ILCでのビーム収束技術
ダンピングリング・ナノビーム
ILCの推進状況に関する第6回勉強会
2021/12/15（⽔）⾼エネルギー加速器研究機構・加速器研究施設・応⽤超伝導加速器センター
奥⽊ 敏⾏

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LEP ( Large Electron Positron Collider, CERN, Switzerland )世界最⼤エネルギーを達成した電⼦陽電⼦衝突型加速器
運転期間：
最⼤エネルギー：周⻑：

1989-2000年
209 GeV27 km

CERNでは更に⾼いエネルギーの電⼦陽電⼦衝突型加速器FCCee計画（設計最⼤エネルギー350GeV）があるが、周⻑は約100kmに及ぶ。
⇒周⻑が⻑くなる理由はビームを曲げた時に⽣じる放射光による電⼒損失。
（ビームのエネルギーを上げると電⼒損失は⾶躍的に増える）⇒電⼒損失を抑えるためにはビームを曲げなければ良い。
⇒リニアコライダー計画

ILC (International Linear Collider )直線的に加速した電⼦陽電⼦ビームを焦点でぶつける。
ダンピング

リング

電⼦源

ILCでは⽣成したビームは1回しか衝突機会が無いので、衝突点でビームを出来るだけ⼩さく絞ることが重要。

今回の話の主題2••

ビームには沢⼭の粒⼦が詰まっている。その中の粒⼦同⼠をぶつける。
衝突イベントを作り出すためには、粒⼦を出来るだけ同じ場所に集める必要がある。

コントロールが良い⽅が衝突頻度が⾼い。
⇒コントロールが良いということは、加速器ではビームサイズが⼩さいことに相当ビームサイズを⼩さくするために重要なことは？
1. 質の良い（平⾏性の良い）ビームを作る

2. ⾼性能な（収差の少ない）収束レンズを作る

同じレンズを使って、懐中電灯の光とレーザーの光を絞った時、レーザーの⽅が⼩さく絞れる。
⇒レーザーの⽅が質が良い（平⾏性が良い）から。
⇒粒⼦ビームにも質の良し悪しがあり。質は良い⽅が良い。

複数枚のレンズを組み合わせることで、⾊の違いなど性質の違う光が同じ場所に焦点を結ぶようにできる。
⇒粒⼦ビームでも、ビーム内のエネルギーなどの違った粒⼦たちを同じ位置に集められる。
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ILCの衝突点でビームを⼩さく絞る⼯夫
最終収束ビームライン⾼性能な（収差を抑えた）収束レンズでビーム収束をおこなう。

ダンピングリング

ダンピン

グリング

電⼦

源

質の良い（平⾏性の良い）ビームを⽣成

ATF (Accelerator Test Facility, KEK)
KEKにあるATFではILC衝突点でビームを⼩さく絞るための技術の研究をおこなっている。

ATF2ビームライン
2009年から運転開始

ダンピングリング1997年から運転開始

1) 質の良い（平⾏性の良い）ビームの⽣成⇒ダンピングリング
2) ⾼性能な（収差を抑えた）収束レンズの研究⇒ ATF2ビームライン
これらはILCでビームを⼩さく絞るための主要技術になっている。
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ATFでのダンピングリングの研究
ATFダンピングリングはILCの前⾝となるJLC(Japan Linear Collider)計画で要求される平⾏性（加速器⽤語ではエミッタンス）のビームを⽣成するための試験加速器として1997年より稼働した。
•当時はリニアコライダーに要求されるエミッタンスのビームは世界に存在しなかった。

•ATFダンピングリングでは、JLC（当時）に必要なエミッタンスのビームの⽣成に成功した。

•ATFで⽣成したビームの規格化エミッタンスは現在のILCの要求も満たしている。

ATFで達成したビームのエミッタンス
垂直⽅向

⽔平⽅向
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2004年
ITRP(International TechnologyRecommendation Panel)
JLC

GLC

⽇本
NLC

ILC計画 (International Linear Collider)• 超伝導技術を使う。
• 世界中のリニアコライダーに興味のある研究者が共同で設計

アメリカ
SBLC
ILC計画発⾜にあたって⽇本(主にKEK)がしたこと。

ドイツ
TESLA
STF (Superconducting RF test facility)1）超伝導加速器技術の国内拠点の整備• STF (超伝導加速器技術)• CFF (超伝導空洞作成技術)
詳しくは本年8⽉25⽇の第3回勉強会・⼭本(康)⽒の資料参照
https://linearcollider.org/ilc-webinar/
2）ATFの低エミッタンスビームを使ったILC焦点でビーム収束の研究• 国際協⼒によるATF2ビームラインの作成

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ATF2ビームラインの設計
国際協⼒の下、ILCの最終収束ビームラインのプロトタイプとしてのATF2ビームラインをつくる。
• ATF2ビームラインのビーム光学系はILCの最終収束系と同じ設計になっている。
• ATF2ビームラインのビーム調整の難しさもILCと同等になるように設計されている。
ATF2ビームラインにATFダンピングリングで作られる低エミッタンスビームを通すことで、ILC衝突点でビームを絞るために必要な各種技術の研究をおこなう。
ATF2ビームラインは、設計、製作、運転は全て国際協⼒の下おこなわれた（ILCの国際協⼒の雛型）。

ATF2ビームライン

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ATFでの国際協⼒
ATF2ビームライン製作時の国際協⼒

電磁⽯設計：SLAC (⽶国)
電磁⽯製作：IHEP (中国)
電磁⽯試験：KEK@IPEP

ATFでの博⼠号取得

電磁⽯ムーバー：SLAC（⽶国） BPMプロトタイプ作成：KEK
BPM実機製作：PAL（韓国）BPM読み出し回路：SLAC（⽶国）
BPMソフトウェア：RHUL (英国)•

⼀つの電磁⽯のシステムをとっても、多くの国の研究機関の協⼒で出来ている。

•ATFでは将来のILCのための国内外の若⼿の育成も積極的におこなっている。

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ATF2ビームラインでの極⼩ビーム⽣成•ATF2仮想衝突点ではビームを41nm（設計値37nm）まで絞ることに成功している。

•ATF2での設計ビームサイズの難易度はILCでの設計ビームサイズ(7nm)と同等の難しさになっている。

ATF2ビームライン

最⼩ビームサイズ
44 nm
at N=0.5e9( ICHEP2014 )ビームサイズモニター
東⼤とKEKで共同開発

43 nm
at N=1.0e9

41 nm
at N=0.7e9( with FONT )2014/06 ; 44 nm at N=0.5e9
2016/02; 43 nm at N=1.0e9
2016/03; 41 nm at N=0.7e9 with FONT

41.1 nmpresented by Y. Kano and T. Okugi
at ECFA LC workshop 2016.

9まとめ• ⾼いエネルギーのビームを曲げるとき、⼤電⼒の放射光が発⽣するため、円形加速器で⾼いエネルギーを⽬指す時は緩やかに曲げることになり周⻑が⾮常に⻑くなる。その為、⾼いエネルギーでの衝突実験を⽬指す場合、リニアコライダーへの期待が⼤きい。
• ⼀⽅で、リニアコライダーではビームが衝突点で交差する機会は1度しかないので、衝突点で出来るだけビームを⼩さく絞ることは必須の技術になる。
• 衝突点でビームを絞るためには、ビームの質（平⾏性）を良くすることと、最終レンズの性能を良くする（収差を低減する）ことが必須で、そのためにILCではダンピングリングと最終収束ビームラインを使い、衝突点でビームを⼩さく絞ることにしている。
• KEKのATFでは、ILCのダンピングリングと最終収束ビームラインの技術開発のための試験加速器を作成して、これらの技術開発をおこない、ILCに必要な性能を満たすことが⽰せた。
• ATF2ビームラインは、国際協⼒の下、設計、製作、運転をおこなっており、ILCでの国際協⼒の雛型としての役割も果たしている。

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