127■研究紹介

タングステン単結晶標的で陽電子強度の増大に成功
高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設

諏 訪 田

剛

tsuyoshi.suwada@kek.jp
2006 年 12 月 6 日
概要
KEK 電子陽電子入射器（KEKB 入射器）を中心とする結晶標的開発研究グループは、2006 年 9 月、KEKB 入射器の陽電
子源に、従来のタングステン標的に替えて、最適化したタングステン単結晶標的を実装した結果、陽電子ビーム強度を約25% 増大させることに成功した。また、結晶標的の熱負荷は、陽電子強度の増大にもかかわらず、従来標的に比べ約 20% 低減することを確認した。このことにより、生成された陽電子ビーム強度は、運転開始以来の最高値（ 1.8 nC/ bunch 、陽電子源直後で計測）を記録した。運転再開後の約 2 ヶ月の連続運転でも、結晶標的が安定して陽電子を生成していることを実証した。この成果は、次世代の高エネルギー加速器の陽電子源への応用にも貢献するものと期待される。

1.

はじめに

現在、KEK では、B ファクトリー（KEKB）による高エネルギー電子陽電子衝突実験が進められている。この実験

本報告は、これまでの研究経緯も含めて実用化への道程を、いわば、奮闘記としてまとめたものである。結晶標的による陽電子生成の物理は、すでに吉田勝英により報告されているのでそちらを参照していただきたい[5]。

は、8 GeV 電子と 3.5GeV 陽電子を衝突させ、生成される B
中間子の崩壊を通して CP 対称性の破れを検証することを目的とする。B ファクトリーという名のごとく、大量に B

2.

これまでの研究経緯

中間子を生成し、その稀崩壊現象を調べるので、加速器に本研究は、1994 年、当時東京大学原子核研究所（核研）

とっては、ルミノシティを如何に向上させるかが鍵となる。

に文部省外国人研究員として滞在したロシアのトムスク工

現在、KEKB[1]は、世界最強の加速器性能を有し、本稿執科大学の Potylitsyn による単結晶を利用した陽電子源開発

筆時の 2006 年 12 月 6 日で、ピーク・ルミノシティはの提案に始まる[5]。この提案は、核研電子シンクロトロン

34

2

1.7 × 10 /(cm ⋅ sec) を越え、総積分ルミノシティは 695/ fbに達している。

（INS-ES）で採択され、1995 年当時核研在籍の吉田勝英、
奥野英城を中心として、 1.2GeV 電子によるタングステン

陽電子ビームの大強度化は、積分ルミノシティのさらな結晶からの陽電子生成実験がおこなわれた。この実験では、る向上を目指した KEKB 入射器[2]の重要なテーマで、これ結晶により陽電子生成量が大幅に増大することが確かめらまで三つの研究課題が進められた。（1）陽電子の 2 バンチ

れ、世界初の原理実証実験として報告された[6]。

同時加速[3]、（2）単結晶を利用した陽電子標的の開発、（3）

さらに、本研究は、1998 年、KEK における共同開発研

Adiabatic Matching Device による陽電子捕獲部の開発[4]で究課題として採択され、KEKB 入射器陽電子源にタングスある。（1）は、rf の 1 パルス内で、 96 nsec 離れた 2 バン

テン結晶をテスト標的として装着し、陽電子強度の増大を

チを同時に加速し、リングに入射するというものである。

確認している[7]。この実験では、1.7 mm 厚のタングステン

通常、2 バンチ加速と呼び、2002 年 9 月から本格的に運用

結 晶 と 7 mm 厚 の タ ン グ ス テ ン を 組 合 せ た 複 合 標 的 にを始め、陽電子入射率を 2 倍にした。（2）は、陽電子生成

3GeV 電子が照射され、結晶軸とビーム方向が一致したとの増強を目指した結晶標的の開発で、本研究のテーマであきには、約 40% の陽電子の増大があることを確認した。そる。（3）は、陽電子の捕獲効率を向上させて、陽電子強度の後、浜津良輔を中心とする東京都立大のグループが加わを倍増させることを目的とする。現在、（3）については、り、これまでの成果を踏まえて、結晶標的の実用化を目指

KEK の紙谷琢哉らが、実用化に向けた設計検討を開始してした本格的な実験研究が始まることになる。

いる。

INS-ES がシャットダウンされた 2000 年の夏から舞台をわれわれは、単結晶を利用した陽電子生成用標的の開発

KEKB 入射器に移すことになった。入射器終端のエネルギを進めてきた。長年にわたる準備研究を経て、2006 年 9 月、

ー分析用ビームラインにゴニオメータに搭載された単結晶

ようやくタングステン単結晶標的の実装をおこない、陽電

標的や陽電子測定装置などを再構築した。私が、本研究に子の増強に成功した。

参加したのはこの時からである。余談になるが、この年以128
来、夏と冬の KEKB の長期シャットダウン後の立上げ時に、加速器からの 2GeV 電子をタングステン結晶に照射し、チ

数日間のマシンタイムをもらい徹夜実験をおこなうというャネリング放射の増大を観測している[18]。1999 年には、のが恒例になっている。

舞台を CERN（WA-103）に移し、 6GeV と 10GeV 電子に

これまでの準備実験では、タングステン結晶のみならず、

よるタングステン結晶標的からの陽電子生成実験をおこな

軽元素であるシリコンやダイアモンドなどについても陽電った[19]。彼らは、ドリフトチェンバーを用いて広い位相空子生成実験[8]をおこなっているが、特に、タングステン結間領域（ ∼ 40 mrad ）で陽電子の軌跡を計測し、強度分布

晶については、厚さの異なる標的を準備し、高エネルギーを測定した。一方、われわれの実験は、線形加速器特有の電子照射（ 4 GeV と 8 GeV ）による準備実験を積み重ねてバンチした 4 GeV と 8 GeV 電子ビームを使い、結晶標的のきた。われわれは、これまでの実験における系統的な測定

前方（ ∼ 1mrad ）に生成する運動量分析された陽電子バン

を通して、陽電子強度が最大となる標的の最適厚を決定し、チの強度を計測する。このような実験は、Chehab らの実験実装に向けた技術的諸問題を解決することで、結晶標的のに比べると単純で解析が容易であるが、広い位相空間領域

実用化を可能にした[9-11]。

での計測が困難であるという欠点がある。いずれにせよ、
入射電子のエネルギーは異なるが、陽電子生成の増大度を

3. チャネリング放射を利用する陽電子生成

比べると、両者は、ほぼ同等な結果を与えている[20]。
残念ながら、CERN における Chehab らの実験は、LHC

高エネルギー加速器における陽電子は、通常、重金属標の建設開始に伴い 2001 年 7 月に終了した。現在では、われ的（タングステンなど）に高エネルギー電子を照射し、金われのグループだけが、唯一継続して実験をおこなってい

属中の原子核と電子との電磁相互作用により生成される。

る。

生成された陽電子は、後段の陽電子捕獲部により収集・加速がおこなわれる。陽電子を効率よく生成・捕獲するために、入射電子のエネルギー（ 4 ∼ 8 GeV ）に応じて、標的の最適の厚さ（ 4 ∼ 5 放射長）が決まる。また、陽電子の4. タングステン単結晶についての準備実験
4.1 結晶標的の準備

最適な運動量領域は、 5 ∼ 25 MeV/c とされる。陽電子強度

タングステン結晶は、共同研究のメンバーであるロシアを上げるには、陽電子生成量を向上させるのと、位相空間のトムスク工科大学を通して、チェルノゴロフカにある固上の捕獲領域を拡げて収集効率を上げる方法がある。陽電体物理学研究所で製作された。タングステンの単結晶化に子生成量を上げるには、入射電子のビーム・パワーを増大

は、固体再結晶化という手法が用いられた。通常、金属のさせるしかないが、ビーム・パワーの大強度化には、標的結晶化は、溶融過程の中で純化をおこない、種となる結晶の許容熱負荷により限界がある。リニアコライダーのよう片をもとに結晶を成長させる。一方、固体再結晶化とは、な、強力なビーム・パワーでは、従来の標的は熱負荷に耐固体のままで結晶を成長させる方法である。通常の金属は、えられず、新しいアイデアに基づく陽電子源が必要となる。

多結晶とも呼ばれるように、小さなドメイン内では、結晶単結晶による陽電子標的の開発は、次世代の大強度陽電構造を残している。金属を高温下（溶融させない）で、機子源への応用を目指し、1989 年 LAL-Orsay の Chehab らに械的な圧力をかけると、あるドメインの結晶構造は、近傍より初めて提唱された[12]。結晶標的の結晶軸に沿って電子ドメインの結晶構造を取り込みながら成長する。しかしなが入射すると、電子は整列した原子列の作るポテンシャル

がら、この方法の欠点は、最終的に成長した結晶の構造は、（チャネル）に捕らえられ、蛇行運動をおこなう。この運動

測定するまで明らかではなく、試行錯誤が必要なことであにより、電子は強力なチャネリング放射を前方に放出する。

る。このような手法で、いくつかの厚さの異なるタングス

また、結晶中では、制動放射自身が、干渉効果により放射テン結晶（最大厚 14 mm ）を製作してもらった。図 1 に結を強める（干渉性制動放射）。これらの放射が、結晶中で晶のサンプルを示す。

電磁シャワーの発達を強め、陽電子生成を増大させる[5,13]。
理論的には、IPN-Lyon の Artru らのグループ[14,15]とNovosibirsk の Baier らのグループ[16,17]により、シミュレーションの結果が報告されている。シミュレーションによると、このような結晶効果は、高エネルギー電子でより顕著になり、陽電子の増大度が大きくなること、また、従来の標的に比べ結晶標的の熱負荷が低減することが示された。
一方、実験的には、Chehab らは、1995 年 LAL-Orsay 線形

図 1. タングステン単結晶（断面 5 mm × 5 mm ）

129
1400

4.2 標的厚さ最適化のための準備実験
われわれは、2005 年から 2006 年にかけてタングステンった。図 2 にその実験装置を示す。

Relative Positron Yield[arbitrary unit]

結晶の最適な厚さを決めるための陽電子生成実験をおこな

9-mm-thick tungsten crystal,

1350

-

+

Ee =4 GeV, Pe =20 MeV/c

1300
1250
1200
1150
1100
1050
1000
-100

-50

0

50

100

150

Rotational Angle [mrad]
図 2. 陽電子生成実験における実験セットアップ

図 3. 9 mm 厚タングステン結晶で測定したロッキングカーブ
陽電子運動量は 20 MeV/c である。

電子は、ビーム取出し窓（ 30 μm 厚、直径 10 mm の SUS304）
を通して、ゴニオメータに固定した結晶標的（空気中）に入射する。入射電子のエネルギーは、 4 GeV である。入射電子の電荷量は、壁電流モニターで計測され、標的上のビームサイズは、スクリーンモニタで計測される。標的前方に生成した陽電子は、運動量分析磁石で 60 度偏向した後、陽電子検出器で強度 を計 測 する。 運動 量 分析領域は、

5 ∼ 25 MeV/c である。偏向磁石の前後には鉛コリメータを

図 4 に、標的厚さに対するロッキングカーブの分布幅の測定結果を示す。厚い標的ほど、多重散乱の効果が大きく寄与するようになり、分布幅も次第に大きくなる。このよ
うに、厚い標的ほど入射電子がチャネリングの放射条件を長距離にわたり持続することは困難であることが予想される。実際、チャネリングの放射条件を満たす電子の走行距
離は、標的入口からわずか数 100 μm 程度と言われている。

配置し、陽電子検出のアクセプタンスを決める。標的直後の鉛コリメータ以降の輸送路は、空気との散乱を避けるた+−1

めに真空（ ∼ 10 Pa ）にしている。陽電子検出器は、鉛ガ
ンコフ・カウンターである。前者は、陽電子の総エネルギーを計測し、後者は、陽電子数を計測する。結晶軸は、陽電子強度が最大となるようにゴニオメータを二軸の周りに回転して探す。結晶標的直後には、厚さの異なるタングス
テン板（ 3 ∼ 18 mm 厚、 3 mm 厚ステップ）をリニア・ス
テージ上に置き、陽電子強度の比較と校正をおこなえるよ
うにしている。
図 3 に、電子の結晶軸に対する入射角度を変化させたときの陽電子強度の変化（ロッキングカーブ、9 mm 厚タング
ステン結晶）を示す。電子の入射角が、結晶軸に一致する

120

Peak Width (FWHM) [mrad]

ラス・チェレンコフ・カロリメータとルーサイト・チェレ

Ee-=4 GeV, Pe =20 MeV/c（on-axis）と陽電子強度が顕著に増大する。一方、分布のすExperimental data

100
80
60
40
20
0

そ（off-axis）は、チャネリングの臨界角[13]から大きくは

0

5

10

15

Target Thickness [mm]ずれ、通常のベーテ・ハイトラー過程に従う陽電子強度を示す。ロッキングカーブの分布幅は、 9 mm 厚結晶では∼ 40 mrad （FWHM）となり、チャネリングの臨界角に比

図 4. タングステン結晶標的厚さに対するロッキングカーブ分布幅

べかなり大きい。これは、入射電子が多重散乱により空間の変化的に拡がってしまうからである。

ドラインである。

陽電子運動量は 20 MeV/c 、実線は二次曲線によるガイ130
標的厚さに対する陽電子の増大度（on-axis と off-axis 上
増大度は標的厚さが大きくなるにしたがい急速に小さくなり、 14 mm 厚程度でベーテ・ハイトラー過程に従う陽電子
強度に一致する。すなわち、チャネリング放射の御利益がなくなるわけである。このように、タングステン結晶は、陽電子強度のゲインが余り大きくない。このことが、われ
われが、ダイアモンドなどの軽元素結晶標的を用いた陽電子生成を追求している理由である[8]。

Ee-=4 GeV, Pe+=20 MeV/c
5
Tungsten Crystal

0.04

Positron-Production Efficiency

での強度比）の変化（図 5）で示すと、予想されるように、

Enhancement

0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0

4

Tungsten Crystal
Standard Tungsten Plate

0.035

0

5

10

15

20

Target Thickness [mm]図 6. 標的厚さに対する陽電子生成効率の変化

3

赤：タングステン結晶、青：タングステン板。陽電子運動量は20 MeV/c 、実線はガンマ関数によるガイドラインである。

2
ぞれの曲線は、標的中の電磁シャワー発達の様子を示し、結晶標的は、通常標的に比べ、より薄い厚さでシャワー発

1

Normalization by the Bethe-Heitler Process

達が最大となる。これは、結晶標的の放射長が効果的に短縮していることを示し、結晶効果によるものである。

0

0

5

10

15

20

Target Thickness [mm]

入射器陽電子源の捕獲部は、広い位相空間に生成された陽電子を捕獲するので、ここで得られた生成効率が、一致

図 5. タングステン結晶標的厚さに対する陽電子増大度の変化

するとは限らない。しかしながら、陽電子の異なる運動量

Bethe-Heitler 過程に従う陽電子強度で規格化している。陽電子運に対する増大度が余り変化しないことや広い位相空間領域

動量は 20 MeV/c 、実線はガイドラインである。

でも増大度の変化は小さい（核研での実験）ことなどから、入射器陽電子源においても 20 ∼ 30% の陽電子強度の増大

標的厚さの最適化には、陽電子生成効率の変化をプロットするとわかりやすい（図 6）。ここで、陽電子生成効率が期待できる。この結果をもって、主幹のゴーサインが出ることになり、実用化に向けた準備が始まった。

とは、入射電子強度で規格化した検出陽電子強度である。
図 6 には、通常のタングステン板による結果も示す。薄い標的では、陽電子の増大度は大きいが、絶対強度は小さい。

5.

KEKB 入射器の陽電子源

逆に、充分に厚い標的では、結晶効果が消失してしまい適

図 7 に入射器陽電子源[21,22]のレイアウトを示す。陽電

当な厚さで陽電子強度が最大になることがわかる。実験結子は大電流一次電子ビーム（エネルギー 4 GeV 、電荷量

果によると、結晶標的の最適厚さは、約 10 mm でタングス∼ 10 nC/bunch 、最大繰返し 50 Hz ）をタングステン標的

テン板に比べ陽電子強度は ∼ 26% 大きくなる。また、それに衝突させて発生させる。一次電子の平均的なエミッタン

図 7. KEKB 入射器における陽電子源

131
スは γex = 660 mm ⋅ mrad(rms ) , γey = 360 mm ⋅ mrad(rms )標的形状を大きく変更することなしに（1）と（2）を実現である。ビーム半径は標的直前の Q 電磁石で絞られ、標的する必要がある。また、（1）と（2）はお互い密接に関係上で ∼ 0.7 mm(rms ) である。これらの測定値から、標的にするので、標的の製作には充分な検討をおこなった。検討

対する電子の入射角度 θx (θy ) は ∼ 0.2(0.1)mrad(rms ) と推

当初、結晶標的の軸合わせにはゴニオメータに替わる何ら定される。電子の結晶軸に対する入射角は、チャネリング

かの回転機構が必要なので、標的を組入れる真空チェンバ

放射条件を決める重要なパラメータである。タングステン

ー自身にその機構をもたせることも検討した。標的直後は、結晶（ < 111 > 軸）の場合、 4 GeV 電子の臨界角度は理論

パルスコイル用のセラミック・ダクトにフランジを介して的に計算され 0.61mrad である。一次電子ビームの中心部接続されるので、チェンバー回転による余分な負荷が、セ（ 2σ 半径）は充分この条件を満たす。

ラミックを亀裂させる恐れがあると指摘され、この方法を従来の陽電子標的は 14 mm 厚（4 放射長）のタングステ断念した。標的に回転機構がないと、結晶標的自身に高精

ン金属を使用していた。2006 年 9 月、陽電子源のレイアウ

度なアラインメントが要求される。これは、高精度な標的トを変えることなく、従来の標的を 10.5 mm 厚のタングス加工のみならず、設置においても高精度を要求する。4 GeV

テン結晶標的に置き換えた。

電子の標的に対する入射角の調整範囲は狭いので、慎重さ

図 8 に入射器陽電子源のカット模型を示す。後段の陽電子捕獲部で陽電子の収集と加速が同時におこなわれる。標がいっそう要求されることになった。
とにもかくにも、回転機構を使わない方法で標的製作の的直後の強力なパルスコイル（ 2 T ）と後段の 8 m 長 DC ソ

再検討が始まった。従来のタングステン結晶と銅材の接合

レノイド（ 0.4 T ）の磁場により陽電子は効率よく収集され、方法は、高温溶融した銅の中にタングステンを挿入し冷却

DC ソレノイドの中にある 2 本の 1m 長加速管と 2 本の 2 m

して接合するものである。この方法では、必要な長さのタ

長加速管により一気 に加 速 され、 陽電 子 源直後では約70 MeV のエネルギーとなる。一方、電子は、陽電子とは逆に、減速し捕獲部で損失しながら最終的にシケイン部のストッパーで停止する。

ングステンを銅材と一緒に切断することになる。結晶の場
合、切断のための余長はない。また、ビーム入射面が切断により損傷するので、この方法は使えない。かわりに HIP（Hot Isostatic Pressing）接合を試みることにした。HIP とは、異種金属を高温高圧力下に置き、接触する金属面の原子レベルでわずか数層分を高圧力により融合させる技術である。図 9 に HIP 接合後の結晶標的を示す。

図 8.

KEKB 入射器陽電子源のカット模型

標的はリニア駆動機構により陽電子入射時に挿入される。電子は右から入射し、標的（中央に見える）で電子・陽電子対が生成さ

図 9.

HIP 接合後のタングステン結晶標的れる。

この写真は標的となる最終加工前のものである。写真か6.

タングステン単結晶標的の実装

6.1 結晶標的の製作
実用化には、いくつかの技術的困難を克服する必要があった。これらは、（1）冷却構造をもつ銅材にどのようにして結晶を組入れるかということ、（2）結晶標的のアライン
メントをどのように確保するかということであった。特に、らわかるように、タングステン結晶（ 11mm 厚）が銅材の中心に仕込まれたが、結晶表面に機械加工によるキズが残り、結晶表面の周りの銅部もエッチング処理のため溶解している。HIP 接合は、タングステンに対し銅の硬度は小さいので、図 9 に見える面に対し離形（フタのこと）が必要となる。これは、中心の結晶が高圧力で飛出す恐れがあるからである。離形材料としてセラミックと SUS304 を選び、

132
タングステン板をタングステン結晶と同じ様に銅材に仕込み、テストをしたところ、セラミックには多数の亀裂が入り（完全には割れなかった）、使えないと判断した。一方

SUS304 は、タングステン板と接合することなく引離しに成功した。しかし本番では、結晶表面が SUS304 の離形表面にわずかに食い込んでしまい、機械加工で切断せざるを得なかった。写真の結晶表面の加工キズは、この時にできたものである。その結果、後の結晶軸測定がまったくできな
くなってしまった。
当初の予定では、X 線により結晶軸を測定し、結晶軸と円柱加工した銅の中心軸を一致させるように銅材を削り出し、目に見えない結晶軸を銅材の円柱面に再現することを算段していた。しかしながら、放射光実験施設の関係者の協力を得て、X 線による結晶軸測定をおこなったが、ラウエ像さえ見えなかった。途中、X 線の強度不足の可能性を

図 10. X 線による結晶軸測定の様子
ブラッグ反射角の測定により約 1mrad の精度で結晶軸を同定することができる。

疑い、放射光ビームライン（BL-3C3）に標的を持ち込み、

14

方なく、エッチングで結晶表面の加工キズを落とすことにした。この処理が、結晶近くの銅材の一部を溶解させた理由である。エッチングには、超伝導空洞の電界研摩で使うのと同様な処理液を用いた。銅材とタングステンの溶解速度は異なるので、溶解条件を事前テストで決めてから本番をおこなった。2 回処理をおこなった結果、ようやく結晶
軸測定が可能となった。この処理により、タングステン結晶の厚さがわずかに短くなったが、溶解したタングステン
重量から推定したところ、短縮長さは 500 μm 程度（結晶厚さは 10.5 mm となる）であった。

X-Ray Counts [arb. unit]

このように、加工キズが X 線測定を不能にしていた。仕West-up
North-up
East-upSouth-up

Bragg angle~51.1 deg.

同様にラウエ像を撮影したが、まったく何も写らなかった。

o12

Mo kα line at 0.170 A

1086+/- 1 mrad window

4

-5

0

5

Rotational Angle [mrad]
図 11. 4 点の回転位置で測定したブラッグ反射の強度分布

図 10 は放射光実験施設の X 線結晶軸測定装置である。X線は、右に見えるスリットを通って結晶標的表面に照射される。ターン・テーブル上に固定した標的を回転させて、

X 線のブラッグ・ピークを X 線検出器（中央に見える）で測定することで結晶軸を同定する。結晶軸の同定は、銅材

これら一連の結晶軸出し加工を前加工と呼び、前加工で得られた基準面をもとに後加工が施される。図 12（a）に最終的な結晶標的の構造図を、図 12（b）に今回の実用化
した結晶標的を示す。

に溶接したステンレスを中心軸の周りに回転させ、90 度ごとの回転位置でブラッグ・ピークを測定しておこなった（左下写真参照）。対向する回転位置で測定したブラッグ・ピーク角の差が、結晶軸と標的中心軸のずれの角度を表す。
このずれが、零になるように標的加工（旋盤による）をおこなう。
図 11 は標的加工後の最終的に得られた 4 点の回転位置に対するブラッグ反射 の強 度 分布で ある 。 広い角度範囲（ ±20 mrad ）で計測したものであるが、図では、±5 mrad の範囲に拡大している。4 点における測定結果は、0 を中心として ±1mrad 以内に入っている。これが、結晶軸に対する
標的中心軸の精度を与え、基準面となる円柱銅表面の精度となる。

図 12.（a）タングステン結晶標的の構造

133
2 mm 、公差 f6 、 Al + SiO2 コート付）からの反射像（ミラー中心に開けた直径 0.5 mm の穴が基準点になる）のずれを測定することで、標的の傾きを計測する。アラインメント
調整は、駆動機構と標的チェンバーをつなぐフランジ用の

8 本のセットビスの締め具合で微妙に調整する。標的の傾きは、この調整により 1mrad 以下となった。

図 12.（b）真空チェンバーに設置した結晶標的（ビーム下流から見ている）

タングステン結晶は冷却用の銅部（直径 50 mm ）の中央に仕込まれている。標的の熱負荷は外側に巻いた銅パイプ（直径 4 mm ）に冷却水を流して（ 1.5 /min ）取り除かれる。標的中
心から 7.5 mm の位置に 2 組の熱電対を挿入し、標的温度をモニターする。タングステン結晶すぐ横（中心から 4.5 mm 離れて）には、
電子ビームを通すための穴（直径 3 mm ）を開けている。これは、標的の出し入れをせずにパルス磁場で電子の軌道を偏向させて電図 14. アラインメント用テレスコープにより標的の傾きを計測し子輸送も可能にし、将来的には電子と陽電子の同時加速を目指すている様子

ためのものである。

最後に、標的傾きの再現性が、以下の 4 項目に対してテ

6.2 標的部の組立てと設置ストされた。（1）標的の直線駆動による再現性（30 回）、

加工した標的には熱電対が仕込まれた後、エアー・シリ（2）標的チェンバー本体の据付けに伴う再現性（3 回）、ンダによるリニア駆動用の中心棒先端に L アングルを介し（3）標的チェンバーの運搬に伴う再現性、（4）アラインメて固定され（図 13）、標的チェンバーの中に駆動機構ととント用ミラーの取付けに伴う再現性。測定結果を表 1 にまもに挿入される（図 8）。標的先端にはアラインメント用とめる。

の高精度ミラーを取付けている。
表 1.

標的傾きの再現性テストによる誤差評価

再現性テスト項目

測定誤差[mrad]

駆動部テスト0.41

チェンバー据付けテスト

0.41

チェンバー運搬テスト

0.41

ミラー取付けテスト

1.81

系統誤差

2

標的加工誤差

±2

全体誤差

±3

この中で、項目（1）〜（3）の再現性はよく、標準偏差は 0.4 mrad 程度で問題はない。項目（4）は、ミラーとホル
図 13. リニア駆動機構の中心棒先端に取り付けられた結晶標的

ダーのはめ合いから生じる誤差で、これがミラーの取付け精度を決めたようだ。再現性は 2 mrad 程度ともっとも大き標的のアラインメント試験では、ビームライン用の架台を準備し、これに標的チェンバーとアラインメント用テレスコープを設置した（図 14）。アラインメントは、テレス
コープがもつ基準線に対してミラー（直径 16.9 mm 、厚さな値となった。テレスコープによるアラインメント測定の系統誤差は 2 mrad と見積もられるので、標的加工の誤差も考慮すると、全体のアラインメント誤差は ±3 mrad と見積もられた。この誤差は、電子ビームの標的への入射角度を調整することで補正できる角度である。

134

7.

それぞれの分布をガウス・フィットすることで、陽電子結晶標的の性能評価

生成効率の平均値と標準偏差を算出した。その結果、結晶

7.1 陽電子生成効率の測定

および従来標的に対する陽電子生成効率は、それぞれ運転再開後の立上げ時に陽電子生成効率の測定をおこな

0.25 ± 0.01 (0.26 ± 0.01) 、 0.2 ± 0.01 (0.2 ± 0.01) となり、った。ビームを出すと陽電子強度が入射器終端で結晶標的による陽電子強度の増大が明らかとなった。ここ

1.2 nC/bunch を越えていることがすぐにわかり、結晶標的

で、カッコ内は 2 バンチ加速での 2 バンチ目に対する生成の威力に驚いた（従来は 1nC/bunch を越えるのは稀であっ効率を示す。増大率で表すと 25 ± 2% (28 ± 2%) となる。こた）。この時点で、これまでの一連の工程に大きな誤りがの結果は、2 バンチが同じ程度に増大し、一次電子が同様ないことがわかり、ようやく安心した。

な入射角で衝突していることを示す。また、得られた増大

陽電子強度は、一次電子の結晶標的に対する入射角を調率は、準備実験で得られた増大率と実験誤差の範囲内でよ

整することで最大にする。標的上流にある 2 組のステアリ

く一致している。準備実験と入射器陽電子源では、生成陽ング磁石（x,y 方向）を用いて入射角を変化させながら、一電子のアクセプタンスが異なり、必ずしも陽電子生成効率

次電子と陽電子強度を同時に測定した。ビーム強度は、陽は一致しない。陽電子源では、強力な陽電子捕獲部により、電子源の上下流にあるビーム位置モニター（BPM）で測定

広い位相空間（発散角 ∼ 380 mrad ）に生成した陽電子を捕する（入射器の BPM は、ビーム位置のみならず、電荷強獲するが、準備実験では、標的前方の狭い位相空間（発散度測定も可能なように較正している）。この測定の一次電

角 ∼ 1mrad ）に生成した陽電子のみが検出される。このよ

子の平均電荷量は 7.5 nC/bunch であった。ステアリング磁

うに、双方の測定値がほぼ同じであることは、増大した陽石の強度不足により入射角の調整範囲は ±2 mrad に限定さ電子の分布が捕獲可能な位相空間でほぼ一様に増大していれたが、この角度範囲で明瞭なピークはなかった。このこると考えてよい。準備実験でも、陽電子強度の運動量依存とは逆に、一次電子の入射角がすでに結晶軸近傍にいるこ

性には余り変化が見られないことからも理解できる。

とを示し、これまでの一連の工程が高精度なアラインメン

陽電子のエミッタンスを計測したが、測定誤差の範囲内
で、従来標的によるエミッタンスとの違いは見られなかっトでおこわれたことを示すものである。
図 15 に結晶標的への入射角を調整した後の陽電子生成た。これは、結晶標的といえども、 10.5 mm 厚では多重散効率の測定結果を示す。陽電子生成効率は準備実験での定乱で陽電子が同様に拡がることを示し、エミッタンスは捕義と同様に陽電子強度に対する一次電子強度の比で表す。

獲部のアクセプタンスで決まると考えてよい。

結晶標的の分布は、約 1.5 時間の連続したビーム・パルス
で得られたデータによるものである。一方、従来標的の分
布は、夏期シャットダウン前の KEKB 運転時（2006 年 6

7.2 結晶標的の性能評価
運転再開後の 9 月 12 日に KEKB リングへの入射が始まり、衝突実験が再開した。図 16 に、9 月の立上げ時から 11月）のものである。

月上旬まで、約 2 ヶ月間の陽電子生成効率の変化を示した。
Tungsten Crystal Target
Previously-used Tungsten Target

各点は、5 日ごとに平均した陽電子生成効率を示し、その時間変化をプロットしたものである。
0.4

1000
800
600
400
200
0
0.1

1st bunch

0.35

Positron-Production Efficiency
2nd bunch

Number of Beam Pulses

1200

0.12 0.14 0.16 0.18

0.2

0.22 0.24 0.26

Positron-Production Efficiency
図 15. ビーム・パルス毎に取得したタングステン結晶標的による陽電子生成効率の分布比較のために、従来標的による分布もプロットした。実線はガウス・フィットを示す。

0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.4
2nd bunch

0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
10/Sep.

24/Sep.

8/Oct.

22/Oct.

Date
図 16. 陽電子生成効率の時間変化
各データ点は 5 日間の平均値を示す。

5/Nov.
/2006

135
この結果から、概ね順調に陽電子ビームが生成されてい比べ約 20% 小さいという結果を得た。この結果は、結晶効

ることがわかる。10 月中旬以降の若干の低下が気になるが、果で効率的な陽電子生成がおこなわれることを示し、Artru

今後のマシンスタディで明らかにしたい。

らによるシミュレーションの結果とも概ね一致している

一次電子強度に対する陽電子強度の線型性を調べておく[15]。一方、この結果を標的の単位長さ当りの熱負荷（密度）ことは重要である。これは、大強度の電子入射により、結に換算すると、逆に結晶標的の方が従来標的に比べ約 7 %晶構造に異常または破壊が生じる恐れがあるからである。

高くなる。4.2 節の議論に従うと、結晶標的は有効放射長をチャネリング放射は、結晶格子の振動が大きくなると、そ

短縮し、電磁シャワー発達を強める。このことは、シャワの効果が低減することが知られている。過去の実験でも、

ー最大深さでは局所的に熱負荷密度が大きくなることを示

結晶温度を変化させれば放射強度が変化するという結果がし、結晶標的を応用するときの課題となる。すなわち、結報告されている。入射器の電子ビームは、極短パルスでバ

晶標的といえども従来標的と同様に熱負荷による標的破壊

ンチ長が約 10 psec である。このような極短バンチが結晶をという問題を拭いきれていない。また、結晶標的の場合は通過すれば、結晶格子は相対論的にブーストされた強力な結晶構造の放射線損傷という根本的な問題もあり、今後の電磁場による衝撃を瞬間的に受けることになる。この衝撃研究課題となっている。
2.5

させる可能性がある。もし、結晶格子の弾性限界を超える
ような強い衝撃であれば、結晶構造そのものが破壊され、いわゆる固体プラズ マを 形 成する 可能 性 がある という[23-25]。準備実験で 2.55 mm 厚のシリコンに 8 GeV 電子（最大電荷量 1.9 nC/bunch ）を照射し、入射電子の電荷量に対する陽電子生成効率の線型性を調べてみたが、異常現象は見られていない[26]。今回のタングステン結晶で得られた結果を図 17 に示す。この結果から、入射電子強度に対する陽電子強度は最大電荷量 ∼ 8 nC/bunch の範囲では異常がな

Temperature Rise [degree/nC]

力は結晶格子を大きく揺さぶり、チャネリング放射を低減

Tungsten Crystal Target
Previously-used Tungsten Plate

2

1.5

1

0.5

いことを示している。
0

2

0

10

Tungsten Crystal Target

20

30

40

50

60

Beam Repetition Rate [Hz]図 18. ビーム繰返しに対する入射電子電荷量で規格化した温度上
昇の変化

1.5

比較のために従来標的の測定結果も示す。

2 ヶ月間の運転ではあるが、大きな問題もなく陽電子ビームは KEKB リングに安定に供給されている。この間、結晶標的に照射された単位面積当たりの積分電子フラックス

1

は、約 5.5 × 107 nC/mm 2 である。Artru らは SLAC/SLC の陽電子標的前に 0.3 mm 厚のタングステン結晶を置いて放射線損傷のビームテストを唯一おこなっている[27]。結晶標

0.5

的の放射線損傷が積分電子フラックスで決まるとすると、
2

3

4

5

6

7

8

Primary-Electron Beam Intensity[nC/bunch]

入射器でこのフラックスに達するには少なくとも 1 年以上の運転が必要で、今後の研究課題である。

図 17. 入射電子強度に対する陽電子強度の変化

8.
結晶標的の温度上昇は、標的の熱負荷を議論する上で重要である。ビーム繰返し 50 Hz 、1 バンチ運転時における定常的な温度上昇は 13.2°C であった。測定時の一次電子の平均電荷量は 7.8 nC/bunch である。図 18 は従来標的の温度上昇と比較するため、入射電子の電荷量で規格化した温度
上昇の測定結果を示す。結晶標的の熱負荷は、従来標的にまとめ

KEKB 入射器では、タングステン単結晶を利用した陽電子源の実用化に世界で初めて成功し、従来のタングステン
標的に比べ約 25% の陽電子強度の増大を観測した。この結果、入射器の陽電子強度は運転開始以来の最高強度を実現した。また、結晶標的の熱負荷は従来標的に比べ約 20% 低136減することを確認した。結晶標的の実用化は、高エネルギ[8] M. Satoh, et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.

ー電子陽電子加速器としては、世界で初めての試みである。

B227 (2005) 3.

これにより、KEKB リングに入射される陽電子ビームの強[9] T. Suwada, et al., Phys. Rev. E67 (2003) 016502.

度は運転開始以来の最高値を記録した。この成果は、現在[10] T. Suwada, et al., Presented in the 2006 International

稼働中の KEKB ファクトリーのみならず、スーパーB ファ

Linear Accelerator Conference (LINAC’06), Knoxville

クトリーやリニアコライダーなど、次世代の高エネルギー

Convention Center, TN, U.S.A., Aug. 21-25, 2006.

加速器の陽電子源への応用にも貢献するものと期待される。

[11] T. Suwada, et al., to be submitted in Phys. Rev. Spe-

今後の長期運転により、結晶標的の放射線損傷の問題や標cial Topics: Accelerators and Beams.

的の安定性などのデータを蓄積することにより、次世代の[12] R. Chehab, F. Couchot, A.R. Nyaiesh, F. Richard and高エネルギー加速器での実用可能性を追求したい。

X. Artru, Procs. the 1989 IEEE Particle Accelerator Conf.
(PAC’89), Chicago, IL, USA, March 1989, p. 283.
[13] V.N. Baier, V.M. Katkov, V.M. Strakhovenko, Elec-

謝辞

tromagnetic Processes at High Energies in Oriented Single

X 線による結晶軸測定では、KEK 物質構造科学研究所のCrystals (World Scientific, Singapore, 1998).

河田洋教授、安達弘通助手、佐藤昌史氏、三菱電機システ[14] X. Artru, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B48

ムサービスの木村康一氏にお世話になりました。また、標(1990) 278.

的製作の一連の工程に対しては、三菱重工の飯野陽弼氏に[15] X. Artru, R. Chehab, M. Chevallier, and V. Strakho-

全面的に協力をいただきましたことを感謝します。なお、

venko, Phys. Rev. ST Accel. Beams 6 (2003) 091003.

本研究は高エネルギー加速器研究機構の共同開発研究およ[16] V.N. Baier, V.M. Katkov, and V.M. Strakhovenko,

び文部科学省科学研究費補助金基盤研究（C）「単結晶をNucl. Instrum. Methods Phys. Res. B103 (1995) 147.

利用した高輝度陽電子・X 線源の基礎研究」（No.17540377）[17] V.N. Baier and V.M. Strakhovenko, Phys. Rev. ST

よりご支援をいただきました。

Accel. Beams 5 (2002) 121001.
[18] X. Artru, et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.

本研究の参加メンバー

B119 (1996) 246.

KEK 加速器（佐藤政則、古川和朗、紙谷琢哉、杉村高志）、[19] X. Artru, et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.

KEK 物構研（梅森健成）、KEK 素核研（奥野英城）、東B240 (2005) 762.

京都立大学（遠藤祐介、春名毅、浜津良輔、住吉孝行）、[20] R. Chehab, Procs. the NATO Advanced Research

佐賀県立九州シンクロトロン光研究センター（吉田勝英）、Workshop on Advanced Photon Sources and Their Appli-

トムスク工科大学（ A. P. Potylitsyn, I. S. Tropin ）、

cation, Nor Hamberd, Armenia, August 29 - September 02,

LAL-Orsay（R. Chehab）

2004, p. 357.
[21] A. Enomoto, et al., Procs. the Third European Particle

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Report 95-18 (1996), p. 46.

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Obata, Procs. International Conference Accelerator and

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vol.2,

Stockholm,