ILC のためのビームサイズモニタの開発

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

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)

概要 • ILCについて • 極小のビームサイズの必要性 • ビームサイズモニタ • 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

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

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

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 • 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）

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　　L＝f N2／S • ルミノシティーを高めるには • 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 N N S

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

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）

ワイヤスキャナの原理 γ線ワイヤー電子ビーム

レーザーコンプトン干渉モニタの原理（１）

レーザーコンプトン干渉モニタの原理（２） γ線 γ線量 ΔN 干渉縞の位置電子ビーム

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ちょうどよい大きすぎる

干渉縞の形成 θ θ

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

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

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

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 • 位相を安定化 • レーザーの入射角を4通りに変えられる • 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 • S/N比を上げる

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

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

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？

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？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。

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。

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）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。

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）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） • 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。 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

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）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。

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？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。

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