Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 FRP07

J-PARC/MUSE 透過型ミュオン顕微鏡における超低速ミュオンのビームプロファイル測定
BEAM PROFILE MEASUREMENT OF THE ULTRA-SLOW MUONFOR THE TRANSMISSION MUON MICROSCOPE AT J-PARC/MUSE
中沢雄河 ∗,A) , 足立泰平 A) , 大西純一 A) , 安達利一 B) , 池戸豊 B) , 大石裕 B) ,下村浩一郎 B) , Strasser PatrickB) , 神田聡太郎 B) , 後藤彰 B) , 手島菜月 B) , 永谷幸則 B) ,三宅康博 B) , 山崎高幸 B) , 湯浅貴裕 B) , 梅澤卓矢 C) , 梅田幸佑 C) , 中村真毅 C) ,Yuga Nakazawa ∗,A) , Taihei Adachi A) , Jun-ichi Ohnishi A) , Toshikazu Adachi B) , Yutaka Ikedo B) , Yu Oishi B) ,Koichiro Shimomura B) , Patrick Strasser B) , Sohtaro Kanda B) , Akira Goto B) , Natsuki Teshima B) ,Yukinori Nagatani B) , Yasuhiro Miyake B) , Takayuki Yamazaki B) , Takahiro Yuasa B) , Takuya Umezawa C) ,Kosuke Umeda C) , Shinki Nakamura C)A)RIKEN Nishina Center, B) KEK, C) Ibaraki University

Abstract
We conducted a profile measurement of the ultra-slow muon beam for transmission muon microscopy at the J-PARC
MUSE (Muon Science Establishment). The ultra-slow muons are generated by a laser ionization of thermal muonium emitted
from a high-temperature tungsten target and are then electrostatically accelerated to an energy of 30 keV and transported to themuon cyclotron. The transverse beam profiles were measured at a transport beamline, confirming that the measurements wereconsistent with the result of the Monte-Carlo simulations. In this paper, the simulation and profile measurement results of theultra-low muon beamline are reported.
Table 1: Main Parameters of the Muon Cyclotron

1.

はじめに

ミュオンは電子の約 200 倍の大きい質量を持ち、高エネルギーでの物質中での相互作用が陽子や電子に比べて小さいため、物質に対して優れた透過能を持つ。J-PARC 物質生命科学実験施設 MUSE (Muon ScienceEstablishment) では、ミュオンの透過能を活かした新しい量子イメージングとしての透過型ミュオン顕微鏡の開発 [1] を推進している。透過能の高いミュオンで、空間的・エネルギー的に非常に先鋭化された高輝度ビームを実現することで、高分解能かつ高透過能な革新的なイメージングが可能になる。これにより従来のイメージングでは到達できなかった、観測可能厚みが数100 µm オーダーでの透過観測、例えばシナプスから神経細胞までの統合的な細胞活動の 3 次元投影などが可能になる。
観測厚みは、ミュオンビームのエネルギーに依存し、イメージングの分解能はミュオンビームのエミッタン
ス及びエネルギー幅に依存する。例えば、観測可能厚みが数 100 µm オーダーでの透過観測には、エネルギー40MeV、エミッタンス 1 π mm mrad 程度のミュオンビームが要求される [2]。そこで、J-PARC MUSE では、レーザーイオン化によるミュオンの冷却技術と再加速で生成される低エミッタンスなミュオンビームを用いることで、透過型ミュオン顕微鏡の実現を目指している。
現在、透過型ミュオン顕微鏡の原理実証としての試作機開発が J-PARC MUSE U-line で進められている。本
実験では、U-line で生成される室温程度まで減速された超低速ミュオン (Ultra slow muon: USM) を、フラットトップ RF 空洞を備えた小型 AVF サイクロトロンに∗ yuga.nakazawa@riken.jp

Beam speciesµ+Repetition rate

25 Hz

Operating frequency

108 MHz

Acceleration harmonics

2

Average magnetic field

0 .4 T

Extraction radius

0.26 mInjection: energy

30 keV

Injection: transverse emittance (rms)

1 π mm mrad

Extraction: energy

5.2 MeV

よって、5 MeV まで加速する。これにより、観測可能厚みが ∼ 4µm での物質の透過観測 [2] が可能になる。
Table 1 に AVF サイクロトロンの仕様と要求条件を示す。このサイクロトロンは、住友重機械工業 (株) 製のHM10 型サイクロトロンをミュオン用に改造したものであり、設計及び製作、低電力、大電力試験が既に完了している [3–7]。一方で、サイクロトロン出射後のエミッタンス及びエネルギー分散は、入射ビームのエミッタンスや位相空間分布に敏感に依存する [4] ため、ビームコミッショニングとしての、精度良いビーム診断と調整が要求される。
そこで本研究では、サイクロトロンへ入射する USMビームの位相空間分布測定の事前試験として、USMビームプロファイル (x-y 断面) 測定を実施した。Sec.2 では、実験のセットアップとして、USM ビームラインとプロファイルモニターを紹介する。次に、測定結果との比較検証のためのモンテカルロシミュレーションをSec.3 で示す。Sec.4 では、プロファイルの測定結果を- 835 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Muonium production target (W)Soa lens
Electric quadrupole (EQ[F])

x

F1

s

Magnetic bend (MB)surface µ beamfrom super-omega

F5

AVF cyclotron
for muon microscopy

EQ[D]355 nmLyman α laser

EQ[F]

F2

EQ[D]
EQ[F]
EQ[D]

F4

Electric bend (EB1)EB3

MCP-DLD

F3Delay line anodeTDCF3’EQ[F]
EQ[D]
EB2 (80 deg)

Δtx1µ+e-x2

y1

EQ[D]
EQ[F]

y2

MCP-DLD
EQ[F]
EQ[D]Electric deflector (10 deg)

Micro-channel plate(µSR spectroscopy)

MCP-DLD

Figure 1: Experimental setup at the J-PARC MUSE U-line. The USM beam profile is measured using an MCP-DLD installedat F3; the diameter of the MCP is 40 mm and position detection is performed by the DLD.

示し、Sec.5 で今後の展望について述べる。に設けている。ただし、F1 及び F2 地点では崩壊陽電子などの背景事象が多いため、ビーム診断は主に F3 及び F3’ で行う。位置検出器としてのプロファイルモニ
2 . 実験セットアップ
ターには、ディレイラインアノード付き Micro-channel
実験セットアップを Fig. 1 に示す。表面ミュオンは、 plate (MCP-DLD) (Roentdek 社製 DLD40 [12]）を用いる。
3GeV 陽子ビームを炭素標的に入射することにより生 DLD は 2 層のコイル状のアノード電線が、互いに直交成され、バンチ幅 100 ns、間隔 600 ns、繰り返し周波数 に積層された構造であり、それぞれの電線が x 及び y25 Hz のダブルパルス構造を持つ。生成された表面ミュ 座標の検出を行う。MCP で増幅された 2 次電子が電線オンは、大口径の超伝導ソレノイドを有するビームラ に衝突すると、その地点を起点にして、両端に２つのパイン (Super-omega) [8] によって捕獲・輸送することで、 ルス信号が伝播し、それらの時間差を測定することで、大きな立体角で高強度のミュオンを引き出すことを可 衝突位置を同定する。データ取得にはタイムスタンプ能にしている。
が 1 ns の Time-to-Digiral Converter (TDC) [13] を用いた。
まず、表面ミュオンビームはパルス DC 電流で 2000 K
サイクロトロン入射のビームコミッショニングには、まで加熱されたタングステン (W) 標的で熱エネルギー F5 地点でのプロファイル測定が必要となるが、本研究程度まで減速され、電子を捕獲しミュオニウムとなり ではビーム測定システムの検証とシミュレーションの真空中へ放出される。次に、放出されたミュオニウムか 健全性の確認のため、F3 地点での測定を実施した。
ら電子を解離するために、基底状態 1S 状態のミュオニウムを 1S –2P のエネルギー差に相当する 122.09 nm の3 . シミュレーション
Lyman–α 光で 2P 状態に励起し、2P 状態から、355 nmのイオン化レーザー光でイオン化する。レーザービー
輸送ビームラインの光学パラメータ及びビームプロ
ムの全幅は垂直方向に約 9 mm、水平方向に約 2 mm で ファイルを推定するために、Geant4 ベースのコードであり [9]、Lyman–α 光と 355 nm 光は、ほぼ平行かつ同 ある musrSim [14] によるモンテカルロシミュレーショ期してミュオニウムに照射される。
ンを行った。OPERA-3D (TOSCA) の有限要素法を用いイオン化された超低速ミュオンは、円筒形電極で構 て、Soa lens の静電場及び輸送ビームライン上のすべて成される Soa lens [10] によって 30 keV まで静電加速及 の電場及び磁場マップを計算し [15]、これらの電磁場び収束される。30 keV で取り出されたビームはその後、 マップを musrSim コードに実装した。
一連の電気四重極、静電偏向、偏向電磁石から構成されシミュレーションにおける USM 初期ビームは、真空る輸送ビームラインによって、2 つの実験エリア U1A 中に放出されたミュオニウムと Lyman–α 光と 355 nm（超低速ミュオン µSR [11]）と U1B（透過型ミュオン顕 光のオーバーラップ体積と同様であると仮定し、ビー微鏡用サイクロトロン）にそれぞれ輸送される。
ム幅 (1σ ) は、x、y 、z 方向にそれぞれ 14 mm、2.1 mm、輸送ビームラインにはマイクロチャンネルプレート 1.0 mm と定義した。USM 初期エネルギーは、2000 K(MCP) をベースとした粒子検出器を 6 箇所 (F1–F5, F3’) での Maxwell-Boltzmann 分布を想定し、0.2 eV と定義し- 836 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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20xavg.

y
4000
s [mm]

6900

6950

7000

time spectrum [ns]

6000

7000

8000
time spectrum [ns]Figure 3: A time-of-flight distribution measured with theMCP-DLD at F3. The first two peaks correspond to prompt
positrons from the muon production target.

720200100020003000

64000s [mm]Figure 2: Simulation results of beam tracking from USM generation position to F3. (a) transmission √efficiency without
muon decay loss. (b) beam envelope of 5σ in the x- andy -direction. (c) average energy.

た。また、初期 USM ビームの角度分布は均一で、W 標的の表面に対し垂直であると仮定した。
Figure 2 に USM 生成 (レーザー照射) 地点から F3 地点までの USM の輸送効率、ビームエンベロープ、平均エネルギーのシミュレーション結果を示す。USM は静電加速により 30.2 keV で引き出される。輸送ビームラインの光学系は F3 地点の MCP-DLD の有感領域内(φ 40 mm) に輸送される USM の個数が最大になるように最適化しており、F3 地点までの輸送効率は 97% となる 。ただし、USM 生成地点から F3 地点までの飛行時間の計算値は 640 ns であり、ミュオン崩壊損失を含めた輸送効率は 73% となる。

y [mm]

5403Entries

0200F3EB1 exit

EB1 ent.

MB exit

3000

F2MB ent.

F1

Soa lens exit

laser spot

40

2000

30

prompt e+

05000

1000

401010200Entries /20 ns /sec

30

F3envelope [ 5σ, mm]

Ultra slow muon (USM)

40

4000s [mm]EB1 exit

MB exit

3000

EB1 ent.

2000

F21000

MB ent.

F1

Soa lens exit

laser spot

400[keV]

Entries /20 ns /sec

950Energy

F3EB1 exit

EB1 ent.

F2MB exit

MB ent.

F1100

Soa lens exit

105

laser spotTransmission [%]PASJ2023 FRP07

21− 200020x [mm]Figure 4: Measured USM profile at F3. The aperture of MCPDLD is 40 mm in diameter.
−20

らの影響を考慮した解析は鋭意推進中である。
次に、MCP-DLD から取得した TDC 情報を元に、二次元(x–y ) 分布を再構成した。USM のプロファイルの4 . プロファイル測定結果
事象選別として、MCP-DLD の x 及び y 座標用のアノー
2023 年 6 月に J-PARC MUSE U-line にて、F3 地点に ド電線の全ての信号のコインシデンスを取ることで、おけるビームプロファイルの測定を実施した。まず、生 起点の異なる複数のパルスのペアが同時に伝播するこ成された USM を同定するために、MCP-DLD で time of とで生じる事象 (マルチヒット) を除外した。Figure 4flight (TOF) 分布を測定した。Figure 3 に、F3 地点の TOF に再構成した USM の二次元分布を示す。ここで、円は分布を示す。最初の 2 つのピークは即発陽電子1 であり、 MCP の有感領域 (φ 40 mm) を示している。このプロッ
これは J-PARC MUSE に陽子ビームを供給する RCS 加 トは約 60 秒の測定で取得した約 1100 イベントの結果速器が 2 バンチ運転をしていたことに由来する。次の である。
6950 ns 付近のピークが USM 由来の信号であり、これ
Figure 5 には、Fig. 4 の射影としての x 及び y 方向のは F3 と F3’ の TOF 測定値の差分から USM であること 1 次元分布の測定結果を示す。ガウシアンフィットの結を同定した。USM ビーム強度は、ミュオニウム生成効 果として測定されたビーム幅はそれぞれ σx = 4.8 mm、率や共鳴レーザーなどの条件に敏感に依存する。これ σy = 6.3 mm であった。また、ハッチング線はモンテカ
ルロシミュレーションにて見積もった値を示す。測定
1 陽子がミュオン生成標的に衝突した瞬間に発生し、光速に結果はシミュレーション結果とよく一致しており、シミュレーションと定量的に比較可能な測定データを得近い速度で U ラインを抜けてきた高エネルギーの陽電子- 837 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Measurement

Entries [/0.6 mm]

Entries [/0.6 mm]

Measurement
Simulation (norm.)

500−200x [mm]Simulation (norm.)

50020−200y [mm]20Figure 5: Measured and simulated USM beam profile in the x- and y -direction at F3. The black data indicate the measured
data, and the red solid line is a result of Gaussian fitting. The hatched line indicates the simulation result, and the event numberin the simulation was normalized.

られることが確認できた。

5.

まとめと展望J-PARC MUSE では、透過型ミュオン顕微鏡の開発に向けて、超低速ミュオンビームのコミッショニングを進めている。サイクロトロンへのビーム入射のための事前測定として、MCP-DLD を用いた超低速ミュオンビームのプロファイル測定を実施した。測定された
ビームプロファイルは、モンテカルロシミュレーショ
ンによる結果とよく一致し、シミュレーションの健全性を検証することができた。
今後は、得られたビームプロファイルを用いて、位相空間分布の測定を進める。F3 及びサイクロトロン入射直前の F5 地点でのビームパラメータを取得することで、サイクロトロンへのビーム整合を行う。

謝辞
本研究は、JSPS 科研費 JP17H06126、JP23KJ2176 の助成を受けたものです。

参考文献[1] Y. Miyake et al., “Ultra Slow Muon Project at J-PARCMUSE”, JPS Conf. Proc. 2, 010101 (2014). doi:10.7566/
JPSCP.2.010101[2] 永谷 幸則, 下村 浩一郎, “透過型ミュオン顕微鏡”, 日
本結晶学会誌, 2023, 65 巻, 1 号, p. 33–41, doi.org/10.
5940/jcrsj.65.33[3] J. Ohnishi et al., “ミュオン加速用サイクロトロンの軌道計算”, in Proc. 16th Annual Meeting of Particle Accelerator
Society of Japan (PASJ2019), Kyoto, Japan, Jul.-Aug. 2019,pp. 121–125.
[4] J. Ohnishi et al., “ミュオンサイクロトロンの設計と製作”, in Proc. 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (PASJ2020), Online, Sep. 2020, pp.
669–673.
[5] T. Yamazaki et al., “ミュオンマイクロビーム生成のためのフラットトップ RF 空洞の開発”, in Proc. 17th

Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan(PASJ2020), Online, Sep. 2020, pp. 885–887.
[6] J. Ohnishi et al., “ミュオンサイクロトロンの磁場測定結果の分析”, in Proc. 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (PASJ2021), Online, Aug. 2021,
pp. 845–849.
[7] J. Ohnishi et al., “ミュオンサイクロトロンの開発状況”,in Proc. 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Societyof Japan (PASJ2022), Online, Oct. 2022, pp. 906–910.
[8] P. Strasser et al., “Superconducting curved transportsolenoid with dipole coils for charge selection of the muonbeam”, Nucl. Instr. Meth. B, vol. 317, pp. 361–364, 2013.
doi.org/10.1016/j.nimb.2013.07.046[9] Y. Oishi et al., “Intense Lyman-alpha light source for ultraslow muon generation”, J. Phys.: Conf. Ser., 2462, 012026,
2023. doi:10.1088/1742-6596/2462/1/012026[10] P. Strasser et al., “Design and construction of the ultra-slow
muon beamline at J-PARC/MUSE”, J. Phys.: Conf. Ser.,
551, 012065, 2014.
[11] S. Kanda et al., “The Ultra-Slow Muon beamline at J-PARC:present status and future prospects”, J. Phys.: Conf. Ser.,
2462, 012030, 2023. doi:10.1088/1742-6596/2462/1/012030[12] O. Jagutzki et al., “A broad-application microchannel-plate
detector system for advanced particle or photon detection
tasks: large area imaging, precise multi-hit timing information and high detection rate”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 477 (2002) 244 – 249.
[13] K. M. Kojima et al., “New µSR spectrometer at J-PARC
MUSE based on Kalliope detectors”, J. Phys.: Conf. Ser.,
551, 012063, 2014. doi:10.1088/1742-6596/551/1/012063[14] K. Sedlak et al., “Manual of musrsim.”, http://lmu.web.
psi.ch/simulation/index.html.
[15] A. D. Pant et al., “Characterization and optimization of ultra
slow muon beam at J-PARC/MUSE: A simulation study”,
Nucl. Instr. Meth. A, vol. 929, pp. 129–133, 2019. doi.org/10.1016/j.nima.2019.02.065- 838 -