1241■ 研究紹介Belle II CDC
KEK 素粒子原子核研究所

谷口 七重nanae@post.kek.jp
2014 年 (平成 26 年) 2 月 20 日

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はじめに2014 年 1 月 14 日に Belle II 中央飛跡検出器 (CDC) のワイヤー張りに一区切りがついた。まだまだ多くの仕事が残っていることは言うまでもないが，一つの大きなマイルストーンを迎え，ここまでの CDC 建設を振り返ってみる。

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Belle II 飛跡検出器

Belle II 実験における飛跡検出器の役割は，荷電粒子の運動量測定，トリガー信号を出すこと，および崩壊点の位置決定や中性粒子との分離のためにトラックの情報

図 1: CDC の半断面図。実線と点線は，それぞれ z 軸に平行なワイヤーとステレオワイヤーを示す。最内層の 8
本 (ピンク) はスモールセル部分。

を得ることである。またエネルギー損失から，低い運動量領域での粒子識別の情報を提供する。KEKB 加速器のエレクトロニクスハットまでの信号線の本数を抑えていSuperKEKB 加速器へのアップグレートによるルミノシティ向上に伴い検出器バックグラウンドも大幅に増えるる。KEK エレクトロニクスグループの全面的な協力をためレート耐性も要求される。ルミノシティに比例してプの製作と 3 度のビームテストなどを経て，2014 年か増える物理プロセスはもちろん，ビームサイズを絞るこら実機の大量生産にこぎつけた。各種パーツおよび基板とやビーム電流の増加によってビーム起因のバックグラの放射線耐性試験や磁場中での動作試験もクリアしていウンドが激増する。Belle II 実験では飛跡検出器としてる。図 1 に CDC の半断面図を示す。CDC は円筒形をヘリウムベースのガスを用いたドリフトチェンバーを選しており，円筒の中心軸方向にワイヤーが張られる。円択した。クエンチャーガスはエタンを用い，信号読み出筒の前後に蓋のようにある円板がエンドプレートで，ワしのためのセンスワイヤーと電場形成のためのフィールイヤーの両端が固定される。エンドプレートは，スモー

ドワイヤーには，それぞれ直径 30µm の金メッキタング

ル，コニカル，メインの 3 つの部分からなる。メイン部

ステンと直径 126µm のアルミニウムを使用する。これ分は比較的平坦で，スモールとコニカルは 17 度から 150

らは Belle CDC [1] を踏襲したものであるが，主な荷電度の角度をもつ円錐の形状をしている。スモールはコニ得て開発を行ってきた。4 つのバージョンのプロトタイ

粒子の運動量が 1GeV/c 以下であることを考慮すると，カルおよびノーマルとセルのサイズが異なる。図 2 は上述した全ての条件を満たす検出器としてこれ以上の解

Belle と Belle II の CDC のセンスワイヤーの配置を比はない。

較したもので，レバーアームが長くなり，またレイヤー増大するバックグラウンドレートに対抗するために信数が増えたことも分かる。Belle II 検出器の構造からの号読み出しのエレクトロニクスも刷新する。きちんと書要請で Belle CDC と比べると内半径および外半径がとくと長くなるので簡単に述べる。高速のプリアンプ · 波もに大きくなった。レバーアームが長くなったため運動形整形の直後にデジタル化した信号をパイプラインで読量分解能の向上が見込める。チェンバーの内筒および外み出すことで不感時間を短縮している。エレクトロニク

筒には，それぞれ 0.5mm 厚と 5mm 厚の CFRP を用いスをエンドプレートのすぐ後ろに配置し検出器内部からるなど徹底した軽量化を行っている。ワイヤーを固定す2242

るエンドプレートには 10mm 厚のアルミニウムを使用する。Belle では粒子がエンドプレートを通過する際にpath length が角度依存性を持たないような形状をとっていたが，Belle II ではたわみがより小さくなる形状を選んだ。エンドプレートに CFRP を使うことも検討したが，長期間張力がかかることで繊維の切断箇所からの内部剥離による破損の可能性があることや，多数の穴加工によるダストの除去が困難で放電の原因になること，穴加工の位置精度を出すことが難しいなどの理由からアルミニウムを採用した。
1200mm

250mm

(a)

250mm

(b)

図 2: センスワイヤーの配置の比較。ドットとオープン
ドットは，それぞれ z 軸に平行なワイヤーとステレオワイヤーを示す。 ((a) Belle CDC, (b) Belle II CDC)

図 3: セル構造の比較。丸と四角はそれぞれ Belle とBelle II を示す。(上 : φ 方向のセルサイズ, 下 : φ 方向のセル数)
張力を決定した。フィールドワイヤーの径を小さくすれば，同じ張力で重力サグを小さくすることができるが，ワイヤー表面が高電場になると絶縁物が付着し放電し

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CDC 設計ワイヤーの本数は，センスワイヤーが 14336 本，フィールドワイヤーが 42240 本あり，ワイヤーの張力を決める
際は，総張力によるエンドプレートのたわみとワイヤーのたわみ (重力サグ) による位置分解能への影響を考慮した。ワイヤーは重力によってたわむので，ワイヤーの半径方向の位置は，z 軸方向依存性をもつ。重力サグを小さくするには張力を大きくすればいいが，そうすると総張力が大きくなり，エンドプレートが大きく変形したり，構造体が耐えられる限界を超えてしまう。センスワ
イヤーとフィールドワイヤーで重力サグの量を同じにすやすくなるため (Malter eﬀect [2]) 細いワイヤーは用いなかった。図 3 は Belle と Belle II で，CDC の φ 方向のセルサイズとセル数を半径毎に比較したものである。

φ 方向のセルの分割を細かくすることで，空間的に細分化されるだけでなく最大ドリフト時間が短くなり，ワイヤーのヒットレートとオキュパンシーを減らすことができる。また，高いヒットーレートが予想される最内層の8 層 (スモールセル部) は φ 方向と半径方向それぞれが外側のノーマルセルの半分程度のサイズとなっている。
図 4 に Belle II CDC のスモールセルとノーマルセルの大きさの比較を示す。セルの形状は Belle と同様の扇形である。

れば，相対的な距離は位置に依存せず位置分解能への影響はない。Belle CDC では，重力サグが同じになるように張力が設定されていたが，そのまま適用するとワイヤーの本数が増えたせいで総張力が 2 倍近くになってしまう。安全のため総張力 4 トン程度を目標にして，数の多いフィールドワイヤーの張力を減らすことにした。
重力サグの影響が最も大きく見られるのは，粒子の入射方向に対して垂直に重力がかかる場合である。その際，センスワイヤーはセルの中心からずれるため電場が変化し，本来の荷電粒子の通過位置とドリフト時間の対応関係からずれが生じ位置分解能が悪化する。重力サグによる位置分解能への影響をシミュレーションによって調べ

図 4: Belle II CDC のスモールセルとノーマルセルの大きさの比較。

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ところで，半径方向のセルサイズはコニカルの最内層エンドプレートの加工と並行して CFRP シリンダーからメインの最外層までの距離をレイヤー数で割った数の加工が進められていた。シリンダーのガスボリュームで決まるが，実はエンドプレート上で半径方向のワイ側に 100µm のアルミシートを貼付けた後，アルミのサヤー位置は等間隔になっているわけではない。CDC はポートリングを装着しエンドプレートの取り付けが順調

z 軸と平行な 6 本のセンスワイヤーと，これに対してプに行われた。高萩の工場を訪れ，前後のエンドプレートラスとマイナスの角度を持った 6 本ずつのステレオワの回転や並行を調べる測量を行い大きな問題がないことイヤーが交互に現れる構造となっているので，層の境界を確認した。

ではワイヤー間の距離が z 軸方向の位置依存性を持つ。
ステレオ角が大きいほど z 軸方向の位置分解能が向上するが，ワイヤー間の距離の変化に伴ってゲインが変動し5dE/dx 分解能が悪化するため，ゲイン変動を許容範囲内に保ちつつステレオ角を最適化した。

ワイヤー張り5.1

準備2012 年冬の天気のいい日に，工場から KEK へ CDC

4製作加工
前述したようにエンドプレートはスモール，コニカル，メインの 3 つの部分からなる。スモールとコニカルは，17 度から 150 度の角度をもつ円錐の形状をしている。エンドプレートの加工において穴の位置精度は 50µm 以下が要求されるので，KEK 工作センターの協力を得て加工の手順や工具の選定などを行い，実際にカットピースを製作し穴位置の設計値からのずれやその傾向などを調べた。実機では片面 56576 個の非常に多くの穴が加工される。加工を請け負った工場によると多数の穴をあけることはよくあるが精度を要求されることはまずないそうだ。図 5 は工場で穴加工を終えて仮組みをした前方のエンドプレートの写真である。メイン部の加工を始めた
後，作業中に震災が起こり高萩にある工場はずいぶん揺れたそうだが，大きなダメージはなかったようで加工を続けてくれた。加工中に余震に遭い，片方のメイン部の数層が 100µm 程度ずれ測量でも確認できた。このずれは初期値として考慮しソフトウェア上で補正する。

が輸送され，富士実験棟 B4 のクリーンルーム前に仮置きされた。アルミ 0.5mm 厚の仮のシリンダーを内層にとりつけ，内側の検出器などによる荷重を想定した試験を行った。82kg の重りに対して，荷重のかかる CDC 内側の変形は 200µm 程度であり構造計算の結果とおおむね一致した。
機械加工後に工場にて表面は洗浄されているが，穴には細かいアルミ粉や工作油などの汚れが残っていてワイヤーに付着すると放電の要因になるので出来るだけ取り除かなくてはいけない。実際綿棒でこすってみると黒っぽい汚れが付着していた。穴の一つ一つを綿棒とアルコールで拭き掃除を行った。穴は片面だけで 56576 個あり，エンドプレートの厚みは 10mm あるため，それなりに大変な作業だった。最初用意していた綿棒は直径に対して細いものだったので，直径 3.19mm のマーカーを持って，直径にちょうど合う綿棒を探して色々な店舗を回った。何件目かで見つけた綿棒がぴったり合い作業のスピードは上がったと思う。作業終了後，チェンバーの内側の細かいほこりやごみなどを取り除きクリーンルームへ移動する工程に移った。横おきしてあるチェンバーをクリーンルーム内に運び，サポート構造の中で縦に配置する (図 6)。ベアリングによってチェンバーを容易に周方向に回転することができる。
ワイヤーは最外層から張り始めるのだが，ワイヤーを張っていくにつれ全体の張力が大きくなっていき，エンドプレートがたわんで 2 つのエンドプレート間の距離が短くなるので最初に張ったワイヤーからどんどんゆるんでいってしまう。それを防ぐために，想定される全張力を前もってかけてエンドプレートをたわませておき，ワイヤーが張られるに従って事前にかけた張力をゆるめていく。136 本のステンレスのバーを用いて上下のエンドプレートを固定し，スプリングで順番に締め付けて張力をかけていった。プリストレスバーによって 3.7 トンの

図 5: 前方のエンドプレート。スモール，コニカル，メインの 3 つの部分が組み上げられている。

張力をかけたところ，エンドプレートの変形は上下合わせて 4.5mm となった。つまり上下のエンドプレート間

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ワイヤーの巻かれたボビンは電動の回転軸にとりつけられており，先端に小さな重りをつけて上からたらしていく。導体部分の直径 1.6mm のアルミニウムのピンと絶縁体のノリル樹脂で構成されたフィードスルーに通し，ピンをかしめてワイヤーを固定する。これらの工程を上と下の作業場で息を合わせて行っていく。ワイヤーをかしめる工具はエアカッターを改造したもので，先端のカッターの部分を圧着用の構造に取り替えてある。ガスの圧力を調整することで，ワイヤーを切ることなく常に一定の力でかしめることができる。ワイヤーの固定方法は，おそらくはんだか圧着のどちらかだと考えられる。
はんだを用いる利点は，抜けにくいことや，やり直しが可能である点，圧着の利点は，作業が比較的容易なため
図 6: クリーンルーム内の CDCの距離が 4.5mm 近づいたことになる。構造計算による結果と比べて 20% 大きな変形となったが，これは外側の検出器の要請により後方のエンドプレートの構造を変えたことで平坦な部分が増えたためだと考えられる。ワイヤーをゆるませないためには，4.5mm 変形した状態を保持すればいいので，エンドプレートのたわみは 4 箇所のダイヤルゲージによって常時モニターし，プリストレスバーを取り外す前後で長尺による直接測定も行った。
図 7 はエンドプレートのダイヤルゲージの変化と総張力の推移である。張力の増減に対してエンドプレート間の距離が変化しているのが分かる。およそ一年を通して，エンドプレートのたわみは 0.2mm 程度にコントロール出来ており，これは 5% の張力の変動に相当する。

出来映えの個人差が小さく，一回一回の作業のばらつきも少ないことだと思う。エンドプレートとのコンタクトにおいて，基板などに直接はんだづけする場合はピッチを細かくでき，面に対する設置の位置精度が出せる。一方，フィードスルーを用いる場合は，ワイヤーの位置精度を出すのが難しく，またスペースも限られる。スモー
ルセルでは，スペースの点からフィールドワイヤーにはノリル部分のないアルミピンのみのフィードスルーを用いている。直径 3.19mm の筒状のノリルの中を通るワイヤーの位置を決めているのは，直径 1.6mm の円板の中心に穴が開いたブッシュと呼ばれる部品である。センス
ワイヤーを通すブッシュには直径 80µm，フィールドワイヤーのブッシュには直径 200µm の穴が開いている。
この小さい部品に，さらに小さな穴を精度よく加工するのは技術的に非常に難しく，時計部品の製作のノウハウを持っていた林栄精機だからこそ出来たのだそうだ。

5.2

毎日の作業

ワイヤー張りは林栄精機の方々によって日中行われ，夕方以降は研究者による張力測定がある。張力測定の前に，ワイヤー同士のからみがないか，接着剤が一周にわたってフィードスルーについているか，フィードスルーが奥まで差し込まれているか，ワイヤーが正しくかしめられているかなどを目視によって確認する。磁場中にあるワイヤーに交流電流を流して，ローレンツ力によってワイヤーを振動させ基本振動における共振周波数を求めることで張力を測定する。張力測定は 30 分で 80∼100本程度のペースで行われた。図 8 は一日あたりに張ったワイヤーの本数の推移と，張り終えたワイヤーの総数の推移をプロットしたものである。作業を開始したての頃は一日 100 本が精一杯であったが，慣れてくると 200 本
図 7: 上 : 総張力 (計算値) とたわみの相対値の推移。下: スプリングとワイヤーによる張力の寄与 (計算値) とエンドプレート間の距離の推移。

前後で推移していった。一日の最多本数は 374 本であった。17 度の傾斜があるコニカル部分に入ったあたり (320日頃) から，作業がどんどん難しくなるため進度が多少5245

落ちている。この頃は足場を変更し，ほぼチェンバーの中に入った状態での作業となり，最後の数レイヤーは自分の足元よりも下に手をのばさなくてはならなかった。
並行して行っていたスモールセル部分のワイヤー張りは2013 年の夏頃に終えることができ，仮の外筒を取り付けた後，ガスリークチェックや高圧の印加試験を経てプロトタイプのエレクトロニクスを用いて宇宙線データの取得を続けた。図 9 はワイヤーを張り終えたスモールセル部分の写真である。

5.3

様々な問題

ワイヤー張りは 2012 年 12 月 18 日から始まり 2014
年 1 月 14 日に最後の一本を張り終えた。その期間に起こった色々な問題を紹介したいと思う。ある時期にワイヤー同士がからむことが頻発したことがあった。比較的太いフィールドワイヤーは，残り少なくなってくるとボビンに巻かれる曲率半径が小さくなり，ワイヤーにくせがついてカールしてしまい，上からたらす際に外側に張られたワイヤーとからみやすくなったのだと考えられる。そこでボビンに残るワイヤーの量が少なくなってくると，それ以上は使わず新しい物に取り替えることにした。センスワイヤーでは，ボビンへの巻きが強すぎる箇所でワイヤーがひっかかり，ワイヤー先端の重りが振れることで周囲のワイヤーにからんでいたので，ワイヤーをスムーズに送れるようボビンに巻き直した。外側のワイヤーとからんだ場合，特に φ 方向の分割が同じレイヤー間では目視で確認するのが困難なため張力測定でも見落としていた。実際に，既に張り終わった外側のレイヤー間で導通を調べてみると特定のレイヤー間でからんでいるワイヤーが多く見つかった。この頃から張力測定に加えてレイヤー間での導通チェックを行うことにした。またワイヤー張りが進み，作業するレイヤーが内側に移行していく中でフィードスルーの押し込み不足が起こった。作業するレイヤーが手元から離れていくのでエンドプレートに押し込みにくくなり，1∼2mm の隙間が

図 8: 上 : 一日あたりに張られたワイヤーの本数の推移。
淡いグラフ (水色) と濃いグラフ (橙) はそれぞれフィールドワイヤーとセンスワイヤーを示す。下 : 張り終えたワイヤーの総数の推移。太いバーグラフ (紅) はスモー
ルセル部分のワイヤー張りの進捗を示している。

開いてしまった。最後までこの状態であれば正しい張力でワイヤーは張られているが，後にケーブルを取り付ける際などに，フィードスルーが押し込まれると張力は半分以下かほとんどなくなってしまう。目視でのチェックに加えて，一日張り終えた後にフィードスルーを再度押し込むことになった。内側にワイヤーがあると張り直しが難しいため，その日張られたワイヤーは必ず翌日までに張力測定を行う必要があったのでシフトには毎日 2 名が必要であった。一年間，シフト表を埋めることが小さな悩みの種でもあったが，総作業日数 266 日に対して国内外から 40 数名の研究者が協力してくれた。実際にはもっと多くの人々のサポートがあったことを忘れない。

“Stringers” の皆さんとのチームで無事に 56576 本のワイヤーを張り終えることが出来た。

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図 9: ワイヤーを張り終えたスモールセル部分

現状と今後の展望
ワイヤー張りの最後が見えてきた頃から，センスワイ

ヤーの張力の再測定を並行して行ってきた。2 月中旬に再測定を終え，ワイヤーの張り直しやガスシールの作業も進んでいる。4 月にスモールセル部分を本体 (メインとコニカル) へインストールする予定で，その後もガス6246

リークチェックや 11 万箇所を超えるケーブルの取り付け，高圧試験など地道な作業が続いていく。スモールセ

参考文献

ル部には仮の外筒が取り付けられ，ガスリークチェック[1] S. Uno, Nucl. Instr. Meth. A 379, 421 (1996).の後，高圧試験が続けられている。図 10 は最終版となっ[2] L. Malter, Phys. Rev. 50, 48 (1936).

たエレクトロニクスで取得した宇宙線データである。ドリフト時間の幅は 100nsec 程度で，セルのサイズに対して期待通りの値が得られている。現在は，スモールセル
上半球 8 層のみの読み出しだが，夏以降には全体を筑波実験棟へ移し，大量生産を終えたエレクトロニクスを順次取り付け宇宙線データを取る予定である。56 層のきれいなトラックが拝めることを期待している。

図 10: スモールセル部の宇宙線データ。(a) ドリフト時
間，(b) エネルギー損失，(c) ヒットマップ (円の大きさはドリフト距離を表す)。

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おわりにBelle II CDC がそうであったように，このような大型で一点物の検出器を作る機会は 10 数年に一度だけ巡ってくるものではないだろうか。ドリフトチェンバーは長い歴史があり，よく理解された検出器ではあるが，まるで楽器のように人間の手が非常によく入った検出器で，こんなことまで気にするのかという印象をしばしば受けた。筆者にとって大型のワイヤーチェンバーに携わるのは最初で最後かもしれないが，この稀な機会をつかめたことは幸運に思う。建設は道半ばであるが，たくさんのマイルストーンを一つずつ越えて検出器の性能を最大限に引き出していきたい。