MOOS14

3次元らせん軌道ビーム入射のためのパルス状磁場発生装置の開発
高エネ研 飯沼裕美、佐々木憲一、中山久義、三増俊広、三部勉、
日立日立研 阿部充志

超電導ソレノイド磁石(中心磁場 3テスラ)




SB

cost     s

J-PARC g-2/EDM実験の紹介
ミューオンが水分子みたいに分極？
基本粒子なのに内部構造が？

+++
++++
電気双極子
B   s  cost 
ミューオンスピン歳差運動

標準模型で精密計算標準模型ではありえない!

e g 2    g 2 Bm 2

(2006年論文)

0.54ppmで計測
BNL/E821実験 g-2:標準理論と3のズレ

EDM:上限値 ~ 1e-19 e.cm

2

J-PARC g-2/EDM実験の紹介
ミューオンが水分子みたいに分極？
基本粒子なのに内部構造が？

+++
++++
電気双極子

B   s  cost 

標準模型で精密計算

ミューオンスピン 
歳差運動    g  2   EDM 

標準模型ではありえない!

 e g  2  2cB
EDM   Bm 2
g-2物理結果
目標精度<0.1ppm

EDM物理結果
目標感度<1e-20 e.cm

0.54ppmで計測
BNL/E821実験 g-2:標準理論と3のズレ

EDM:上限値 ~ 1e-19 e.cm

(2006年論文)

3

J-PARC g-2/EDM実験の紹介
ミューオンが水分子みたいに分極？
基本粒子なのに内部構造が？

+++
++++
電気双極子
B   s  cost 

標準模型で精密計算

 g 2  B   g 2  EDM
  EDM    B

標準模型ではありえない!

10001

高精度な磁場調整と高品質のビームと制御が必須。
実験の要請は、(2006年論文)(a) ビーム蓄積磁場の均一度0.5ppmコンパクトリング
g-2: 0.54ppmで計測
EDM:上限値 ~ 1e-19 e.cm
BNL/E821実験
4(b) ビームエミッタンス数10μm程度新しいビームライン
標準理論と3のズレどれだけコンパクト？
貯蔵リング大きさ比較
BNL E821

半径0.33m, =3, B=3[T]一体型貯蔵リング構造

半径7m, =29.3, B=1.45[T]貯蔵リングは分割構造

精密磁場体積は従来方式の460分の１！

新しい ミューオンビームライン

J-PARCKEK

P, 3GeV-beamTokyo
Bird’s eye photo in Feb. 2008
62010/9/28

新しい ミューオンビームライン

J-PARCKEK

P, 3GeV-beamTokyo
Bird’s eye photo in Feb. 2008
72010/9/28

3 GeV 陽子ビーム( 333 uA)

グラファイト標的 (20 mm)
表面ミューオンビーム(28 MeV/c, 4x108/s)（1年でBNL実験の300倍の統計を目標）
ミューオニウム生成(300 K ~ 25 meV⇒2.3 keV/c)
ミューオンビーム加速(⇒ 300MeV/c)
貯蔵リング+検出器

2012/6/29

妊娠7か月
8

コラボレーション会議集合写真 33名

4万個/beam (25Hz)もの
300MeV/c ミューオンが3テスラの磁場中、半径33.3cmの円軌道に蓄積され、スピン歳差運動をする。
ミューオン異常磁気モーメント(g-2)
および電気双極子(EDM)を測定する。

らせん軌道入射とは？ なぜ必要なのか？
らせん軌道入射 磁場強度 3テスラ
B
300MeV/c
直径66cm

周回軌道は（ほぼ）2次元平面

垂直方向キック
実験からの要請：300MeV/c ミューオンビーを3テスラ磁場中、軌道半径33.3cmに300μ秒ほど蓄積する。
(a) ビーム蓄積磁場の均一度0.5ppm(b) ビーム広がりをサブミリに抑える

66cm
7.4nsec

コンパクト強磁場リングへの水平入射は技術的に難しい:•１ターン以内に水平キック(~ 60 mrad)•3[T] 磁石のフリンジフィールドをキャンセル
インフレクター9らせん軌道入射とは？ なぜ必要なのか？

 磁場強度 3テスラ
B

らせん軌道入射

300MeV/c
直径66cm

周回軌道は（ほぼ）2次元平面

垂直方向キック
実験からの要請：300MeV/c ミューオンビーを3テスラ磁場中、軌道半径33.3cmに300μ秒ほど蓄積する。
(a) ビーム蓄積磁場の均一度0.5ppm
水平キックがダメなら、(b) ビーム広がりをサブミリに抑える

垂直キック！

66cm
7.4nsec

コンパクト強磁場リングへの水平入射は技術的に難しい:•１ターン以内に水平キック(~ 60 mrad)•3[T] 磁石のフリンジフィールドをキャンセル
10インフレクター

入射・蓄積部一体型磁石の概念説明
ソレノイド磁石1個ソレノイド軸(Z軸)BR

ソレノイドコイル

F

フリンジ磁場利用 径方向磁場BR
BR がビーム入射角
ビーム

ソレノイ
ドコイル

8 mrad

BR: 径方向磁場成分

度を変える

磁場中の運動： 運動量絶対値 pは一定
 ビーム入射角度とフリンジ部の磁場BRの関係は一意 q BRZp tan 利点：• 入射部と蓄積部を長手方向に距離を取りつつなめらかにつなぐ。
• 一体型磁石を採用可能で外乱要因を除き、蓄積部の誤差磁場を小さくする。
難しい点• フリンジ磁場中を通すために、ビーム運動を水平垂直で強く結合(X-Yカップリング）させる必要がある。

どんなビームを準備すればよいか？

d

磁石外高さ50cm

ソレノイド磁場 軸対称な磁場軸対称な軌跡群
水平垂直結合：X-Yカップリング 軸のまわり～10°入射可能
 回転中心が1mm程度ずれても入射可能X’ (rad)

Vertical: Y(cm)

断面形状

Outside ofmagnetY’ (rad)

X-Yカップリングを考慮し1ミリ四方の断面に500サンプルを入射した例。
（アクセプタンスの上限を現在見積もり中。）

磁石外でのビーム初期パラメタ

d30cmslope q BR
p tan 3mmhorizontal
Horizontal: X(cm)X(cm)

verticalY(cm)どんなビームを準備すればよいか？

d

磁石外
高さ50cmソレノイド磁場 軸対称な磁場軸対称な軌跡群
水平垂直結合：X-Yカップリング 軸のまわり～10°入射可能
 回転中心が1mm程度ずれても入射可能
3mm

X’ (rad)
Vertical: Y(cm)Vertical: Y(cm)

断面形状

Outside of
Height 50cm
magnethorizontal
Horizontal: X(cm)Horizontal:X(cm)X(cm)

Y’ (rad)
Vertical: Y(cm)

X-Yカップリングを考慮し1ミリ四方の断面に500サンプルを入射した例。
（アクセプタンスの上限を現在見積もり中。）

磁石外でのビーム初期パラメタ

d30cmq BR
Heightslope30cm
p tan 

verticalHorizontal:X(cm)Y(cm)

どんなビームを準備すればよいか？

d

磁石外
高さ50cmソレノイド磁場 軸対称な磁場軸対称な軌跡群
水平垂直結合：X-Yカップリング 軸のまわり～10°入射可能
 回転中心が1mm程度ずれても入射可能

X-Yカップリングを考慮し1ミリ四方の断面に500サンプルを入射した例。
（アクセプタンスの上限を現在見積もり中。）

magnetY’ (rad)
Vertical: Y(cm)Outside of
断面形状 フリンジ磁場に合うようにXYカップリングの調
Height 50cm
q B


3mm

X’ (rad)
Vertical: Y(cm)Vertical: Y(cm)

磁石外でのビーム初期パラメタ

d30cmHeightslope30cm
R

整をしたビームを入射すれば高い入射効率
p tan を期待できる。

計算上はこれでよいが・・・
実証実験が必要
horizontal

Horizontal: X(cm)Horizontal:X(cm)X(cm)

verticalHorizontal:X(cm)Y(cm)

蓄積リングとビーム入射イメージ
超電導ソレノイド磁石• 中心磁場 3テスラ
• 高さ3ｍ• 鉄ヨーク外半径 2ｍ
天板（純鉄）

LINAC

トンネル
ポールチップ（純鉄）

円筒型
リターン（純鉄）

超電導主コイル
1/4モデル(OPERA)
2013/9/1915蓄積リングとビーム入射イメージ
超電導ソレノイド磁石• 中心磁場 3テスラ
• 高さ3ｍ• 鉄ヨーク外半径 2ｍ
天板（純鉄）

LINAC
ソレノイド磁石具体設計進行中
KEK低温センター
日立研究所と共同研究

トンネル
ポールチップ（純鉄）

円筒型リターン（純鉄）

超電導主コイル
1/4モデル(OPERA)
2013/9/19

16蓄積リングとビーム入射イメージ
超電導ソレノイド磁石• 中心磁場 3テスラ
• 高さ3ｍ• 鉄ヨーク外半径 2ｍ
天板（純鉄）

LINAC
ソレノイド磁石具体設計進行中
KEK低温センター
日立研究所と共同研究

トンネル
ポールチップ（純鉄）

円筒型
リターン（純鉄）

超電導主コイル
1/4モデル(OPERA)
2013/9/19

17

磁石の大きさ、磁場の強さは医療用ＭＲＩ磁石程度
放射線医学総合研究所
3テスラソレノイド型MRI磁石

+

0.66m

磁場測定システム開発のため、共同研究中
18

キッカー装置：軸対称径方向パルス磁場Bkickソレノイド軸方向の動き 8mrad を垂直キックするz=/Tkickr

パルス電流pz 0
1  cos  t  t0   0p z t  2

Bkick(r,z,t)=Bkick(r,z) sin(t)Bkick(r,z) ~1.5 Gauss••

2ペアの内外銅コイル

2013/9/19

Tkick/2=200 nsec

径方向33cm±5mm 範囲で1%程度の均一度ソレノイド軸方向（高さ）±10cm 程度

I(t)=Ipeak sin(t)Tkick/2=200nsec
Ipeak 100A/coil
高電流パルス電源が必要
19パルス高電流電源の開発

Current
Transfer+20kV , 1nF+Kicker
coil

1M

Signal ofCT

Thyratronswitch

10W
+20kV
DC

科研費 若手Ｂ

3HG

Inner
andoutercoils

2013/9/19

Input 15kV
8V 80A/coil
200nsec

20キッカーテストベンチ
コイル

CTで電流を測定

Pick-up coilで磁場測定
科研費 若手Ｂ
2013/9/19

10W+20kV DCThyratron switch

21

生信号 Bkick(t)2012/8/3

300nsec

Current transfer
Inner and outer coils

Signal from pickup coil(differential amplifier+ integrator)• 電流 I(t) の時間構造はハーフサインになっている。（300nsec200nsecにしたい：コイルインダクタンスで調整を試みる）• 磁場の空間分布は？

フェライトコアを高電流ラインにまきつけて EMC
ノイズを軽減2013/9/19

22

磁場の空間分布測定 Bkick(z,r)
磁場の仕様 ;
• 1.5ガウス程度• 径方向 33cm±5mmで均一度1%(ソレノイド軸に沿って ±10cm)

mV

Uncertainty for each point isfrom reading fluctuation ofoscilloscope

Target region
R=33+/-0.5cm
Z=+/-10cm

2 Gauss

Solenoid andradial axes1 Gauss• ピックアップコイル付きプローブはソレノイド軸に沿ったZ方向、と径方向に移動できる,• 写真からの明らかなように、1% 均一度を評価するには厳しいセットアップだが、 30.5 <R<35.5cm along 0 <z <10cmの領域で均一度 5%を確認している。
2013/9/1923

磁場の空間分布測定 Bkick(z,r)
磁場の仕様 ;
• 1.5ガウス程度• 径方向 33cm±5mmで均一度1%(ソレノイド軸に沿って ±10cm)

mV

Uncertainty for each point isfrom reading fluctuation ofoscilloscope

Target region
R=33+/-0.5cm
Z=+/-10cm

2 Gauss

Solenoid andradial axes

1 Gauss• ピックアップコイル付きプローブはソレノイド軸に沿ったZ方向、と径方向に移動できる,• 写真からの明らかなように、1% 均一度を評価するには厳しいセットアップだが、 30.5 <R<35.5cm along 0 <z <10cmの領域で均一度 5%を確認している。
2013/9/19

24

キッカーテストベンチの今後
 パルス幅300nsecを200nsecにできないか？

example• ピーク電流を上げる方法がシンプルだが、EMCノイズが増えるし、電源負担が大きいのでダメ.
• コイルインダクタンスを小さくするために、右図のようにアルミ板を取り付けてみた.
• パルス幅は細くならなかったが、中心付近の磁場強度が上がった ビームの広がりを考慮した、キッカー磁場の時間空間分布仕様を決める
Non aluminum plates caseCT

2013/9/19

Pickup coil
Pickup coil25

キッカーテストベンチの今後
 パルス幅300nsecを200nsecにできないか？

example• ピーク電流を上げる方法がシンプルだが、EMCノイズが増えるし、電源負担が大きいのでダメ.
• コイルインダクタンスを小さくするために、右図のようにアルミ板を取り付けてみた.
• パルス幅は細くならなかったが、中心付近の磁場強度が上がった ビームの広がりを考慮した、キッカー磁場の時間空間分布仕様を決める
Non aluminum plates caseCT

2013/9/19

Pickup coil
Pickup coil26

実作業は中山さんが主に行いました
キッカーコイル組立

ピックアップコイル試作
2012年8月
H. Iinuma

Prof.
Nakayama

磁場測定

Myson
2013/9/1927

まとめと今後
 3次元らせん軌道入射の概念設計を行った。
 キッカーテストベンチを構築し、磁場測定を行い、空間時間分布を確認した。
 ビームの広がりを考慮した、キッカー磁場の時間空間分布仕様を決める。
 入射実証試験を行うため、電子銃を用いてスケールダウンしたテストベンチを構築し、キッカー装置を組み込む。
 コラボレーター募集中！
小型ソレノイド磁石
電子銃(~100keV)

コリメータ

収束磁石、ステア
リング磁石

100cm

キッカーも入れたい
中心磁場0.1T 軌道半径12cm
軌跡確認用に蛍光板を数か所、入射ビームプロファイルモニタを設置する。
2013/9/19

28

backup2013/9/1929パルス磁場測定セットアップ

Solenoid andradial axes

1. Pickup coil (we try several types)• Area R=5, 10 and 15mm
• 30~100 turns
2. Find better parameter of analog integrator (R-C)
3. Noise reduction
Resister for• Dumping resistance
damping• difference amplifier
Pick-up

Difference
amplifier2013/9/19

oscilloscope•

R-C
integrator•

Trigger(Functiongenerator)

Arm picks up
background
EMC noise.
Therefore, weuse difference
amplifier.

30