Transcript ビームサイズモニタ
ILCのための ビームサイズモニタの開発 東京大学 駒宮研究室 山中 隆志 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 1 ビームサイズモニタ メンバー 末原大幹（D3) 依田博太郎（M2) 大録誠広（M1) 山中隆志（M1) 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 2 概要 ILCについて ビームサイズモニタ 極小のビームサイズの必要性 ワイヤスキャナー レーザーワイヤー レーザーコンプトン干渉モニタ 測定原理 FFTBでの結果 ATF2への設置 質問への回答 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 3 ILCとは？ International Linear Collider 国際的な協力の下に、開発が進められている 電子・陽電子型の線形加速器 衝突時の重心エネルギー 500GeV～1TeV エネルギーはLHCには及ばないが、ハドロンの 破砕反応のないクリーンな反応 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 4 線形加速器を選ぶ理由 円形加速器ではSynchrotron放射により、加速 エネルギーに限界がある 単位時間当たりの放射エネルギー これを補うには大きな電力が必要 または、リング半径を大きくする 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 5 線形加速器での難点 大きな加速勾配が必要 加速に距離が必要になると加速器が大きくなる ルミノシティーが小さい 2007/8/23 円形加速器とは違って、一つの粒子は一度しか衝突 に関与しない （高エネルギーでは、反応断面積が減少する） 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 6 ルミノシティーの定義 反応確率 Γ＝f N2σ／S ＝Lσ 1バンチあたりの粒子数 N ビームの面積 S ビーム周波数 f 反応断面積 σ ルミノシティー N S L＝f N2／S ルミノシティーを高めるには 2007/8/23 N 1バンチあたりの加速粒子数を増やす ビーム周波数を高める 衝突点で電子ビームを極限まで細く絞り込む 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 7 ILCでの電子ビームのデザイン 重心エネルギー 500GeV ピークルミノシティー ～2×1034 cm-2・s-1 ビームサイズ（ｙ方向) ～5nm ビームサイズ（x方向） ～500nm 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 8 ビームサイズモニタ ワイヤスキャナ レーザーワイヤー レーザーコンプトン干渉モニタ（新竹モニタ） 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 9 ワイヤスキャナの原理 ワイヤー γ線 電子ビーム 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 10 レーザーコンプトン干渉モニタの原理（１） 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 12 レーザーコンプトン干渉モニタの原理（２） γ線 γ線量 電子ビーム 2007/8/23 ΔN 干渉縞の位置 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 13 レーザーコンプトン干渉モニタの特徴 最小でレーザー波長の半分の間隔の干渉縞 干渉縞の間隔に合った大きさのビームサイズに 対してのみ、精度良く測れる 小さすぎる 2007/8/23 ちょうどよい 大きすぎる 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 14 干渉縞の形成 θ 2007/8/23 θ 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 15 FFTBでの結果 レーザーコンプトン干渉モニタはSLACの線形加 速器（SLC）で、すでに検証されている 測定されたビームサイズ 70nm 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 16 モニタのレイアウト 真空チェンバー (中心を電子 ビームが通る） レーザー の光路 レーザーの入射角 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 17 ATF2での検証 KEKのATF2に設置予定 ATF2 ← ILCの最終収束システムのテスト ビームサイズ35nm（設計値） モニタを再設計 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 18 新しいレイアウトでの変更点 位相（干渉縞）をモニタして、フィードバック レーザーの入射角を4通りに変えられる 位相を安定化 広いレンジのビームサイズを測る レーザーの強度を増す 2007/8/23 S/N比を上げる 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 19 モニタの新しいレイアウト レーザーの 光路軸 真空チェンバー 干渉モニタ レーザー入射角 切り替え 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 20 まとめ ILCでは、極小のビームサイズが必要 直接測定が可能なビームサイズモニタは、現在 のところレーザーコンプトン干渉モニタのみ 新しく設計を行い、ATF2に2008年2月設置予定 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 21 質問への回答 なぜILCの電子ビームのサイズは、垂直方向と 水平方向で違うのか？ ILCのビームサイズを測ることはできるのか？ ビームサイズの誤差はどのように見積もられて いるのか？ ILCでは電子ビームはパルスだが、測定もパル スごとに行うのか？ 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 22 なぜILCの電子ビームのサイズは、 垂直方向と水平方向で違うのか？ リニアーコライダーでは、ビームを小さく絞るため、 衝突点での相手方のビームのつくる電磁場が非 常に強くなり、シンクロトロン放射をし、エネル ギー幅ができてしまう。 縦横比の異なるビームにすることで、この効果を 減少することができるので、水平方向にある程 度の大きさを持たせ、垂直方向に極限まで絞る ことにより、ルミノシティーを増加させる。 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 23 ILCのビームサイズを測ることは できるのか？ ILCで予定されるビームサイズは5nmに対し、これから ATF２で測ろうとしているビームサイズは37nmである。 このとき、用いるレーザー波長は532nmで、35nmなら ±2nmの誤差で測ることが可能と見積もられている。 現在、実用可能な短波長のレーザーとしてはF2レー ザー（153nm)などがある。 相対誤差を保ったままだと、10nmが限界となるが、相 対誤差の増加を許容すれば、5nmの測定も可能である。 そのときの、誤差は1nm程度になると見積もられている。 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 24 ビームサイズの誤差はどのように 見積もられているのか？（１） 電子ビームと、レーザーの干渉縞の密度分布の 形状は既に分かっている。 γ線検出器で得られた、γ線量と干渉縞位置の関 係をプロットする。 電子のビームサイズをパラメータとして、電子 ビームと干渉縞の重なり具合で、得られたデータ をフィッティングすることにより、ビームサイズが 求まる。 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 25 ビームサイズの誤差はどのように 見積もられているのか？（２） γ線量 ちょうどよい 大きすぎる 小さすぎる 小さすぎる ちょうどよい 大きすぎる 干渉縞の位置 このとき得られるデータは、干渉縞に対するビームサイ ズの大きさによって上のように変わる。 小さすぎると、γ線量が極大、極小のまわりではほとんど 変わらなくなり、ビームサイズの変化がわかりにくい。 逆に、大きすぎるとγ線量の変化が全体を通して、少なく なり、γ線の検出誤差が効いてくる。 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 26 ビームサイズの誤差はどのように 見積もられているのか？（３） 以上から、干渉縞の間隔に応じて感度のよい ビームサイズが存在することがわかる。 532nmからつくられる、266nm間隔の干渉縞で は50nmのビームサイズに最も感度がある。 しかし、感度を落とせばより小さいビームサイズ も測定可能である。 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 27 ILCでは電子ビームはパルスだが、 測定もパルスごとに行うのか？ 一つのパルスに対し、１回の測定が行われる。 ただし、ILCのマルチバンチには対応していない が、ビームサイズモニタとして機能するにはこれ は必要ない。 １パルスごとに測定を行うので、干渉縞の位置 が常に安定している必要があり、これが最重要 課題となっている。 2007/8/23 東京大学 山中隆志 @ 原子核三者若手 夏の学校 高エネルギーパート 28