【プレスリリース】超小型蓄積リングに荷電粒子ビームを入射する「３次元らせん入射手法」を開発
世界で初めて実験的に実証　次世代加速器技術への展開目指す

＜研究方法＞

　新しい入射手法の概念設計を2016年の論文にまとめると同時に、３次元らせん入射手法によるビーム蓄積を実証するため、茨城県つくば市の高エネルギー加速器研究機構（KEK）内に電子ビームを用いた実証実験専用のビームラインを構築しました（図3）。実験では、運動量297 keV/c、パルス幅100 ナノ秒の電子ビームを直径22 センチメートルの ソレノイド型蓄積磁石に斜めに入射し、らせん状に周回させながらキッカー装置による鉛直方向のキックを行って蓄積軌道へ導きました。

　はじめに直流の電子ビームを用いてビームラインの調整を行い、設計通りの経路でソレノイド磁石内部の蓄積槽へ３次元らせん入射できることを確認しました（第1の難関）。その後、電子ビームを電磁チョッパーで切り出し、ビームキッカーと連動させて、蓄積層内部にビームを留める（第2の難関）へと移行しました。

＜本論文成果＞

　この蓄積リングでは、ビームが4.7ナノ秒で１周するため、一般の加速器で採用される従来のビーム入射手法（1周回以内に入射軌道から蓄積軌道へとビームキックを完了させビーム蓄積を行うこと）はキッカーを駆動するパルス電源の技術的な制約により極めて困難です。そこで、軸対称なビーム軌道の利点を最大限に生かし、複数周回するあいだに軸対称なキックをあたえ、入射ビームをソレノイド磁石内部の蓄積領域に留め置く手法を取りました。

　蓄積ビーム由来の信号の検出には、プラスチックシンチレーションファイバー（SciFi）を用いた検出器を使用しました（図4）。この検出器を蓄積領域に挿入し、周回する電子が SciFi に入射した際に発生する光を光電子増倍管で読み出すことで、蓄積ビーム由来の信号を観測しました。本研究では、入射前のバックグラウンドノイズの標準偏差を基準として、検出信号が5σを超えた状態で1 マイクロ秒以上継続することをビーム蓄積の判定基準としました。これは、入射ビームの時間幅である約100 ナノ秒より十分に長く、ビームが蓄積リングを200周以上周回する時間に相当します。

　この判定基準に基づき、キッカー装置を動作させた場合と動作させない場合の信号を比較しました（図5）。キッカー装置を動作させた場合には、SciFi 検出器の信号が5σを超えて1 マイクロ秒以上継続し、ビーム蓄積の判定基準を満たしました。一方、キッカー装置を動作させない場合には、信号の継続時間は入射ビーム幅と同程度の約100 ナノ秒にとどまり、ビーム蓄積の判定基準を満たしませんでした。この明確な差によりキッカー装置による複数周回にわたる鉛直キックによってビーム蓄積がなされている、すなわち３次元らせん入射手法によるビーム蓄積が達成されたことを実験的に確認しました。

　さらに、観測された信号が単なる一時的な通過粒子や装置由来の偶発的な信号ではなく、意図した蓄積領域に蓄積されたビームに由来することを確認するため、蓄積磁場の条件を変えながら測定を行いました。ソレノイド型蓄積磁石の磁場分布を変化させ、検出器の挿入位置を変えながら蓄積ビーム由来の信号量分布を測定したところ、磁場条件の変化に対応して、蓄積ビームが観測される領域も系統的に変化しました（図6）。この測定結果は数値シミュレーションによる予測と一致しており、観測された信号が、３次元らせん入射手法によって弱収束磁場中に蓄積されたビームに由来することを示しています。

　３次元らせん入射手法は、粒子寿命の長短にかかわらず、原理的にはさまざまな荷電粒子ビームに適用できる入射手法です。特に、短寿命粒子を用いた精密測定実験では、粒子が崩壊する前に、小さく制御された空間内にビームを蓄積することが重要になります。本研究で実証した手法は、従来のビーム入射手法では実現が難しかった小型蓄積リングへのビーム入射を可能にするものであり、次世代のコンパクト蓄積リングを用いた精密測定実験への道を開く成果です

　本研究は、複雑な磁場中で荷電粒子ビームをどのように制御するか、という新しいビーム制御原理の実用例でもあります。特に、磁場中で保存される「正準運動量」という物理量に着目することで、従来よりも柔軟なビーム軌道設計が可能になると期待されます。

　今後は、この考え方を任意の磁場中でのビーム制御・ビーム輸送設計へ一般化し、基礎物理学実験だけでなく、医療用・工業用加速器の小型化・高精度化への応用も目指して研究を進めていきます。