209■研究紹介

富士テストビームライン 始動
FTBL コミッショニンググループ
新潟大学 自然科学系

川 崎健 夫

kawasaki@hep.sc.niigata-u.ac.jp
2007 年 11 月 26 日

1.

はじめに

KEK-PS，特に π2/ T1 ビームラインは，これまで測定器で電子に転換し，それを実験エリアまで取り出すことによ

開発のテスト実験に非常に有用に使われてきたが，PS のりテストビームを作る（原理的には陽電子も取り出し可能

シャットダウンにより，国内には検出器のテストに使えるであるが，現在はマグネット電源の極性により，電子のみGeV クラスのビームラインがなくなってしまった。J-PARCが取り出し可能である。FTBL の詳細は加速器学会誌であでのテストビームラインが整備されるまでには数年以上はる加速器 4 巻 2 号（2007 年 7 月発行）を参照のこと[1]）。

待たねばならず，最近はビームテストをしたければ，国外

KEKB 加速器は電子リング（HER 8 GeV ）と陽電子リンに行かなければならない状況となっていた。

グ（LER 3.5GeV ）の 2 リング構造を持つが，Belle 検出器

PS でのビームテストは，国内で利用できる便利さもあるのある筑波実験棟とはちょうど反対側の富士実験室（図 1）ため，若い大学院生が中心となって行われたり，多数の修に， HER の長い直線部（ ∼ 100 m ）がある。高い真空度論テーマとしても役立ってきた。また，若い大学院生にとっ（ ∼ 3 × 10−8 Pa ）であるが，最大 1.3 A という高電流のためては，加速器・ビームとはなんぞやということを実感でき

Bremsstrahlung photon が鋭くコリメー残留ガスなどにより，るまたとない場でもあった。このようなビームラインの必トされて発生する。これまでは，捨てられていたこの photon

要性は誰もが認めるものの，必要なコストの点からその整ビームを，ビームパイプや KEKB マグネットの一部を改造備は難しいと考えられていた。

することで効率よく取り出し，下流に配置したタングステ

さかのぼること一年以上前，幅淳二氏（KEK）より新しンターゲット（ 5 mm 厚）に導く。対生成により発生した電いテストビームラインのアイデアを聞いていた。KEKB 加子は最大 8 GeV のエネルギーをもち，その広がりは 3.5 mrad速器の一部を利用することにより，大規模な実験棟の建設程度とシミュレーションにより予測された。なども不要であるという画期的なアイデアであった。
ただ，既存の実験装置の改造を行う必要があるため，KEK 内外の多くの人・実験グループの協力が不可欠である。幅氏曰く「こういうことは大学の若い人が声を上げないと進まないよ〜」ということで，周囲の若手研究者の意見を取りまとめて，ビームライン建設要望書を出すことになった（その経緯もあって，幹事としてコミッショニングの面倒を見ることになってしまったのだが）。それから一年，ビームラインの設計・建設は進み，ついに「富士テストビームライン」として 10 月初頭からテスト運用を開始した。
本稿では，この富士テストビームラインの概要について紹介する。また，2007 年 4 月頃から進めてきたコミッショニング作業と，ビームラインの現状についても説明する。

2.

テストビームライン概要

富士テストビームライン（以後 FTBL）は，KEKB 加速器で発生する大量の Bremsstrahlung photon をコンバータ

図 1 KEKB 加速器の構造
Belle 検出器から 180 度回った富士実験室に二つのリングの交差部がある。

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ターゲットの下流約 1m から始まる取り出しラインは，されており，電子はコンクリートシールド（B4 と Q3 の間）

KEKB の二つの蓄積リングの下をくぐりながら大きくカーに開けられた直径 10 cm の穴を通り，左側の FTBL 実験エブするというダイナミックな経路で実験エリアへ取り出さリアへと導かれる。

れる。ここで，必要な運動量のビームを選択して取り出す

これら，ビームライン本体の建設は KEKB グループの方々ことにより，電子ビームラインとして使用する。図 2 に FTBLの多大な協力の下に行われた。最終的なマグネット設置工の全体図を示す。電子リング（HER）と陽電子リング（LER）

事は，2007 年 7 月から 9 月の KEKB シャットダウン時に集が通っており，図の中心近くで交差している。電子は図の中的に行われた。他に，マグネット用電源の設置と配線，右上から左下へと進んでいる。取り出しラインには，ベン冷却水の配管，KEKB の復旧作業などが行われ，すべてのディングマグネット 8 台（図 2 中の B1L〜B7）と，Q マグ作業が予定通り 9 月末に終了した。写真 1〜3 に，工事中とネット 4 台（同じく Q1〜Q4）の計 12 台が配置

完成後の FTBL の写真を載せる。

図 2 富士テストビームラインの全体俯瞰

写真 1 ターゲット上流より取り出しマグネットを臨む
後に見えるのは初段の取り出しマグネット。傾いているのは，電子を下方に向けながら横方向にも曲げるため。

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欲しいわけである。それぞれのマグネットをどのような方法・手順で調整していくかがポイントである。まず，必要であるのは，取り出しマグネット用電源のコントロールシステム，そして電子や photon の位置やレートのモニターである。
マグネット電源のコントロールシステムは，池上氏（KEK）と稲葉氏（筑波技大）に担当していただいた。すべてのマグネットの磁場強度は較正されているが，電源（写真 4）の出力にばらつきがあるため，すべてマグネットと接続した状態で較正し直された。これらの変換式を取り込んで，すべての電源を PC によりコントロールするシステムが構築された。実際のビームテストでは，このシステムを用いてマグネットの電流値を調節することになる。

写真 2

建設中の FTBL取り出しラインが KEKB のリングの下に潜っている様子が判る。

写真 4 ステージ下には 12 台のマグネット用電源が並ぶ
電子モニターは，ベンディングマグネットの開口部に取り付けるため，空間的な制約が厳しく，大きいものは入れられない。また，コイルの近くでは漏れ磁場の影響もある。
いろいろ検討した結果，ストリップシンチレータを WLSファイバーで読み出すタイプのカウンターを用いることにした。幸い ILC カロリメータグループの信州大学から，大量のストリップシンチ（韓国・慶北大学グループの製作）と WLS ファイバーを提供していただくことができた。これを，16 チャンネルのマルチアノード PMT で読み出すことにした。漏れ磁場の影響を避けるために，WLS ファイバー
写真 3 完成した FTBL
現在は最下流のマグネットとエリアの間にフェンスがある。

を 30 cm 程度の長さにしてコイルから遠ざけた。
設計・製作は新潟大学が担当した。十分薄く小さく，マグネット前後のコイル内側に取り付けられるモニターがで

3.

コミッショニング準備

FTBL 建設作業は，加速器関係者の方々の協力で着々と進んでいた。われわれ実験屋には，テストビームのユーザとして，ビームラインの立ち上げ作業を行うことが求められた。当然ながらテストビームラインでは，実験エリアにおいて要求する運動量の電子ビームが，できるだけ大量にきた。シンチは幅 1cm で厚み 3 mm （ x − y で 2 枚），有感部は 4 cm × 8 cm である。このモニターを合計 7 つ，マグネットの前後に設置した（写真 5）。読み出しチャンネル数は合計 84 チャンネルにもなる。この電子モニターの DAQ は筑波技大・筑波大が担当し，電子モニター上でのビームプロファイルをオンラインで表示するという便利なツールも準備された。

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クォーツを用いたチェレンコフカウンターが製作され，マグネット貫通穴の上流とターゲット直後に置かれた。下流のものはターゲットで発生した電子の数，つまりビーム強度をモニターする。上流のものは 4 つにセグメントに分かれており，photon ビームが貫通穴を正しく通り抜けているかを確認できる。

4.

コミッショニング

10 月 2 日に，予定通り KEKB の運転が始まった。最初に行うべきことは，FTBL のマグネットの KEKB への影響を確認することである。LER の下をくぐる 1 台のベンディン
グマグネットが LER に非常に接近しているため，漏れ磁場による影響がないとはいえないからである。その結果，FTBLのマグネットを最大値（ 3.4 GeV に対応する）まで上げると，最大 1mm 程度の軌道の変化があることが判った。その後，影響を減らすために磁気シールドも追加したが，完全に漏れ磁場をなくすことはできていない。このため自由に磁場強度を変化させることはできないが，その後の調査でゆっくりとした変化（ 3%/ 分 程度）であれば KEKB のフィードバックにより補正できることが確認できた。

KEKB が通常の電流値で運転できるまでは数日を要したため，この間にモニターの動作チェックなどを行っていた。
このころ既にターゲット直後の電子モニターでは，その中
写真 5 上：ストリップシンチレータを用いた電子モニター
下：上の電子モニターをベンディングマグネットの正面に取り付けたところ心付近に電子らしき信号が見えていた。そして KEKB が定常運転に入った翌週に，全マグネットを起動することにした。
マグネットの設定は 3.0GeV に合わせた。上流からモニ9 月始めごろからは，設置されたマグネットの前後にモターで順に見ていくと，シャッター直前（KEKB を囲むコニターを取り付け，上記の全チャンネルに対しケーブル敷ンクリートシールドに開けられた穴のすぐ外側に当たる）設も行った（モニターからコントロールルームまで，長さまで，カウントレートが増えている。正直すぐにビームが60 m の BNC ケーブルを，予備も含めて 96 本敷設した）。

出るとはまったく期待せずにシャッターを開けたところ，この大変な作業は，筑波大学・京都大学からの多数の学生実験エリアに置いたカウンターで 10 Hz 程度の計数が観測さ諸君に手伝ってもらった。また，長さのそろった多数のケーれた。そこで，慌てて鉛ガラスカウンターを探してきてエブルは，関本氏（KEK）に PS で使用されていたものををリアに置き，上流のカウンターとのコインシデンスをとる借用させていただいた。

ことにより，確かに電子がビームラインによって運ばれて次に，photon モニターであるが，足立氏・上原氏（KEK）いることを確認した。に担当をお願いした。KEKB HER で発生した photon は，結局，この日は KEKB HER のビーム電流も 700 mA 程度

直進すると HER のマグネットに当たってしまうため，そこまで上がり，レートは 30 Hz 以上になっていた。早速，FTBLに 貫 通 穴 が 開 け ら れ た （ photon ビ ー ム の サ イ ズ はユーザ会への報告，hecforum と核物理談話会へ速報を出し

1.5 cm × 0.5 cm 程度と予想されているので，磁場の変化を抑た。初ビームを観測することのできた幸運なメンバーは写えるために，穴の大きさはなるべく小さく 3 cm × 1cm にし真 6 の 8 名であった。

た）。Photon は非常に小さく絞れていると予想されるが，翌週からは，詳細なコミッショニング作業を始めた。まこの穴を正しく通り抜けているかどうかが，下流での電子ずは，実験エリアでのビームの量とプロファイルの測定での量に影響する。

ある。シミュレーションによる計算では，最大電流 1.3 A の時に 100 Hz 程度のビームが得られるはずである。真空の状

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写真 6 初ビーム観測時の記念写真
態にも依存するが，700 mA の電流であれば 30 Hz 程度であることはそれほど不自然ではない（KEKB の真空がよくなるとビームの数が減るという，困ったジレンマが存在する）。
次に，実験エリアでのビームプロファイルを様々な方法で測定した結果，予想ほど絞れていないことがわかった（写真 7）。設計では実験エリア後端のストッパー上において2 cm × 2 cm 程度となると予想されていた。図 3 に，筑波大グループによる，アトラス SCT モジュールを用いて測定されたビームプロファイルを示す。実験エリアの中央付近で測られたものであるが，水平方向で 4 cm ，上下方向はそれ以上のサイズがあることが判る（縦横軸の単位は mm，上下はセンサーのサイズにより切れている）。
今回使用されているマグネットは，多数がトリスタンのウィグラーマグネットなどの再利用であるが，3 台のベンディングマグネットが新しく製作された。これらは，他の再利用マグネットとは形状がまったく違うため，エッジの効果などにより，実効的な積分磁場がずれる可能性があることが指摘されていた。そのため，これらのマグネットの

写真 7

トリガーカウンターを用いてビームプロファイルを測定しているところ電流を 1% 程度調整することにより，実験エリアでのビームの量を増やせる可能性がある。また，最終段近くの Q マグネットを調整することにより，ビームプロファイルを改善することも試みたが，現在のところ成功していない。これは，photon モニターや電子モニターなどを入れているため物質量が多く，ビームライン中で散乱・反応することにより，運動量に対するアクセプタンスがシャープではなくなってしまっているためかもしれない。また電子は 20 m 近くを飛行するため，空気による Bremsstrahlung の影響も無視できない。モニターは，調整が済めばいずれは取り外す予定であるが，取り出しライン部へのヘリウムバッグの導入も準備中である。ビームラインの本格運用は 2008 年 2 月からの予定である。それまでにはさらに調整を進めておきたいと考えている。

図 3 アトラス SCT モジュールによって測定されたビーム
プロファイル

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5.

FTBL ユーザ会てしまった。11 月 16 日には電源の修理が済み完全復旧した。

さて，ここで話を６ヶ月前に戻そう。FTBL は特定の実FTBL は，実験グループに関係なく利用できることを目験グループに属するものではなく，あらゆる実験グループ的とし，KEK・大学の研究者・学生が実験グループに関係のユーザの利用を目的としている。建設には KEKB/Belleなく集まって，可能な限り必要な資材・人手を持ち寄って関係者の協力が不可欠ではあったが，その運用はユーザで作る 手作りのビームライン の趣旨で立ち上げ作業を行っある大学関係者が自主的に行うことが望まれていた。そのてきた。たとえば，モニターは各大学から手持ちのものをため，ビームラインの利用を希望する大学関係者が集まり持ち込んで自作したし，実験エリアに置かれている可動台ユーザ会 を立ち上げることとした。ユーザ会は月 1 回程は筑波大から借用させていただいているものである。実験度 KEK で開かれ，多くのメンバーは TV 会議を通しても参グループの枠を超えて，非常に多くの方に協力していただ加した。

いた。これもひとえに，旗振り役である幅氏の顔の広さ（とコミッショニングの準備や方法についての，現場的な打皮の厚さ）がなせた業といえよう。

ち合わせ以外に，実験エリアの整備などのついても意見交換を行った。ネットワークはどうするか？ エリアにトリガーカウンターを数種類置いてほしい，電源は 200 V も欲しい，ガスの使用はどうすればよいか，など使いやすいテストビームにするための要望の取りまとめを行った。幸い，ILC グループのご協力により，コントロールルームとして富士実
験棟の B3 奥の部屋を譲り受けることができ，非常によい環境を構築することができた（以前の VENUS 実験のコントロールルーム）。
またテストビームの運用方法に関しても意見交換を行った。FTBL は，KEKB の運転期間しか使用できないし，きっちりとしたビームタイムを決めても，そのとおりにはビームが出ないかもしれない。また，Belle 実験に影響を与えな

写真 8

Belle SVD のビームテスト風景

いように運転しなくてはならない。そういう意味では，複雑な手続きを踏まなくても空いているときには気軽に利用できるビームラインにしたいと考えていた。

今回，ビームラインを一から立ち上げるという貴重な経験をさせていただいたことに，私自身非常に感謝している。

まず，ビームラインの立ち上がる 11 月は，コミッショニ

もちろん作業は大変だったが，とにかく楽しかったの一言

ングを含んだテスト運用であるとし，hecforum や核物理談に尽きる。また，今回のコミッショニングには各大学から話会から，利用希望・コミッショニングへの参加希望を募っ多数の若い学生諸君に参加してもらえた。こちらが指示なた。結局，Belle SVD, T2K INGRID, ILC カロリメータ， 筑

どせずとも，得られた結果について議論し，必要な機材を

波大 PHENIX グループが，それぞれ 1 週間のビームタイム大学から持ち込んで，新しくアイデアを出しながら進めてでテスト利用することになった（写真 8）。このテスト運いく姿をみていて非常に頼もしく思った。宇宙線では味わ用の後，2008 年 2−3 月のビームタイムから一般のユーザえないビームテストの醍醐味を味わってもらえたのではなに開放する。

いかと思う。

FTBL は測定器開発に利用できる能力を持ったビームラ

6.

さいごにインとして立ち上がったが，今後もさらに使いやすくするための調整・整備は継続して行っていく予定である。国内

兎も角も，測定器開発に十分使用できるテストビームラにある 3GeV （最高 3.4 GeV ）の電子ビームラインは利用インが完成したため，11 月 2 日から Belle SVD グループが価値が高いであろう。どんどん利用して成果を上げていた記念すべき杮落とし実験を開始した。開始後 4 日目に最上

だきたい。また，改良点も指摘していただきたい。新しい流ベンディングマグネット用電源が故障するというアクシ

測定器の開発に FTBL がお役に立てれば幸いである。4 月

デントもあったが，Q マグネットの 1 台との接続を入れ替以降の運用予定は現時点では未定であるが，KEKB の運転えることにより使用できる状態へは復旧できた。ただし，計画が決まり次第，利用の募集を行いたいと考えている。

ビームが絞れていないため，エリアでのレートは 1/3 になっ215──────────
富士テストビームラインは，KEK 関係諸氏，特に KEKBグループ・素核研ビームチャネルグループのご協力の下に設計・建設されました。また，その他の方々（放射線科学センター，計算科学センター他）にもさまざまな内容でご協力いただきました。この場を借りてお礼申し上げます。
また，FTBL コミッショニンググループの若い方々，特に京都大学，筑波大学，筑波技術大学，東京工業大学，新潟大学の大学院生・学部生諸君に感謝いたします。

[1] 幅淳二, 森田昭夫, 「KEKB−富士テストビームライン（FTBL）（I）−その設計」, 加速器学会誌 加速器, 4
巻 2 号, 131-135,（2007 年 7 月）.