137■ 研究紹介COMET Phase-I Cylindrical Drift Chamber
大阪大学大学院

理学研究科

物理学専攻

久野研究室

吉田 学立
hisataka@kuno-g.phys.sci.osaka-u.ac.jp
森津 学
moritsu@kuno-g.phys.sci.osaka-u.ac.jp
2016 年 (平成 28 年) 11 月 16 日

1

はじめに
COMET 実験は，J-PARC ハドロンホールにおいて，荷電レプトンフレーバー非保存過程であるミューオン-電子転換過程を世界最高感度で探索する実験である。ここ
数年の間に，COMET 実験に関する物理学会での一般講演やシンポジウム講演，本誌・高エネルギーニュースでの記事なども増え，2018/2019 年に予定されている実験
開始を前に，急速にアクティビティが上がっているのをグループ内からも感じている。特に今春は，Phase-I の主検出器である円筒型ドリフトチェンバー (Cylindrical

Drift Chamber，以下 CDC) 検出器が完成し，今夏には，
J-PARC PAC において，COMET Phase-I の Stage-2
Approval が得られるなど，2016 年は，我々にとって大きな節目の年となった。

COMET 実験については，すでに多くのドキュメン
トが公開されており [1]，本誌においても，過去にいく

ドリフトチェンバーを採用した。ドリフトチェンバーは，
素粒子実験において古くから使われてきた飛跡検出器であり，よく理解もされており，大型のものもこれまでに多数作られている。そのため，小規模な研究開発で，迅速に立ち上げが可能であり，競合実験である Mu2e 実
験 (FNAL) に先んじて結果を出したい Phase-I に相応しい。
ミューオン-電子転換過程の信号は，単一運動量 (約105 MeV/c) の電子として観測されるが，背景事象である原子核に束縛されたミューオンの Michel 崩壊からの電子のスペクトルが信号領域まで長いテールをもつため，充分に高い運動量分解能 (200 keV/c) が要求される。高運動量分解能を達成するため，検出器領域は可能な限り物質を減らし，散乱の影響を極小化しつつ，かつ電子の飛跡を高い確率で再構成するため，充分な検出効率が必要である。

つかの記事が掲載されているため [2, 3, 4]，物理や実験の紹介はそちらに譲るとして，本記事では，今春完成を迎えた CDC 検出器について述べる。

CDC 検出器の設計から動作試験中の現在に至るまで，
大阪大学グループが主導で行なってきた。とは言え，我々はドリフトチェンバーに関して全くの素人であったため，多くの方々・研究機関の協力を得て，試行錯誤しながらもなんとか進めてきた，というのが実情である。本稿では，我々の苦労の軌跡が御覧いただけるであろう。

2

COMET Phase-I CDC 検出器

図 1: COMET CyDet 概略図。

CDC 検出器は，名前の通り，円筒型のドリフトチェン

CDC 検出器を含めた円筒型の検出器セクターを Cy-バーである。ミューオン原子から放出される電子の軌跡を

Det (Cyrindrical Detector System) と呼ぶ (図 1)。中心

捉え，運動量を測定する重要な検出器であり，COMET

部には，アルミニウム・ディスクのミューオン静止標的

Phase-I の心臓部と言える。放出電子の飛跡を効率よく捉えるため，形状はミューオン静止標的を取り囲む円筒がミューオンビーム軸上に並んでおり，それを CDC 検型で，散乱の影響を抑制することができるガス検出器の別するため，チェレンコフ光を捉えるアクリル層とシン出器が取り囲んでいる。電子とそれ以外の荷電粒子を識

138

チレータ層の二層構造のトリガーホドスコープが内側にてくる。ガス検出器のシミュレーション計算ツールでああり，CDC 検出器へのトリガー決定に使用する。CDC

る Garfield を利用して，利用可能なワイヤーと各ガスの外側には，磁場を形成する検出器ソレノイドがあり，種の組み合わせで，電子増幅率，電圧, 電場等の見積もその周りは，鉄製のリターンヨークで囲まれている。

りを行なった。シミュレーション結果が正しいという保証も必要なので，最終的には，試作機の性能評価試験に

3

CDC 検出器の設計

3.1

基本設計

よって決定する運びとなった。
ドリフトチェンバーの信号読み出し回路としては，(これまた Belle II グループにお世話になりっぱなしなのだ

設計のベースは，Belle II CDC(こちらは，Centralが) Belle II CDC 用に内田智久氏 (KEK) を中心に開Drift Chamber)[5] である。サイズ的にはスケールダウン

発された RECBE ボード [7] の設計をほぼそのままにとなるが，構造や材料を参考にさせていただいた。おおCOMET CDC 用に転用した。本稿では詳細を省くが，よそのデザインは，信号領域の運動量 (約 105 MeV/c)，

信号処理を行うファームウェアは，COMET グループ

磁場の強さ (1 T) と位置分解能への要求などからおのず

内で独自に改良と新機能の開発をしており，性能評価やと決まる。外径が 1.7 m で内径は 1 m，長さ 1.5 m の円

放射線耐性の評価試験を行なってきた。J-PARC という筒型で，セルサイズは横幅 16.8 mm/高さ 16.0 mm であ高放射線環境のため，放射線耐性を強化するための開発

る。4,986 本のセンスワイヤーと 14,562 本のフィールドが現在も進行中である。実機用には，すでに 128 枚のワイヤーの計 19,548 本で，電子の飛跡を捉える。CDC

RECBE ボードの大量生産と動作・評価試験が完了しての横運動量カットは，約 70 MeV/c であり，ミューオ

おり，使用可能な状況である。

ンの Michel 崩壊によって放出される電子のほとんどは

CDC 検出器に到達しない。Belle II CDC と大きく異な

3.2

CDC 試作機による性能評価

るのは，全てのワイヤーがビーム軸に対して傾いたステ

試作機は，通算４台製作し，性能評価を行なってきた。

レオワイヤーである点だ。この点は，KLOE 実験のドリ初号機は，ドリフトチェンバーの基本的な動作について

フトチェンバー [6] を参考にし，ワイヤーをレイヤー毎理解するため，まずは初期のデザインに基づいて製作しに交互に傾けることで，ミューオンビーム軸方向の分解

た。読み出し回路も実機とは異なり，市販の REPIC 製能が得られる。最終デザインに向けて，ドリフトチェン

64ch ボード (RPR-010) を使用し，放射線源や宇宙線をバーの大家である宇野彰二氏 (KEK) にアドバイスをい用いた試験を行なった (図 2)。

ただきながら，慎重に議論を重ねて詳細設計を行った。

Cosmic-ray

ガス種やワイヤー直径，ステレオ角，内筒 CFRP の厚

tests

みなど，決めるべきパラメータは多岐にわたり，決定の

REPIC764ch&boards

ためのシミュレーションと試作機による予備実験を繰り返し，設計値を詰めていった。
使用するガスは，3 種類のヘリウム混合ガスが候補として挙げられており，それぞれ下記の通りである。

silicon RTV +feedthroughTrigger&Counter&(40cm&x&40cm)• He:i-C4 H10 (90:10) ; KLOE DC と同じ• He:C2 H6 (50:50) ; Belle / Belle II CDC と同じ• He:CH4 (80:20)

図 2: COMET CDC 試作初号機。

3 種類のガスを評価する，というのがこれまた簡単ではなく，マスフローコントローラやレギュレータなどの1

運動量を高精度で測定するには，電子の多重散乱の影響

周辺機器もそれぞれのガスにたいして用意する必要があを減らすため，密度の小さいヘリウムをベースとして，り，(実際には節約のため比例係数をかけて値を換算しクエンチャーとして有機ガスを加えるのが常套手段であ兼用する場合もあった。) ガス自体も決して安いものでる。各ガス種によって，エネルギー損失，放射長，初期はない。また，ガスを入れ替えるたびに，置換時間が長電子-イオン対生成数やドリフト速度などが異なり，一くかかる。初号機から得られた結果としては，ガス検出

概にどれが良いか，という結論は出せない。また，ワイ器の基本的な取扱いを学ぶことができたこと，初のドリ

ヤーは，高電圧を印加する金コーティングのタングステ

フトチェンバーでありながら，予測されていた性能があン製のセンスワイヤーと電場を成形するアルミニウム

る程度得られたことが挙げられる。ちなみに，初号機は製のフィールドワイヤーの２種類があり，それぞれ直径

実機の約 30 分の 1 の大きさ (読み出し約 200ch) で，動によって，印加する電圧や多重散乱の効果などが変わっ139

フィールドワイヤーの表面電場が 20 kV/cm を超え

作試験用の試作機としては，大きかったことも後に判明した。

ると，Malter 効果により，化学的な反応で炭素化合物

初号機での性能評価試験の結果をもとに設計が再検討などがワイヤー表面にできて放電が起こりやすくなり，され，セルの配置とステレオ角などを変更した。また，

最終的には高電圧が印加できなくなることがある。ビー

初号機のワイヤーは，Belle II CDC と同じく ϕ30 µm のム試験により，ϕ80 µm フィールドワイヤーの表面電場

センスワイヤーと ϕ126 µm のフィールドワイヤーを使を 20 kV/cm 以下になるよう印加電圧を下げると，充分用していた。CDC 検出器内での多重散乱を抑えるためな検出効率が得られないことが判明した。したがって，に，更に細いワイヤー (それぞれ ϕ25 µm/ϕ80 µm) のフィールドワイヤーは ϕ126 µm となった。逆に，セン使用が提案され，新たな試作機による再評価が必要とスワイヤーは，ϕ25 µm と ϕ30 µm のいずれも問題無いなった。

ことがわかったため，多重散乱抑制への寄与は微少なが弐号機・参号機は，同時に製作され，それぞれセンスら，より細い ϕ25 µm を選択した。

ワイヤーが ϕ25 µm と ϕ30 µm である。2014 年の冬に最後に，ガス種の選定，磁場中での性能評価や検出

東北大学電子光理学研究センターの電子ビームラインを器応答のより深い理解のために，CDC 実機の縮小版と用いて，これまた同時に性能評価を行なった。図 3 は，して，試作四号機を製作した。大きさは実機の 60 分の

実際のセットアップである。初号機の反省を踏まえて小1 ほど (読み出し 87ch) で，実機と同じ読み出し回路及型化 (読み出し 27ch) し，また，業者に依頼したのは端び配線方法を採用し，電磁シールドも備えている。四板の穴加工のみで，ほぼ手作りの低コストかつ急ピッチ号機を用いて，放射線源と宇宙線による動作試験の後，での製作となった。初の自設計のチェンバーのため，電LEPS グループの協力の下，電子ビームでの性能評価試

磁シールドなどを用意しておらず，準備時間のほとんど

験 (SPring-8)，更に MRI 磁石で 1 T 磁場下での宇宙線の時間をノイズ落としに費やしてしまった。入射角度の試験 (KEK 低温センター) を行なった。

依存性もみたいよね，という安易な発想で導入した回転ズ源となったことは誠に遺憾である。ビームタイムは，
ガス置換の時間を考慮していただき，１日置きに割り当ててもらったが，ガス置換中も解析ツールの開発に追われた。弐号機・参号機から，実機と同じ RECBE での信The composition of spatial resolution
Spatial resolution [mm]機構のおかげで，信号の配線が長くなってしまい，ノイ

0.4

0.3
0.25

号読み出しができるようになったが，様々な面で準備不0.2

足で，DAQ のオンラインモニターを現場でコーディン

0.15

グしたと記憶している。良い面と言えば，筆者も含めて，

0.1

このビーム試験で大阪大学 (CDC) グループが大きく成0.05

長したと感じている。また，3 種類のガスそれぞれで，印加電圧依存性，読み出し回路の信号閾値の依存性，位置分解能や検出効率が得られた。

dataPrimary ion
Diffusion
Electronics
Tracking error

0.35

0
0

1

2

3

4

5
6
7
8
Distance of Closest Approach [mm]図 4: COMET CDC 試作四号機の位置分解能。横軸は飛跡とワイヤーの最短距離。ガス種は He:i-C4 H10 (90:10)。
印加電圧は 1830V。

得られた結果の一例を図 4 に示す。概ね 200(σ) µm 以
下の位置分解能が得られており，運動量分解能 200 keV/cは充分に達成可能であることがわかった。また，Belle II

CDC と同じ He:C2 H6 (50:50) の場合でも，同程度の性能が得られている。したがって，特に問題が無い限り，初期設計の He:i-C4 H10 (90:10) を使用する予定である。
シミュレーション結果からも，運動量分解能への寄与の違いはあるものの，Phase-I で到達予定の物理感度 (分岐比 10−15 程度) においては，その影響は，無視できる
図 3: COMET CDC 試作弐号機・参号機 ビーム試験
セットアップ。

ほど小さい (背景事象の混入率は同じ)。

140

3.3

最終設計

ヤーの張力に対して，変形を抑えるため，Belle II CDC

これらの試作機による性能評価及びシミュレーション
からの結果を踏まえて，COMET CDC 検出器の最終設計が完成した。パラメータの決定は，建設と同時並行で行われており，ワイヤー径など後でも変更可能な部分は寸前まで変更の余地を残しておき，迅速な建設を目指した。外筒は，Belle II CDC と同じく CFRP(炭素強化繊
維プラスチック) 製で，5 mm の厚さで約 1.4 ton のワ
イヤー張力による荷重を支える。また，内筒の厚みは，ミューオン原子核捕獲から放出される陽子を吸収させる
吸収層を含めて 1 mm を予定していた。しかし，スイスの PSI で行われた AlCap 実験 [8] の結果より，当初の想定よりも陽子放出率が小さいことがわかり，0.5 mm 厚の極薄 CFRP を用いることにした。陽子吸収層が不要になったことで，運動量分解能の向上が期待できる。
表 1: COMET CDC の主な設計値。
内筒

外筒

セル構成

長さ

1495.5 mm

半径496.0∼496.5 mm

厚さ

0.5 mm

長さ

1577.3 mm

半径835.0∼840.0 mm

厚さ

5.0 mm

幅16.8 mm
16.0 mm

高さ
ステレオ角に倣ってコニカルに段差を付けた構造で厚みは 10 mmである。コニカル構造のため，材料となる分厚い巨大なアルミニウムから削り出して強度を保つ。フィードス
ルー用の 19,548 個のキリ穴加工に加え，治具や接地用のタップ穴など，多数の加工が公差 ±50 µm 以下の精度で要求されるため，高萩工場の門型マシニングセンタによる製作となった。(依頼した業者は，Belle II CDCと同じである。)
実機の製作前に，12 分の 1 の大きさでエンドプレートの試作を行い，加工精度の確認を行なった。製作後，各穴にピンゲージを立ててセンタリングでの位置測定に加え，三次元カメラを用いた位置・穴径の測定を行ったと
ころ，公差以上のずれがある穴がいくつか見つかった。
しかしながら，測定系のずれを考慮して補正を行い，再現性を検証したところ問題ないことがわかり，実機製作の工程へ移った。

64 ∼ 75 mrad

センス層数

20 (ガード層 ×2 を含む)

センスワイヤー材質

Au plated W

直径

25 µm

本数

4986

張力

50 g

材質

Al

図 5 は，エンドプレート上にフィードスルー用のキリ

直径

126 µm

穴加工をしている写真である。Belle II CDC のエンドプ

本数

14562

レート製作では，この穴にバリが残ってしまうことがあ

張力

80 g

り，後にフィードスルーを挿入する際にノリル樹脂部が混合

He:i-C4 H10 (90:10)

損傷し，ガス漏れの原因になったと伺っていた。そのた体積

2084 Lめ，キリ穴加工後，リーマ加工前に面取りの工程を増やフィールドワイヤー

ガス

図 5: エンドプレートの製作工程。

した。面取りは手作業のため時間と手間はかかったが，表 1 に，主な設計値をまとめる。Belle II CDC とおかげでフィードスルー挿入時には全く問題が起こらな

KLOE drift chamber の設計を踏襲し，COMET Phase-

かった。全加工完了後，スチーム洗浄し，エンドプレー

I の検出器に相応しい CDC 設計が出来たのではないだ

トが無事に完成した。

ろうか。

4.2

建設

4
4.1

エンドプレート (端板) 製作

外筒製作・組立

外筒は，5 mm 厚の CFRP 樹脂製で，内側には電荷チャージアップを防ぐために 100 µm 厚のアルミフィル
ムが貼られている。直径 1.67 m，長さ 1.58 m で，縦にエンドプレートは，ワイヤーを保持するフィードス

すると中に人が 5,6 人は立てるほどの大きさであるが，ルーの位置を決める重要な部品である。約 2 万本のワイ

この巨大な筒を巨大な釜 (オートクレーブ) で一気に成141形する。成形完了後，工場に出向いて，エンドプレートということでギリギリの日程の中，無事に搬入が完了しと結合するためのアルミニウム製のリング状フランジ

ほっと胸を撫で下ろした。

(以下，リング) との接着作業を行なった。接着は，エポクリーンルームへの搬入後は，ひたすらエンドプレー

キシ接着剤とアルミフィルムとリングを導通させる導通

トの清掃とラベル貼りである。約 2 万本のワイヤーの総用の接着剤を使用した。いずれも宇宙航空産業などで使張力は約 1.4 ton もあり，そのままワイヤーを張り進め用されるアウトガスの少ないタイプの接着剤であり，ガると，徐々にエンドプレート間の距離が短くなり，最初

ス検出器には重要なポイントである。リングと一体化しに張ったワイヤーが緩んでしまう。これを防ぐため，36た外筒は，いよいよエンドプレートと連結させるわけだ

本のステンレス棒とバネを使って，あらかじめ 1.4 ton

が，この時点では，リングに加工は一切されていない。

の荷重をかけておく。エンドプレートの変形は，事前の構造計算の結果とほぼ同じ 1 mm 弱で，ワイヤー張りの進捗に合わせて，バネを緩めたり，ステンレス棒を取り除いてゆく。また，このエンドプレート間の変位をモニターするために，ダイヤルゲージを下側エンドプレートの 4 箇所 (10 度 90 度 180 度 270 度) に取り付けてある。
なぜ 0 度ではなく 10 度なのかは，0 度の位置に取り付ける際，筆者が力を入れすぎて固定用ネジをねじ切ってしまい，10 度の位置への変更を余儀なくされたせいであるが，どうかご内密に。ねじ切ったタップ穴は，捨て穴で他に用途はなく，全く問題無いのでご心配なく。
準備に続いて，いよいよワイヤーを張り始めるのだ
が，なんと，Belle II CDC のときに，ワイヤーを張った職人は全員退職しており，COMET CDC のワイヤー張図 6: エンドプレートと外筒の組み立て作業の様子。

りは，全員新人さんとのこと。ベテランの現場監督の指導の下，本番前にまずはワイヤー張りの練習から始まっ

エンドプレートを製作した高萩の工場に外筒を輸送た。ϕ25 µm のセンスワイヤーは，扱いが非常に繊細な

後，位置出しを行ってから，連結用のタップ穴などを加上，すぐに見失ってしまう。フィードスルーにワイヤー

工し，ようやく外筒の上下左右が決まる。その後，仮組を通す作業だけで一苦労で，地味なようで難しい作業でみでの位置測定を行い，エポキシ接着剤とボルトでの結はあったが，徐々に慣れ，失敗の回数も減っていった。

合となる。エンドプレートは，片側約 40 kg で，クレーンを使って慎重に作業を行なった (図 6)。最後に再度，位置測定を行い，問題がないことを確認し，無事に組み立てが完了した。

5.2

ワイヤー張りワイヤー張りの手順は，Belle II CDC とほぼ同じであり，[5] に詳しく説明されている。しかしながら，Belle

II CDC での 1 年以上の経験からノウハウが蓄積されて5

ワイヤー張り5.1

準備・CDC の輸送

おり，問題点の多くが改善された。例えば，センスワイ
ヤーは事前に巻き直しを行うことで絡まりにくくなったことや，細かい手順の改善やワイヤー張り後のチェック

ワイヤーチェンバーの一番の敵は，空気中の埃であ体制の強化が挙げられる。また，単純に大きさの問題でる。静電気などで簡単にワイヤー表面に付着し，放電やBelle II CDC に比べると，様々な面で作業性が格段に高性能劣化の原因となる。幸いにも Belle II CDC グルー

かったとのことだ。(COMET CDC は，内径が大きい

プのご厚意で，すでに使用していなかった KEK 富士実

ので内側からの作業性が素晴らしく良い。) 図 7 は，約

験棟 B4 のクリーンルームを借りることができ，その上，半分ほど張り進めた頃の CDC 内部の写真である。

ワイヤー張り用の架台も使用して良いとのことで，有りワイヤー張りは，業者に委託しているが，ワイヤー張

難く使用させていただいた。Belle II CDC に比べると，力測定は，学生を含めわれわれ研究者の手で行なった。

COMET CDC は二回りほど小さいため，ワイヤー張り

磁場と交流電源で測定したワイヤーの共振周波数を張力

架台は，そのままでは使用できず，サイズ変更と治具のへ換算し，基準を満たさないものは，翌日の張り直しリ再製作などを行い，COMET CDC 用に改造した。

ストへ登録する。ワイヤーの両側に端子をつけて測定を2015 年 3 月には，高萩から KEK への輸送を行い，ク行うため，1 日 2 人体制で半年間の長丁場のシフト組み

リーンルームへ搬入した。運良く天気に恵まれ，年度末に大変苦労した。大阪大学はもちろん，COMET CDC

142

5.3

張力再測定とワイヤー張り直し

ワイヤー張りが完了した後は，すぐに再測定に取り掛かった。前述の通り，エンドプレート間の距離は総荷重に連動して変位しており，最終的なワイヤー張力を確認する必要がある。また，ワイヤー張力は，重力サグを計算するためにも必要で，シミュレーションや解析にも重要なインプットとなるため，全数の 19,548 本を再度測定した。

2015 年の 12 月から始めた再測定だが，これまでのシフト業務とは比べものにならないほどの重労働であった。ワイヤー張り中は，1 日のノルマはせいぜい 300 本
だが，すでに全てのワイヤーは張られている。また，人的エラーバイアスを減らすため (旅費の節約も...)，3 人

800

2000

Displacement [µ m] at 10 degree
Displacement [µ m] at 90 degree
Displacement [µ m] at 180 degree
Displacement [µ m] at 270 degree
Total Load [kg]

600
400

1800

200

(筆者 2 人と学生 1 人) の少数精鋭で挑んだため，1 人あTotal Load [kg]Displacement [µ m]図 7: ワイヤー張り中の様子。

1600

また，再測定中に思わぬミスも発覚した。張力計算に使用するワイヤー長のリストに古いものが使われており，最大で 8% ものずれが確認された。幸いにも，ずれは張力を過小評価する方向だったため (実際の張力はより高

0
1400

−200

かった)，基準を外れるワイヤーはほとんど無かった。
累計 28 日かけて 19,548 本のワイヤーの再測定が完了

−400
1200

した。1 日あたり平均 700 本測定し，最大値は 1200 本，
我ながらよくがんばったと思う。残念ながら，約 70 本

−600
−800

たりの負担はかなり過酷なものになった。

06/03

07/03

08/02

09/01

10/01
10/31
Date [month/day]1000

図 8: ワイヤー張り期間中のダイヤルゲージと総荷重の推移。
グループの九州大学と中国の IHEP から多数のシフト協力が得られ，なんとか張力測定を続けることができた。

のワイヤーが基準を満たさず張り直しとなったが，張り直しは 1 週間で完了し，2016 年 4 月の再々測定で全てのワイヤーが問題なしと判断された。結局，再測定と張り直しを含めると，ワイヤー張りは約 1 年間かけて無事に完了した。

6

内筒インストール

図 8 は，4 箇所のダイヤルゲージによるエンドプレー

ワイヤー張りの次は，内筒のインストールである。内ト間の距離の変位とテンションバーとワイヤーによる総筒も，外筒と同じく CFRP 製の筒だが，厚みが 10 分の荷重の推移を表している。ワイヤーによる荷重の増加と1 の 0.5 mm で強度が桁違いに弱いため，変形および変テンションバーの弛緩と除去による減少に連動して，距形によるアルミフィルムの剥離に注意が必要である。こ離が変動している。ワイヤー張り前に比べて，0.4 mmの薄さで直径 1 m という大きさは業者も経験がなく，実程度のエンドプレートのたわみが発生しているが，許容際，インストールした内筒はアルミフィルムの積層構造

範囲内の変位に収まった。

を工夫し，三度目の成形でようやく完成したものである。

ワイヤー張りは，2015 年の 5 月に始まり，約半年後

内筒は自重で容易に変形するため，接着したリングをの 11 月 24 日に最後の 1 本を張り終えた。実働日数は後で加工した外筒と同じ手法は使えず，加工済みのリン

122 日で，平均して約 160 本/日と順調に張り進められた。最高記録としては，1 日あたり 322 本 (フィールドグを特製の治具で位置合わせをしながら接着した。

ワイヤーのみ) を達成し，Belle II CDC の記録 (374 本)

ストール治具を製作し，2016 年 6 月 10 日，ついに内筒には及ばないが，新人だった作業員が立派な職人になっをインストールした。エンドプレートと内筒が一番近インストールの準備として，CDC 内部の清掃やインたと言えるのではないだろうか。小さなトラブルはありいときには，隙間が 250 µm しかないため，クレーンとつつも，ほぼ予定通りの進捗で無事に張り終えることがローラー付のサポート治具，ガイド糸で慎重に内筒を降でき，ほっと一息つきつつ，まだまだ先が長いことにすろしていき，最後は内筒リングをエンドプレートにボルぐに気付かされた。

トで固定した。インストール直後に，CDC 検出器の真143で封してあるものの，漏れを完全に封じ切ることが難しい。特に内筒はワイヤーの張力で歪んだエンドプレートに合わせて最後に接着するためどうしても隙間を生じることが避けられない。使用するガスが原子サイズの小さ
いヘリウムである点がさらに厄介である。ヘリウムリー
ク検出器でリーク箇所をひとつひとつ特定して RTV ゴ
ムで埋めていく作業が地味に大変で時間のかかる工程であった。リーク量の測定は CDC 内にヘリウムガスを詰めて大気圧に対して微正圧状態で封じ切った後，時間経過にともなう内圧の減少を見ることで求める。当初は

300 cc/min 程度のリークがあったが現在は 50 cc/min
図 9: 内筒インストール後の CDC 検出器 (真下から)。

程度であり，ガス置換の流量 200 cc/min に対して低く抑えられている。
ガスリークを抑えられた後，He:i-C4 H10 (90:10) の混合ガスでガス置換を始めた。ここでひとつ問題に直面することになる。CDC の内圧がある一定以上になると内筒が膨らんで変形を生じてしまうことがわかった。内筒は 0.5 mm 厚で直径 1 m，長さ 1.5 m の CFRP 製円筒で均一に力がかかっている分には強いが微妙な非一様性が生じると局所的に力がかかってしまい変形する。変形を生じずに耐えられる限界圧力は経験上 250 Pa であるので，内圧はこれ以下の範囲でコントロールしなければならない。さて，CDC のガス体積は 2084 ℓ で，速くガス置換をするためにはできるだけ多い流量で流したいが，流量を増やすと内圧が上がってしまう。対策として，現

図 10: CDC リーク試験の様子。
下から撮った写真が図 9 である。
内筒のインストールをもって，CDC 検出器は一応の完成を迎えた。記念に建設の様子をまとめた動画を公開 [9] しているので，ご興味があれば是非ご覧いただきたい。

在は排気ラインに水槽用のポンプを改造したものを付けることによって強制的に排気量を増やし内圧を抑えている。本実験では圧力フィードバック型の流量制御器を付けることで内圧を一定に保った運転をする予定である。

8

宇宙線試験と今後の展望
2016 年 8 月から宇宙線を使った性能評価試験を始めた。当初遭遇した問題点としては，十分にガス置換を

7

ガスリーク試験とガス置換
内筒のインストールを終えた後，2016 年 6 月から CDC

内にガスを流してリーク試験を始めた (図 10)。CDC は構造体としては外筒，内筒と 2 枚のエンドプレートから成っており，ガス漏れが起こり得る場所はそれらの接合部分および 39,096 箇所のフィードスルー部分である。
フィードスルーは一本一本穴に通すときにノリル樹脂部
分一周に渡って室温硬化 (RTV) ゴムを塗布しており，ピンの穴部分は液状接着剤を流し込んであるため，ガスは
よく封じられていた。問題は構造体の接合部分である。

CFRP 製の外筒と内筒はその両端部にアルミ製のリングをエポキシ系接着剤で固定し，そのリングとアルミ製のエンドプレートをボルト締めで接合している。接合部分とボルト部分はエポキシ系接着剤または RTV ゴム

おこなったにも関わらずガスゲインが想定していたより異常に低かった。試作機では十分なガスゲインが得られていたので，実機に何か問題があるのではないかと懸念して様々な可能性を調査した。結果的には使っていたイソブタン用の流量計の較正がおかしく設定値の 2〜

3 倍も多く流れていたことにより，ガス混合比が He:iC4 H10 = 90 : 10 ではなく 75 : 25 程度にまで変わっていたことが原因であった。これは実際に水上置換法を用いて流量を実測したことで判明したわけであるが，機器の仕様を無闇に信じるのではなく，何事も実測して確かめるべしという実験の基本に立ち返ることの重要性を改めて痛感した。流量計を質量式流量制御器（もちろん流量が正しいことを実測して確認した）に変えて改めて

90 : 10 のガス混合比で測定したところ，想定通りのガスゲインが得られ性能評価試験を開始することができた。

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図 11 に典型的な宇宙線トラックによるイベントディ
スプレイを示す。試験は概ね順調に進んでおり，細かいトラックが無事に観測できたことで，CDC の建設はひとつの節目を迎えた。

問題点を修正しつつ詳細な解析が進行中である。 今後

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おわりに (謝辞)ドリフトチェンバーは，よく理解されている検出器ではあるが，われわれにとっては，初めての挑戦であり，試行錯誤の連続であった。そんな中，COMET CDC 検出器の設計から建設・動作試験・性能評価など多岐にわたり，高エネルギー加速器研究機構の宇野彰二氏には，
現在進行形で大変お世話になっている。特に，ワイヤー張りに関しては，富士実験棟 B4 のクリーンルームのみ
ならず，ワイヤー張り架台等の施設・設備を無償でお貸しいただいた上，実際に使用するアルミワイヤーまでご提供いただいた。同じく，同機構の高力孝氏にも架台の組立時や設計に関して，大変お世話になった。COMET

CDC 検出器が無事に完成に至ったのは，多くの方々の温かい協力のおかげだと (恥ずかしげもなく) 自負している。この場を借りて，厚く御礼申し上げる。
また，本誌前号に掲載の秋山祐希さんのアウトリーチ[mm]

活動に関する記事 [10] をきっかけに，COMET 実験のキャラクターの作成を依頼した。せっかくの機会なので，

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ここで (おそらく初) お披露目したい (図 12)。こちらは，

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Phase-I の姿で，いずれ Phase-II にドレスアップ (?) す750

る予定である。乞うご期待。

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図 11: 宇宙線のイベントディスプレイ。青線は宇宙線
トラックを示す。(上) 三次元表示で，赤線はヒットした
ワイヤーを示す。(下) チェンバー中心面における平面表
示。赤色の円の大きさはドリフト距離を表す。

COMET ちゃん
図 12: COMET ちゃん by ひっぐすたん (higgstan.com)。

は，解析ソフトウェアを整備して解析の最適化をおこな
い期待通りの性能が得られていることを確認する。また，

COMET Phase-I の主検出器である CDC 検出器が無

現在試験は KEK つくばキャンパス富士実験棟にておこ事に完成を迎え，本実験へ向けた準備が着々と進行中でなっているが，最終的には本実験をおこなう J-PARCある。建屋のインフラやビームライン，超伝導ソレノ（東海村）に約 80 km の移送作業が残っている。まだまイドの建設なども併せて進行中であり，今夏の Stage-2

だやるべきことは尽きないが CDC 実機で最初の宇宙線

Approval を経て，COMET プロジェクトの加速度的な

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発展をご期待いただければ甚だ幸いである。さいごに，
コミュニティの皆様のご理解・ご協力・ご支援に大いに感謝して，おわりの言葉としたい。

参考文献[1] COMET 実 験 の 公 式 ド キュメ ン ト,

http://

comet.kek.jp/Documents.html[2] 佐藤朗, 高エネルギーニュース, 26-1, pp.16-31(2007)[3] 西口創, 高エネルギーニュース, 31-3, pp.219-227(2012)[4] 深尾祥紀, 高エネルギーニュース, 34-1, pp.29-36(2015)[5] 谷口七重, 高エネルギーニュース, 32-4, pp.241246 (2014)[6] A. Ferrari, Nucl. Inst. Meth. A, 494, pp.163-172,(2002).
[7] T. Uchida et al., 2012 IEEE Nuclear Science
Symposium Conference Record, pp. 694-698,(2012).
[8] AlCap 実験のウェブサイト， http://muon.npl.
washington.edu/exp/AlCap/[9] COMET CDC の完成記念動画， http://www.
youtube.com/watch?v=qvB-esbB2Qk[10] ひっぐすたん (higgstan.com)/秋本祐希, 高エネル
ギーニュース, 35-2, pp.119-122 (2016)