production yield for the onaxis crystal targets at Ee-=8 GeV (Pe+=20MeV/c)

Silicon
Crystal W

DiamondAmorphous W

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Conclusions


まとめ




KEK-8GeV電子陽電子入射器において、系統的な結晶標的による陽電子生成データを取得した
標的厚が薄いときは、結晶効果により高い陽電子増大度を示すが、結晶厚が厚くなると増大度は急速に減少する
軽元素結晶標的（Diamond, Silicon）による陽電子生成が最大となる最適標的厚での生成効率は、非晶質標的と同程度になるが（Diamond/Silicon/Tungsten標的:3/6/26%増）、結晶効果による有効放射長の短縮を確認した（非晶質タングステンに対しDiamond/Silicon/Tungsten標的:0.7/0.8/0.5培）
Dia mo nd標 的の単位 放射長 当たりの 陽電子 生成効率 は、Silicon標的に比べ20%程度高い

今後の方針



厚いダイヤモンド標的（10mm以上）による陽電子生成実験
シミュレーションによるチャネリング／干渉性制動放射の放射素過程の理解
チャネリング放射光の系統的な測定（角度分布、エネルギ-分布）
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Future Plan
 原理実証実験(吉田等) 系統的な実験データの蓄積（標的の種類、標的厚さ、標的スキーム、etc.）
 大強度陽電子源（生成標的、収集部、加速部を含む）設計のための信頼性の高いシミュレーション
コードの開発（現在進行中）
 シミュレーションによる陽電子源の最適化⇒ 実用可能性の判断
 実用化に向けた開発（高品質結晶の製作、標的の冷却構造、標的の放射線損傷、熱負荷の問題）⇒ 実用化に向けた実験的検証

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Experimental Results:
2-Dimensional Axis Scan for 5mm-thick Diamond
Crystal at Ee-=8 GeV (Pe+=20MeV/c)

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Experimental Results:
Variations in the width of the rocking-curve peakfor Ee-=8 GeV (Pe+=20MeV/c)

En=Ne+(on-axis)/Ne+(off-axis)

Φc(critical angle)

Bethe-Heitler

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Linac Beam Line at the 3rd switch yard

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Experimental Setup (cont’d):Photo pictureof a crystal target on a goniometer

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Experimental Setup (cont’d):Photo pictureof crystal & amorphous targets

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Experimental Setup (cont’d):Positronspectrometer

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