230■研究紹介

ATF2 ビームライン運転開始
高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設

照 沼信 浩nobuhiro.terunuma@kek.jp

奥 木敏 行

toshiyuki.okugi@kek.jp

2009 年（平成 21 年）2 月 10 日

1.

はじめにのである。ここでの研究テーマは，それまでの ATF と区別

先端加速器試験装置 ATF は，国際リニアコライダー計画されて議論して来た経緯があり，最終収束ビームラインで（ILC, International Linear Collider）[1]を中心とした将来のの研究計画の総称を ATF2 計画[2,3]と呼んでいる。ATF と加速器に必要とされる数多くのビーム計測技術およびビーいう組織は一つであるが[4]，その研究テーマにより概してム制御技術の開発研究を行っている。特に，ATF ダンピン

ATF とはダンピングリングまでで行われているもの，
ATF2

グリングで生成される電子ビームのエミッタンス（ビームとはその下流の最終収束ビームラインでの開発研究を意味内の個々の粒子の位置と運動量の広がりを表す指標）は，する（図 1）。

世界トップクラスの小さな値であり，ILC で要求されるエミッタンスを達成している。ATF は，この超低エミッタン2.

ATF2 計画

スビームを用いたビーム技術開発を行える特徴のある加速ILC の加速器技術開発では，超伝導加速空洞による高周器である。加速器技術開発に特化して運転をおこなってい

波技術開発[5]と共に，高いルミノシティの実現も極めて重る加速器は世界的にも少なく，加速器研究者や技術者の立要な研究課題である。

場から見ると非常に貴重な存在である。そのため，国内外

円形加速器において，ビームは周回毎に衝突を繰り返すの大学および研究機関から，学生を含めた多くの研究者がが，線形加速器の場合は 1 回しか衝突を起こせない。その開発実験のため頻繁に ATF を訪れており，また最近では海ため，ILC では高いルミノシティを実現するために，衝突外からの長期滞在者も増えるなど，ATF への関心の高さが点において電子および陽電子ビームを垂直方向で数ナノメー伺える。

トル，水平方向で数百ナノメートルという極小サイズまで今回，運転を開始したビームラインは，ILC の最終収束絞り，正確に衝突させることが求められている。

系の試験および技術開発を行うことを目的に建設されたも

図 1：ATF 全体図

左上の ATF2 ビームライン下流部（灰色）は床補強工事を行いシールドが新設された。

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ILC のような線形加速器の衝突点で電子ビームのサイズ

ATF2 の最終収束ビームライン（以下，ATF2-FF と称すを絞るためには，まず非常に質のよいビームを作ることがる）は，ILC と同程度の電磁石の設置精度や振動の許容値重要で，次に非常に質のよいレンズ系を使ってビームを絞となるように，ILC の最終収束ビームラインをビームエネることが大切になる。ATF で実現された超低エミッタンス

ルギーで 250 GeV から 1.3 GeV にスケールダウンしたもの

ビームは，ILC で高ルミノシティを実現するために必要なである。従って，ATF2-FF を使って行われる各種のビームレベルを達成している。ATF2 計画は，この超低エミッタ調整技術の開発は，ILC での最終収束系に必要とされる技ンスビームを利用して，術へと直結する。ATF2 と ILC の最終収束ビームラインのPhase 1： 35 nm のビームサイズの実現

optics を図 2 に示す。互いの構成が非常に似ていることを理解していただけると思う。この ATF2 ビームラインに，Phase 2：nm レベルでのビーム軌道制御ダンピングリングで得られる電子ビーム（垂直方向エミッの技術開発を行う計画である。計画の Phase 1 は，質のよタンス 10 pm ）を通すと，仮想衝突点で垂直方向 35 nm にいレンズ系を作る技術開発に相当する。また，Phase 2 は，絞ったビームを得ることができるはずである。ATF のビー

非常に小さく絞り込んだビーム同士を衝突させるために必ムエネルギーは FFTB の 1/30 以下と低いにも関わらず，要な技術の確立を目指すものである。これらは ILC で高い

ATF2 で想定される電子ビームの大きさは FFTB と同程度ルミノシティを実現するために必要不可欠な技術開発であである。これは ATF で実現されている世界トップレベルのる。

低エミッタンスビームにより初めて可能になる。

リニアコライダーの最終収束系の試験は，1994 年から
SLAC において，SLC の 45GeV 電子ビームを利用した FinalFocus Test Beam（FFTB）で行われた。ここでは設計値
47 nm に対して約 70 nm までビームが絞れたことを確認している[6]。この実測したビームサイズは世界最小のものである。ビームサイズは新竹氏が考案実現したレーザー干渉縞を利用するモニター[7]で測定された。FFTB 実験当時は，ビームパルスごとにナノメートルレベルでビーム位置を測定する技術が確立しておらず，設計値と測定値の差はビームジッターに起因するのか，ビーム自体が十分に絞られていないためか，判断が出来なかった。FFTB では多くの成果が得られたが，この設計値と測定値の違い，ビームの安定性など，いくつかの問題を残して実験が終了した。ATF2計画では FFTB の経験を元に，ビームサイズモニターと共に高分解能のビーム位置モニターを用いることにより，ビームジッターの効果を切り離してビームサイズの測定を行う。

図 2：ILC の Beam Delivery System（ 250 GeV ）と ATF2 ビームライン（ 1.3 GeV ）のビーム光学系
枠線に囲まれたところは，それぞれのビームラインの最終収束系を示す。

ILC 最終収束系の光学設計も FFTB 当時から大きく変更

ATF2 計画では，その計画当初から共通の課題である ILCされている。このため，新たなビーム光学系の試験を行う最終収束系の技術開発に興味を持つ世界中の研究者が参加ことも ATF2 の重要な研究対象である。現在の最終収束系して進められて来た。その際，アジア，ヨーロッパ，アメは local chromaticity correction[8]と呼ばれるビーム収差をリカの 3 地域が同程度の貢献をすることを目指して，設計，抑える技術を採用している。90 年代に FFTB で試験された製造および建設において分担を協議した。これから本格化

global chromaticity correction 方式の最終収束系と比べ，長する ATF2 での開発研究も，引き続き国際的な協力分担体*

い L （最終収束電磁石から衝突点までの距離）がとれる。
*制で進めていくことになる。そのため ATF2 における経験同じ L のビーム光学系を得る長さを比較すると，約 1/6 には，ILC を実現する際に重要な国際的協力分担体制のモデ短くできるコンパクトな設計である。また，エネルギーバルとして役立つものと期待されている。

ンド幅が広く，ビームのハローが衝突点で広がりにくいという特徴をもった光学系である[9]。その反面，local chro-3.

ATF2 ビームラインの建設

maticity correction での収差の補正は global chromaticity

ビームラインは全長約 100 m で，前半が既存 ATF シール

correction の場合と違い，水平方向と垂直方向の収差の補正ド室内となり，後半が新規に作られるシールド室内となる。

を独立の電磁石でおこなうことが出来ない難しさがある。

最終収束系は後半部分である。既存部分のビームラインも232
ATF2 のために改造される。そのため，ATF で継続中の開7.5 m ）の角トンネル状で，ブロックの厚みは 1m である。

発研究を長期間止めることなく，ビーム運転時間を最大限非常に多くのコンクリートブロックを必要とするため，横維持するようにスケジュールを調整した。ATF のビーム運壁を形成するブロックには KEK 東カウンターホールの転期間中は，既存の遮蔽シールド外側に新設する下流 FF

FFAG（Fixed-Field Alternating Gradient）加速器に使われ部の建設を進め，例年通り予定した夏期停止中に上流部のていたものなどを再利用し，経費と時間を節約した。新規改造と FF 部との接続を行うこととした。従って，建設期製作したブロックの納品を待って，すべてのシールド設置間は 2007 年 6 月から 2008 年 11 月までに及んだ。

が完了したのは 2008 年 4 月である。

3.1 施設関係

3.2 電磁石システム

元々，先端加速器試験棟（旧アセンブリホール）はトリ

FF 部の電磁石設置は，天井を解放した状態で 2008 年 1

スタン加速器の建設準備のために作られたもので加速器設月から始められた（写真 2）。シールドが完成するまでの間置を想定していない。10 年前の ATF 建設時でも，対応すは，粗調整の範囲を確保した状態で架台や電磁石の設置をる部分の床補強工事しか行っておらず，今回の最終収束系進め，シールドが完成してから詳細なアライメント作業をに対応する部分は一般的なコンクリートの床構造のままで行う手順となった。

ある。従って，振動対策が施されているわけでもなく，重ATF2 ビームライン全体では四極電磁石 42 台，スキュー量物である放射線防御用コンクリートブロックを設置する

四極電磁石 6 台，偏向電磁石 7 台，六極電磁石 5 台，ステ点でも問題があった。ATF2 でのビーム技術開発研究ではアリング電磁石 23 台が使用される。このうち，四極電磁石ナノメートルレベルでの電子ビームの制御を目標としてい24 台は ATF で使用しているものと同型を IHEP（中国）でる。ビームに伝わる振動を抑制するためにも，最初にこの新規製作したもので，主に FF 部に配置されている。六極床の補強工事を行う必要があった。

電磁石 5 台と final doublet 部の四極電磁石 2 台は SLAC か

床工事は，ATF のビーム運転に影響が出ないように，2007

ら提供されており，これらは FFTB で使用されていたもの年夏の停止期間（ 6 ∼ 10 月）に行われた。既存の床（ 15 cmを ATF2 用に改造したものである。さらに，FF 部の偏向電厚鉄筋コンクリート）を撤去整地してから，ビームライン

磁石 3 台は SLAC 設計・発注の下で IHEP が製造したもの

および放射線防御用シールドを設置する場所に合計 38 本のである。

鉄筋コンクリートの柱（直径 70 cm ）を地下 13 m から形成

FF 部におけるすべての四極電磁石および六極電磁石は，した。柱は地上付近で厚み 1.2 m の鉄筋部に接続され，それFFTB で使用されていたカム式ムーバーの上に設置されてらはコンクリートを流し一体化されている（写真 1）。

いる（写真 3）。このムーバーは SLAC から運び込まれ，精床補強工事が 2007 年 10 月に完了したのを待って，放射度 100 nm で位置（水平および垂直方向）の調整が可能であ線防御用コンクリートブロックの設置を始めた。追加されり，CAMAC によりリモート制御される。ATF2 におけるる加速器室は長さ 50 m ，高さ 3 m ，幅 5.5 m （下流部は最終収束系のビーム軌道調整は，この FFTB ムーバーを使

写真 1：ATF2 最終収束部の床補強工事

写真 2：四極電磁石（最終収束部）の設置作業

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FF 部の電磁石電源は SLAC が担当した（写真 5）。この電源は high availability 機能を有する。これは 50 A の基本出力ユニットを各電磁石につき必要台数+1 台を並列運転し，ユニットが一台故障しても残りで必要電流を瞬時に確保するものである。電源の台数とユニットの推定故障率から見て，ATF2 においてこの機能が作動する確率は低いが，ILCの場合は台数が非常に多く，ビーム停止によるルミノシティへの影響などを最小限に抑えるためにも，必要不可欠な技術である。

写真 3：最終収束ラインの四極電磁石構成用し，四極電磁石の位置をずらすことで行う。そのため，ステアリング電磁石は，上流の取り出しビーム調整部には設置されているが，下流の FF 部には設置されていない。
このようなムーバーを使ったビーム軌道調整方法もまた，

ILC のためのビーム制御技術の確立に繋がるものと期待されている。

FF 部の電磁石架台はコンクリートブロックを採用している。エポキシ系接着剤を混ぜたコンクリートを用いてこのブロックは床と接合され，防振性能を上げるように工夫さ

写真 5：設置作業中の ATF2 用電磁石電源れている。
最終収束系の中でも仮想衝突点の直前に置かれる final

3.3 ビーム位置モニター

doublet 部では，電磁石が振動すると仮想衝突点でのビームILC の Main Linac および Beam Delivery System（BDS）位置に与える影響が大きい。この電磁石の振動を抑えるこ（cavity BPM）
におけるビーム位置モニターは，空洞型 BPMとは，ATF2 計画にとって重要な課題である。Final doubletを想定している。特に，BDS では分解能 100 nm を要求しの架台システムは LAPP（フランス）が担当した。CLIC 用ており，cavity BPM 以外では実現が困難である。ATF2-FFに研究されていた防振架台を採用し，LAPP での振動試験においても要求分解能は 100 nm である。このため， ATFを経た後，2008 年 9 月にビームライン上に設置された（写では cavity BPM の開発を続け[10]，試作機を使ったビーム真 4）。設置後に，電磁石に冷却水を流した状態で振動試験試験では約 15 nm の分解能を達成した。

を行い，振動レベルは床に対して 5 nm 以下と，ATF2 の要求を満たしていることを確認した。

ATF2 上流部のビーム取り出し路では従来の strip-line 型BPM を使用するが，下流の FF 部では前述の cavity BPMを 39 台配備する。FF 用の cavity BPM は，C バンドの共振周波数が採用され，設計を KEK が行い， Pohang Ac-celerator Laboratory, PAL（韓国）が製作を担当した。読み出し回路は SLAC が設計製作し，読み出しのソフトウェアは Oxford および Royal Holloway University of London,RHUL（英国）が担当している。
仮想衝突点（ATF2-IP）直前の final doublet 付近ではビームサイズが大きく，そのため内径 40 mm のパイプに合うように S バンドの cavity BPM が 4 台採用されている。この

cavity BPM の製作は Kyungpook National University, KNU（韓国）が担当した。読み出し回路は RHUL と KNU が担当
写真 4：設置された final doublet system
後方に見える垂直定盤の背面が仮想衝突点である。

している。

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一方，ATF2-IP でのビーム制御技術の開発研究では位置このモニターは ATF2 のプログラムを遂行するために重分解能 2 nm が要求されている。この超高性能 cavity BPM要なものであり，ビーム開発試験の進捗と共に改良発展しの開発も ATF で行われてきた（写真 6）[11]。達成した分ていくことになる。

解能は 8.7 nm であり，これは実現されている世界最高分解能である。今後もさらなる高性能化の追及が FF 部上流のテストエリアで行われるが，平行して現在の BPM を IP 近傍に設置する予定である。

4.

ビーム技術開発の展望

ATF2 ビームライン部は 2008 年 11 月に建設が完了した（写真 8）。放射線安全検査のために徐々にビーム強度を上げながら試運転を行った結果，翌 2009 年 1 月付で施設完成検査に合格となり，今後のナノメートルレベルのビーム技術開発に向けてスタートを切ることができた。

写真 6：世界最高分解能 8.7 nm の cavity BPM
ATF ビームラインでの実験の様子である。

3.4 ビームサイズモニター
ATF2-IP において絞り込まれたビームの測定には，FFTB

写真 8：完成した ATF2 ビームライン（最終収束部）

で使われたレーザー干渉縞によるビームサイズモニター[7]

先に述べたように，ATF2 ビームラインは，ホストであを改良して使用する。ATF2-IP での目標である垂直方向のる KEK の役割は当然として，電磁石システムやビームモ大きさ 35 nm というビームサイズで感度が高くなるように，ニターなど多岐にわたる要素を世界中の大学・研究機関がレーザーの波長を FFTB で使用された 1064 nm から 532 nm分担して実現してきた。これから本格化するナノメートルに変更した[12]。この装置の開発改良は東大が中心となりレベルでのビーム開発研究もこれまで以上に多数の研究者KEK と共同で担当している。SLAC から戻されたレーザーが参加して行われる予定である。写真 9 は 2008 年 12 月 15

干渉計システムは，東大に移設されて改良および基礎開発

日から 18 日まで KEK でおこなわれた第 7 回 ATF2 Project試験が行われ，2008 年 4 月に ATF2-IP 部に設置され，現場Meeting の集合写真である。会議には国内からは 19 名、海での調整が進められている（写真 7）[13]。

外からは 33 名の参加者があり，ATF2 に対する海外からの関心の高さが現れている。
当初はビーム調整に必要となる cavity BPM やレーザー干渉型ビームサイズモニターの立ち上げ調整を進めながら，徐々にビームを絞ることを試みることになるであろう。
ビー
ム軌道調整でも四極電磁石をムーバーで移動させて行うなど新たな試みが試験されていく。 ILC の Beam Delivery

System ではビーム位置はすべて cavity BPM を使用し，ビーム軌道調整はすべて電磁石ムーバーを使う計画であり，ATF2 では貴重な経験を積むことになると考えられている。
ATF2 計画での Phase 1 の主題は，35 nm の最小ビームサイズの実現である。同時に FFTB で未解決であった理論値と実測値の差異の解消，ビームサイズ調整技術の確立など，
写真 7：レーザー干渉縞型ビームサイズモニター多くの課題に取り組んで行くことになる。

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ATF2 計画の Phase 2 では，安定なビーム位置制御の技術確立が主眼である。トレイン内のバンチごとのビーム位置ATFを揃えるために高速フィードバックの技術開発があり，では Oxford 大学により進められてきた。この技術開発はATF2 でも継続され，実際に ATF2 でのビーム安定化への展開を目指しており，ATF2 全体の開発研究に大きく貢献をするものと期待されている。

参考文献[1] Baseline Configuration Document,
http://linearcollider.org/wiki/doku.php[2] ATF2 proposal, KEK-Report 2005-2.
[3] 佐貫智行「ATF2 プロジェクト」
高エネルギーニュース，24-4 244 (2006).

[4] ATF International Collaboration, http://atf.kek.jp/

5.

まとめ

[5] 早野仁司「超伝導 RF 試験設備 STF」

先端加速器試験装置（ATF）では，ILC など将来の加速高エネルギーニュース，25-3 137 (2007).

器で必要とされる技術開発を行っている。今回，ATF の低[6] V. Balakin et al., Phys. Rev. Lett., 74 2479 (1995).

エミッタンスビームを利用して ILC の最終収束系の技術開[7] T. Shintake, Nucl. Instru. Meth., A311 455 (1992).

発を行う（ATF2 計画）ために，新たなビームラインを建設した。ATF2 計画ではビームラインの設計をはじめ，各種装置の製造や調整も国際的な協力分担体制で進められている。計画の目標は仮想衝突点において垂直方向 35 nm の[8] P. Raimondi and A. Seryi, Phys. Rev. Lett.,
86 3779 (2001).

[9] 奥木敏行「最終収束系の設計」OHO’06 13 (2006).

ビームを実現し，その安定な維持のために必要な技術の開「ATF2 最終収束系のための空洞型ビー[10] 中村友哉ほか，発研究を行うことにある。今後，ビームモニター系の整備

ム位置モニターの開発状況」加速器学会 2007, WP35.

調整を行い，ナノメートルレベルのビーム技術開発を開始する。

[11] Y. Inoue et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams,
11, 062801 (2008).

[12] T. Suehara, Doctor thesis, University of Tokyo (2008).
[13] 山中隆志，修士論文，University of Tokyo (2009).

写真 9：第 7 回 ATF2 Project Meeting, KEK, 2008/12/15