FROB05

J-PARC muon g-2/EDM実験に向けた3次元らせん入射実証実験○飯沼 裕美（茨大理工），松下 凌大（東大理），大澤 哲，中山 久義(KEK)、小川 真治（九大）、小田 航大（茨大理工），齊藤 直人，古川 和朗，三部 勉，Muhammad Abdul Rehman(総研大卒業生)
1. イントロ2. 3次元入射とは
3. 実証実験の目的、今までの成果
J-PARC/MLF
H-Lineに建設予定の実験装置イメージ

2027~

目標：標準模型を超える新物理探索

4. パルスビーム・キッカー装置の準備
5. 蓄積運転開始
6. 今後の予定
3次元螺旋入射実証実験＠つくば

相対論的エネルギーのビームをサブメートル直径のソレノイド磁場中に蓄積する。
1

3次元螺旋入射とは

2

NIM.A 832 (2016) 51-62.
https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.05.126

ソレノイド磁石1個で入射領域と蓄積領域を実現
ソレノイド軸(Y軸)BR
磁石
基準面

F
θ

ビーム

フリンジ磁場利用

 径方向磁場BR
BR がビーム入射角度θを変える

磁石
基準面

ソレノイドコイル

2

3次元螺旋入射とは

3NIM.A 832 (2016) 51-62.
https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.05.126

ソレノイド磁石1個で入射領域と蓄積領域を実現
ソレノイド軸
(Y軸)

BR

θ

ビーム

フリンジ磁場利用

 径方向磁場BR
BR がビーム入射角度θを変える

磁石
基準面

磁石
基準面
ソレノイドコ
イル

F

垂直キック

3

3次元螺旋入射とは

4

NIM.A 832 (2016) 51-62.
https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.05.126

ソレノイド磁石1個で入射領域と蓄積領域を実現
ソレノイド軸
(Y軸)

BR


F
θ

ビーム

フリンジ磁場利用

 径方向磁場BR
BR がビーム入射角度θを変える

磁石
基準面

磁石
基準面ソレノイドコ
イル

垂直キック

径方向フリンジ磁場BRの形状に合ったビーム成形=X-Y結合が必須
ソレノイド軸方向のビーム運動を制御す
る垂直キック（径方向パルス磁場）

蓄積領域内では磁場中のローレンツ力のみでビーム軌道を制御する。磁石基準面と、ビームの軌道平面を一致させる。

4

3次元螺旋入射とは

5

NIM.A 832 (2016) 51-62.
https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.05.126

ソレノイド磁石1個で入射領域と蓄積領域を実現
ソレノイド軸(Y軸)

BR


F
θ

ビームフリンジ磁場利用

 径方向磁場BR
BR がビーム入射角度θを変える

磁石
基準面

磁石
基準面
ソレノイドコイル

垂直キック

径方向フリンジ磁場BRの形状に合ったビーム成形=X-Y結合が必須
ソレノイド軸方向のビーム運動を制御す
る垂直キック（径方向パルス磁場）

蓄積領域内では磁場中のローレンツ力のみでビーム軌道を制御する。磁石基準面と、ビームの軌道平面を一致させる。

5

3次元螺旋入射とは

6NIM.A 832 (2016) 51-62.
https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.05.126

ソレノイド磁石1個で入射領域と蓄積領域を実現
ソレノイド軸(Y軸)

BR


F
θ

ビーム

フリンジ磁場利用

 径方向磁場BR
BR がビーム入射角度θを変える

磁石
基準面

磁石
基準面
ソレノイドコイル

垂直キック

径方向フリンジ磁場BRの形状に合ったビーム成形=X-Y結合が必須
ソレノイド軸方向のビーム運動を制御する垂直キック（径方向パルス磁場）

蓄積領域内では磁場中のローレンツ力のみでビーム軌道を制御する。磁石基準面と、ビームの軌道平面を一致させる。

6

3次元らせん軌道ビーム入射手法の開発
軌道半径33.3cmの世界最小蓄積磁石は、医療用MRIの磁場調整技術を応用し中心磁場3T、調整精度(+/-0.1ppm p-p)を目指す
Z軸回転対称なソレノイド磁場中への3次元らせんビーム入射は、輸送ラインでの強いX-Y結合ビームの調整が肝。オリジナ
ルアイデアで、加速器技術として前例がない挑戦。

2022年度より、垂直キッカーを使って、ビームを蓄積できるのか、原理実証の最終段階

蓄積層上部から広角カメラで撮影

電子銃
DC 100kV
原理実証実験：電子ビームを用いた1/3ス
ケールテストスタンド@KEKつくばで3次元螺旋軌
道入射の実証実験進行中
Electron Gun

Electric
Deflector

2m

Steering Coils

Collimator Quad’s
Steering Coils

Bendingmagnet1

•
••

7

若手B:2011～2013
基盤B:2014～2018
基盤研究Ａ2019～2022
課題番号19H00673

共に弱収束磁場付ソレノイド磁石だが、性能は異なる
中心磁場 3T
均一度<+/-0.1ppm

弱収束磁場も精密制御

中心磁場

磁場
保証
領域

81gauss, 可変の弱収束磁場、均一度は悪い。
径方向1mmズレると、±1%の磁場変動

径方向±7mmの差径方向±7mmの差

飯沼ポスターTUP036

蓄積領域150nsc<t<600nsec
でベータトロン振動を評価

1E-6sec

単粒子トラッキング
ベータトロン周期は振幅に依存する。

80%

振幅0.1m以内な
らベータトロン
周期は安定
振幅

振幅 1cm, 2cm 4cm 6cm, 8cm

8新しいビーム入射手法の実証を行うビームライン建設＠KEKつくば入射器棟

2014年Oct.

電子銃を拝借する。

2014Oct.

9
新規製作のソレノイド磁石をインストール

2015Apr.

2015年4月

科研費＋KEKのサポート
基盤研究B:2014～2018,基盤研究Ａ2019～2022新しいビーム入射手法の実証を行うビームライン建設＠KEKつくば入射器棟

10
新規製作のソレノイド磁石をインストール

ソレノイド型蓄積磁石(82.5 gauss)
電子銃(DC beam, 80 keV)

2014年Oct.

電子銃を拝借する。

DCビームチョッパー

2015Apr.

2014Oct.
X-Y結合調整用
回転4極磁石x3偏向磁石

ビーム診断装置2015年4月

科研費＋KEKのサポート
基盤研究B:2014～2018,基盤研究Ａ2019～2022新しいビーム入射手法の実証を行うビームライン建設＠KEKつくば入射器棟

2014年Oct.

電子銃を拝借する。

11
新規製作のソレノイド磁石をインストール

蓄積磁石内側のチェンバ内の様子
2014Oct.

2015Apr.

毎月3~4回KEKつくばに通い、 KEKスタッフと連携して研究に取り組む

2015年4月• テスト実験の最終目的：ビーム蓄積試験進行中  本講演で進捗報告 科研費＋KEKのサポート
基盤研究B:2014～2018,基盤研究Ａ2019～2022• 3次元らせん軌道入射の実証を完了し、本番実験へ。

12

3次元螺旋入射実証実験：KEKつくば構内にテストビームライン

2011年 キッカー装置試作2014年 電子銃を用いた実証ビームライン
建設開始
2016年 ビーム運転開始(DCビーム）
2019年 X-Y結合制御（平山）
ワイヤースキャナー開発(Rehman)
マイルストーン1:
3次元軌道の可視化・X-Y結合制御
DCビームの画像取得時間を300秒
10秒に改善！
学位取得者
2020年度 総研大 博士
2021年度 茨大 修士1名
2021年度 東大学際理学修士1名

2020年

キッカーコイル・電源準備
DCビームをパルス化(松下）
現在
2021年 パルスビーム検出器開発（松下）
博士1名、修士3名、ポスドク1名 2022年 キッカー装置設置、蓄積運転開始
シニアスタッフ 3名＋飯沼

蓄積に向けた準備-1: パルスビーム切り出し

13

東大・松下

チョッパー装置により、ビーム軌道が変わるかど
うか、窒素ガス電離発行を利用した3次元軌道の画像確認に加え、ワイヤースキャナーで確認

準備-2:キッカーコイル設置

東大・松下、
茨大・小田14

 2022年3月末、蓄積槽内部に、キッカーコイルを設置
 キッカーコイルには、ビームがぶつかりチャージアップ対策のため導電性塗料を塗布

フィードスルー接続用の端子

入射口

蓄積槽内部（上から撮影）2022/10/19

東大・松下、
15
茨大・小田 蓄積チェンバーの蓋を閉じた後、上から撮影した
俯瞰図 キッカーに流す電流波形は、ロゴスキーコイルで測定
 印加したHV：5kV
 電圧 --> 電流への変換：50mV = 1A

準備3: キッカーコイルを電流源に接続
キッカーパルス電源

マッチング素子
ロゴスキー
コイル

コイルに電流を流すた
めのフィードスルー

2022/10/19

拡大フィードスルー部分拡大
スライド

15/n

東大・松下、
16
茨大・小田 蓄積チェンバーの蓋を閉じた後、上から撮影した
俯瞰図 キッカーに流す電流波形は、ロゴスキーコイルで測定
 印加したHV：5kV
 電圧 --> 電流への変換：50mV = 1A

準備3: キッカーコイルを電流源に接続
キッカーパルス電源

マッチング素子
ロゴスキー
コイル

コイルに電流を流すた
めのフィードスルー

2022/10/19

拡大フィードスルー部分拡大
スライド

16/n

東大・松下、
17
茨大・小田 蓄積チェンバーの蓋を閉じた後、上から撮影した
俯瞰図 キッカーに流す電流波形は、ロゴスキーコイルで測定
 印加したHV：5kV
 電圧 --> 電流への変換：50mV = 1A準備3: キッカーコイルを電流源に接続
キッカーパルス電源

マッチング素子
ロゴスキー
コイル

コイルに電流を流すた
めのフィードスルー

2022/10/19

拡大フィードスルー部分拡大
スライド17/n

キッカー装置の比較：共に時間幅120nsecのパルス電流で垂直 18キックを与えるが、電流値・電源電圧がかなり異なる。
コイル印可電流
900A
L~1.1μH/coil

コイル印可電流40~50A
L~0.2μH上下[A]

Pitch角
Z方向に振動しつつ蓄積[sec]

飯沼ポスター
TUP036

キック期間

Z軌道100nsec入射パルス

300nsパルス

蓄積ビーム信号（約500nsec)

蓄
積
磁石、
蓄
積
槽
断面
図

上モニター

Arbitral unit

Very preliminary
蓄積ビームをSciFiを用いて検出。入射パルス100nsec（青色）に対し、約500nsecほど蓄積槽内部に留まる。
蓄積できなかったビームが蓄積槽下面に設置したロスモニターで検出
120nsec
下モニター

キッカー19準備4: 蓄積槽内のモニター
Sci-Fiプローブ

蓄積磁石内部の検出器(横から見た図)

東大・松下

20

 ビーム調整、蓄積に成功/失敗したビームを検出するための、3種類の検出器
 Sci-Fiプローブ : 蓄積ビーム用
 Sci-Fiスキャナー : ビーム調整用
 下部ロスモニター : 反射したビーム用
 シンチファイバー(Sci-Fi)を使用
 光信号をPMTで電気信号に変換し、オシロで読み出し
Sci-Fiスキャナー

17 cm

下部ロスモニター

Sci-Fi
Sci-Fi
3 cm

30 mm

入射口

Z=0面

21
上へ抜ける

跳ね返る

SciFiプローブ z=-10mm, z=10mm

22

SciFiプローブ z=-20mm, z=20mm

23蓄積可能な下限(z=-80mm,45度)に信号が多い?

24蓄積可能な下限(z=-80mm,45度)に信号が多い?

25

蓄積可能な下限(z=-80mm,45度)に信号が多い?

単粒子軌道

単粒子軌道

26モニターの情報が足りない！

27

推しポイント
細線シンチファイバーでビームへの影響を最小化
複数本で縦方向の分布を同時測定より広いR方向の測定範囲( = ファイバー縦方向はビームに当たらないようにして、縦横の情報の切り分け)
上下方向スキャン

細線シンチファイバー

光信号読み出し

九大・小川

28

まとめ
 3次元螺旋軌道ビーム入射の実証実験を2014年より進めている。
80keV電子ビームを1mほど輸送し、ソレノイド磁石内、半径12cm軌道に蓄積する。
 マイルストーン1：OK
X-Y結合制御シナリオ、蓄積軌跡の可視化 DCビームのパルス化、キッカー装置のインストールを行った。
 マイルストーン２：進捗報告
垂直キッカーと弱収束磁場を組み合わせた蓄積ビーム由来の信号を検出した。
 ビームモニターの情報を増やし、詳細検討を今後も続ける。

本番実験に向けて 弱収束磁場の分布、ソレノイド磁場の分布が本番磁石と比べて均一度が悪いため、ベータトロン振動周期が振幅依存性を持つ軌道の理解が複雑。
 キッカーの時間幅・キッカーコイルの配置を変更できないが、弱収束磁場の強さは変えられるので、モニター性能向上と同時に、パラメータスタディを行う。
 キッカースタートタイミングと、ビーム入射角度の最適化は、本番実験の試運転でも必須項目なので、十分なスタディを行いたい。