INSTITUTE FOR NUCLEAR STUDYUNIVERSITY OF TOKYOTanashi, Tokyo 188Japan

I N S T 4 7 7

December 1987

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INSTITUTE FOR NUCLEAR STUDY UNIVERSITY OF TOKYO Tanashi， Tokyo 188 Japan

|INSー T-4771

December 1987

TOPAZ検出器のビームパイプシステム

森本照久

吉岡正和

東京 大学 原子核研究所

I N S - T - 4 7 7

D e c e m b e r 1 9 8 7

B E A M P I P E S Y S T E M O F T H E T O P A Z D E T E C T O R

Teruhisa H0RIK0TO and Hasakazu VOSHIOKA

I n s t i t u t e for Nuclear Study, The University of Tokyo,

Midori-cho, Tanashi-shi, Tokyo 188 JAPAN

ABSTRACT

A beai pipe systei of the TOPAZ detector is constructed. The beai pipe is•ade of aluiiniui and is consisted of a thin nailed pipe at the collision pointwith an inner diaieter of 178 ••, a pipe with a cylindrical distributed ionpui? and a pipe at the luiinosity lonitor. The beai pipe and the •asking systeiare designed to reduce the background due to the synchrotron radiation froithe quadruple lagnets and the off-ioientui electrons caused by the beaa-rasbreisstrahlung.

INS-T-477

December 1987

BEAM PIPE SYSTEM OF THE TOPAZ DETECTOR

ABSTRACT

Teruhisa KORIKOTO and Kasakazu YOSHIOKA

Institute for Nuclear Study， The University of Tokyo，

Midori-cho， Tanashi-shi， TokYo 188 JAPAN

A beal pipe syste・ofthe TOPAZ detector is constructed. The bea・pipeis ndeロfaluliniul and is consisted of a thin valled pipe at the collision point

vith an inner dialeter of 178 ・・， a pipe vith a cylindrical distributed ion pUlP and a pipe at the lu・inosity・onitor.The bea・pipeand the ・askin(syste・are designed to reduce the background due to the synchrotron radiation frol

the guadruple lagnets and the off・10・entu・electronscaused by the bea.-~ä5 brnsstrahlung.

B E A M P I P E S Y S T E M O F T H E T O P A Z D E T E C T O R

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1. Itt&lz 1

2. t;-AA°-ry — i

2-1 mm - - i2-2 t*-A/\°-f7°0WS — 32-3 f^K>f — - 42-4 «M(O^-A/H/ 42-5 ^D-XA-fT" - 6

2-6 i&frTLfrW-

TRISTAN-TOPAZ *tffl»[l]

5x 1 0 - 10 Torr U l T f ' 4 S C £\ZhtZo

100 •

TOPAZ, VEHOS, AMY 1ft(i}»idt Inner DriftChaiber (IDC) [2] T * * . @ fc * 3 ft * »fc IDC ©rtg( i 200 •• ,

600 • • T * * . ^ - A A W / B : © *

3 / i/ 9 4 Ê - ^ - * f - A fc {ti* * «ftifi v̂ i: c 5 izfStmt ZHllz

200 • • [:

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- i -

1 .はじめに

TRISTAN-TOPAZ検出器[1]は1987年春に完成し、ビーム衝突領域にロールインされ物理

実駿を開始した.ごごではその検出縄のビームパイプシステムについて報告する.

ごのビームパイプシステムを設計する上で我々は先ず次の事柄を考慮した。

(1)ビームパイプはストレジリングの真空路の一白書である.従って先ず超高真空容器とし

τの仕様を満たさねばならない。(2)ビームパイプをいったん検出掛に組み込んだ後には故障が生じた嶋合の修理は容易に

は行えない。従って長期的な使用に対す~信頼度には格段の注意を払う必要がある.

(3)衝突点近傍では、衝突点と検出掃の聞の物質により多重散乱による誤差を生じたり、

γ綿による電子対生成が起こる.従ってこの物質量を出来るだげ少な〈する.

(4)ビームに伴うパックグラウンドが、検出掛におよぽす膨響を出来るだけ少な〈する.

(5)製作に要する費用が適当であること。

(6)他の検出器との取合いや、検出器を衝突点へロールインする時の組み立て手順等があ

まり複雑にならないこと。

製作に当たっては、実績の定まっていない方式の採用は最少に留め、新しい方式の導入

に際しては十分に試験を行った後使用することとした.また我々はテストベンチにおいて

予め全τのチェンバーの到遣真空度が 5x 10 -10 Torr 以下になることを確認することにした。

ビームによるバックグラウンドに対しては、衝突点の両側のそれぞれ約 100・ の畏い

直線部に設置するマスキングシステムのデザインと合わせて考えなければならない.この

マスキングシステムについて宮、 TOPAZ.VENUS， AMYの各実駁グループと TRrSUN 加速

器グループが合同で検討を進ω、具体的な設計、製作は加速器グループによりなされた.

2 .ビームパイプ

2-1概要

第 l 固に TOPAZ検出稼の全体を示す.ビームに最も近い検出畿は Inner Drift

Cha・ber(rDC) [2]である.固に示される様に IDCの内径は 200町、そしてソレノイ

ド電磁石のポールチップの内極は 600・・である.ビームパイプはこの中に納まる織にし

かっルミノシティモニターをビームに出来るだけ近いところに麓置する様にしなげればな

らない。このIDCの内径は検出器を出来るだけ衝突点に近ずげたいということと、ビーム

パックグラウンドの原因となるシンクロトロン放射光やビームハローを出来るだげ検出器

に膨嘗をおよぼさないままで遭遇させたいというこつの要求から 200..に決定した.

衝突点(以下回と称する)に最も近い回毎電磁石は当初は常伝事電磁石 QCl が使用さ

- 1 -

TOPAZ DETECTOR MDC Chimney* ' r1 r1 r1 |J r1 ft3 7 / fJ ^

V- Re t u r n Y o k e .\ ^ \ \ \ \. \ \ \ \ \ \ \X

JSuperconducting Solenoid

Luminosity MonitorBeam Pipe

4 m•?-•*-!T

TOPAZ DETECTOR

4

ギグづづづ/Muon

3fM57M??ち，T1L1吹1、

J 2イ

MDC /Chimney

Luminosity Monitor

Beam Pipe

「寸

4 m ..-・・-11第 l 国 TOPAZ実融装置の概慎固と断面図

-2 -

QCI © CP %*):7f*/ A(3) X T > M , S

(4) * « « . CFRP

(1) TRISTAN ©K^i/X7:A4:LTftffl$tlTfc0. fif f «U

(2) fcr-*/<(3)(4)

1/410

T 3.5

- 3 -

れる。 QClの CP寄りの端函と CPとの距障は 4500 ・・であるが、将来はルミノシティ

を上げるために、超伝導四極電磁石 QCSをさらに CPに近ずけて入れる予定になってい

る。そのクライオスタットの CP寄りの端面と CPとの距障は 2500・・ である.従って

CPから 2450・Eの位置でフランジにより直線郁のビームパイプ(QCSチェンバー)と接

続出来る様にするということにした.

今回 TOPAZ グループの方で直接製作を担当したのは、 CP をはさんだ全長 4900・・

のビームパイプである.第 2 図に TOPAZ 検出掛内のビームパイプを示す.我々は組み

込み手順を簡単にするためと、持来ビームパイプの一部に変更の必要が生じた場合に交換

すべき部分を最少にとどめるたの全長 4900・E のビームパイプを次の合計 7 本のパイ

プに分割した。

(1) 衝突点用の薄肉パイプ 1 式

(2) 長さ微調節用のベローズパイプ 2式

(3) 円筒形組み込み型イオンポンプ付パイプ 2 式

(4) ルミノシティモニター用パイプ 2 式

フランジは全てコンフラットタイプにし、またサイズは規格品を使用する便利さよりも検

出器の空間を出来るだけ有効に生かすことを優先することにしたので全て規格外である.

2・2ビームパイプの材質

ビームパイプの材質として色々なものが考えられるがその一部を以下に挙げる.

(1)アルミニウム

(2)ベリリウム

(3) ステンレス、鋼、チタンなどの金属

(4)その他、 CFRP やハネカム構造などの新素材

我々は、この内次のような理由からアルミニウムを使用することを決定した.

(1) TRISTANの真空システムとして使用されており、電子蓄積リングの真空チェンパー

としての実繍が既に十分にある [3]

(2) ビームパイプ壁の物質量を少なく出来る.

(3)価格がステンレスとあまり変わらない。

(4)軽量であるので組み込み作業が楽である.

その他にも衝突点近傍のみベリリウムにすること、およびノーメックスのハネカムとカ

プトンのサンドヰッチ情遣にすることも検討した.その編合、双方とも物質量はアルミニ

ウムの1/4 に出来る。しかしベリリウムの場合はアルミニウムとベリリウムのトランジ

シヨンの製作は圏内では出来ずしかも価格がアルミニウムの場合の約 10倍と高いことか

ら今回の採用を見合わせた.ハネカム構造のものについてはテストチェンパーの試作をし

て実厳を行った.この結果について詳しくは別途報告する [4] が、強度については絶対庄

で 3.5 気圧の外圧に耐え、しかも価格もアルミニウムとほとんど同程度で製作曲来るこ

-3-

ft.

-5 15] .* ; : fc t L f t . CFRPt'O^T « VENUS Group

2-3 r X h

tilt ICF 203

IJ 150 'CW

59

2-4

TPC

IDC

KOTO2230

5100

2 m TOPAZ

PoleTIp^

QCS

- h a * 2 y> 152 © # - h * > ' l ^ r f c i t / 70 (D*:~h*» 2- * / l 'KUSf^ i l g t * * ' 250 C/s •# y 7' $ Jfx 0 ft

4 170 Jf /s

1.8 • •

-•onentuu electron > K V - X

zoo •• i? S

V Bit zi -f ^T• & -5 . z t i i : J:

150 °CT 8

TO * f L /C

223060

35

off

- 5 -

類製作し、当初は1.8闘のものを使用している.この衝突領域以外の部分のパイプの肉

厚は 5闘 である。ビームパイプの内径は後で触れる織にシンクロトロン敏射光や off

-110圃entu圃 e1ectron などのパックグラウンドゾースを遭遇させるため出来るだけ大きく

するという方針をとった.そのためにフランジを脱着可能な補造にしフランジを取り外し

た状態で内径 200・・の IDC にパイプを掃入するという方法を採った.このことにより

内径 200・E の IDC に外径 17811.のピームパイプを縛入することが可能となった.

星鐙旦800

800

1 t_ 2 It* It 412(1-V2) r + n « ( n z - l ) U ' J (D

t a f t* , n= 80 ci, r = 8.6 c>

* 1

265 H T CP

2-6

2-5 ^ q -

4900 •• (OfttmSrtOf-A/Wrt 6*7^7 =7 y V \z J;

- S / a V ! * QC1 i: QC2

- 6 -

i t S

^ 7 V >Jt

•Htf «)

«)P (••)

t/AR x

(ci)(kg/crf) xio6

(kg/ » £ )

t) (kg/crf)10- 3

Be (*)1.82

35.2

3.16

0.05

- 6 0

6

0.9

3.1

2.55

AK5052)2.7

8.9

0.75

0.34

18~22

19

1.53.26

18.75

SUS

7.9

1.76

2.0

0.3

50

40

1.0

2.77

56.8

薄肉パイプの機械的強度

外圧を受ける薄肉円筒の座屈限界圧力 PCは

Et .， .， .. 1 . t ι P c τ[ (n2.-1) '12 (日可 (~)2 .. n4(~L訂 {-})4J (1)

と表される。ここで r は内径、 E はヤング率、 t は肉厚、 n はへこみ数、 v

はポアソン比、 Eは円筒の長さを表している o il = 80 c圏、 r 8.6 c.の円簡について

、アルミニウム、ベリリウムおよびステンレスの各種定数と座屈限界圧力を表 1 にまと

めておく。

表 1

Be (事〉 Al(5052) sus

比重 1.82 2.7 7.9

ふ〈射長 (c圃) 35.2 8.9 1. 76

ヤング率 (kg/clf) X 106 3.16 0.75 2.0

ポアソン比 0.05 0.34 0.3

引碩り強き (kg/踊 2 ) __ 60 18-22 50

伸び(%) 6 19 40

肉厚 (圃圃) 0‘9 1.5 1.0

座屈限界圧力 (kg/ clf) 3. 1 3.26 2.77

t/λR x 10-3 2.55 18.75 56.8

(串)押し出し棒

2-5ベローズパイプ

全長 4900・・ の検出器内のビームパイプに 6カ所フランジによる接続部分があるので、この様続部分から生ずるフランジ函の平行度の誤差や、また各パイプの製作時における

長さおよびフランジ面の平行度の誤差を吸収するために第 5 固に示す様なベローズflパ

イプを設げた.パイプの全長は 265..で CPから遺ざかるにつれ若干テーパー状に径が

大きくなっている.このベローズ付パイプは実際の組み込み作業の時に最終的に長さ等を

調節する上で非常に有用であった.

2-6組み込み型イオンポンプ付ビームパイプ

亜里衝突点に最も近いポンプステーション!ま QCl と QC2 の聞である。従ってポンプステ

-6 -

- i / a

CP

CP 10 •

CP ••

210 • • T CP268 • • t L * . c t l t t CP t )l S. / i/ r -i * - ^ -

450

t . CP

c 30 • • x S a « X > J < i r h t 110

(T75)

1 si; I• + •

- 7 -

ーションの間隔は CPを中心として約 10・と畏い。そこで検出掛内のビームパイプの真

空度を良〈するために検出掛自体のソレノイドマグネットによる磁場を利用した円筒形の

組み込み型イオンポンプ (DIP)を CPからま 1560・E の位置のビームパイプに取り付ける

ことにした。その図をベローズ付パイプと合わせて第 5 図に示す。パイプの会長は 450

園田、 CP 寄りの内径は 210..で CPから遺ざかるに従いテーパー状に径を大き〈し、 CP

より遠方の端部の内怪は 268..とした。ごれは CPとルミノシティモニター聞の物質量

を出来るだげ少な〈するためである.またビームのウエークフィールドにより、ポンプエ

レメントが発熱しない様、ポンプ部分にはシールドを施した.このシールドにはポンプの

実効排気速度をあまり低下させない織に 30・圃 x 5 ..のスリットを 110 ケ詰けた.

一λh町

甲止

+ ... ... 頁手+1

明一!庫

之】

第 5固 ベローズパイプおよび組み込み型イオンポンプ付ビームパイプ

-7-

DIP (OfX hDIP ©ttSgaSBmSS 6

, P i 500 •• . ft£ 345 ••ft. mmitikJZ 2.5 kG

3KSH* 2.3 kG

8.7 x 10 " * Torr

fc «, 150 "C T 24

»' 10 kG

6 m DIP

DIP &T CP *» 6 # > •? % T - 5/ 3

* 3 - KVAPP [6] T , *£>#§.*£§£ 7

- v 3 >r& DIP100 Q /s fc' 50 £ / s , T ^ ^ X | S1 x 10 " * Torr • £ /(s • cii) T

at £«[ffi $ ti -s, DIP

{̂ S .11 (c «fc i) CPt::isid: DIP **iiv>ii^© 1/3

,lnmr Drift

10

2-7

^ ? - * * CP

US 8 c CP . * 3 V >• r -f * ^ •> Bhabha It

Off-«oientui electronT V ^ c Sfc Bhabha ». ? 6 ( - IDC

v v; -i \>'Ltz

r-f * - ^ - ( * f -

: DIP

2・7ルミノシティモニター用ビームパイプ

皇室この部分のビームパイプはルミノシティモニターが CPを望む都分のチェンバーの埜の

!事さを出来る限り薄〈作るためと、ルミノシティモニターをビーム軌道に近ずげるために

第 8 図に示す織に CPからテーパー状に径を大き〈し、ルミノシティモニターの部分で

急に径を小さ〈するという構造にした。ルミノシティモニターを置〈位置は、 Bhabha 散

乱の検出効率を高〈したいということとビームバックグラウンドの影響を小さ〈したいと

いうごとの兼ね合いで決定すろ。後の章で詳し〈記述するが、ビームパックグラウンドの

原因であるシンクロトロシ放射光もビームガス制動ふ〈射による Off-.o・entu.electron

もルミノシティモニターの部分では水平方向に偏平な分布になっている e また Bhabba散

乱の微分断面積はビーム軸との角度の 4 乗に比例して減少する.さらに IDC 関係の種

々のケーブル、パイプ類およびルミノシティモニターのライトパイプ等をビームパイプと

ソレノイド電磁石のポールチップとの間隙を過して検出器から出すための空間を確保する

必要がある等の事柄を考慮に入れて、ルミノシティモニターの部分で急に径を小さくした

後はビームパイプは鋤対称でな〈水平方向に畏軸のあるレーストラック形とし、ルミノシ

ティモニターはビームパイプの上下のみに設置することに決定した [7] 0 この様な理由で

ルミノシティモニターの部分で急に径を小さ〈したが、このことによるウエークフィール

ドの彫響を緩和するために固に示す様に DIP 部分と問機な、厚さ 0.5・・のアルミニウ

ムでスリット付のシールドを設けた。

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8.81t.

第 8 図

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側副一一一.J..W-.岨''.1-ーーιιa

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ルミノシティーモニター周ビームパイプ

-9-

: QCS

4 • •

2-8 t ' -

90* DIP «»©^iii=fli 5 Hjc

M12 ©-*->v h * - f t l ^ t l 4 ^rpFf^jgL TPC

A. **»»Bt=J:*«*©*fk

- 1 0 -

脱着式フランジ

ルミノシティモニターの組み込み手順としては、このビームパイプを取り付けた後に挿

入するということにした.そごでルミノシティモニターとビームパイプの間隙を出来る限

り小さくし、ルミノシティモニターをビームラインに近付けるために QCSチェンパーと

按続するフランジは、衝突点用パイプと同じ方式の脱着式とした。即ち、ルミノシティモ

ニターを婦人するときはこのフランジを外しておき、婦人し終わってからこれを取り付け

ることとした。このことによりルミノシティモニターとビームパイプの間隙を上下ともそ

れぞれ 4..と小さくすることが出来た。

2-8ビームバイプの検出器への組み込み

豊重実験グループで製作した金畏 4900・B のパイプを検出器に組み込むのに先立つては、

先ずテストベンチにおいて全て援続した状態でリークの無いことを確認した上で超高真空

まで立ち上げて待機した。組み込みは全体のスケジュールに合わせ TPC および IDC の

組み込みに引き続いて行った。この 4900・・の長さのパイプを衝突点パイプを含めルミ

ノシティモニタ一周パイプまでの部分と、ペローズ付パイプからルミノシティモニター周

バイブまでの部分の二つに分割し、衝

突点パイプの脱着式フランジを外した

状態で IDC の内簡の中へ正規の位置

より 200・圃余分に婦人し、脱着式フ

ランジを取り付けた.続いてこれにベ

ローズ付パイプからルミノシティモニ

タ一周パイプまでの部分を接続し、正

視の位置へスライドさせた.従って検

出器上でのフランジの接続作業は 1ケ

所のみで、後は予め地上で按続された

ままである。これらの作業を容易にす

るためと衝突点部分の薄肉パイプに力

が加わるのを避けるために検出器のポ

ールベース部分に組み立て周治具を設

第 9 図 ビームパイプの組み込み作業

置した。最も外径の大きな DIP の外情部分がこの治具に乗 η、ビーム方向にスムースに

スライドするという槍檎にした.第 9 固にビームパイプの組み込み作業風景の写真を示

す。

ビームパイプの固定

検出語内のビームパイプは撮も外径の大きな DIP 部分の外簡に第 5 国に示す織に円

周方向何度毎に取り付け周の!t12 のナットをそれぞれ 4 ケ所溶接し TPC 内情の内

壁に、取り付け金具により固定した.この金具にはガラスエポキシ (G-I0)製のカラーを入

れ、ビームパイプと検出婚は電気的に絶縁される様にした.また熱膨脹による長さの変化

-10-

Ef QCl>> > h«e-

izML± 0.2 ••I T i 0.5 • •

5 j t LT##(c^fflT*r3 ft.

. End cap caloriiator */l^3 / J/T-f =£=-9

. QCS ? x >M--*-f > t . QCl f i > n - t g « t ^ : . QCl ^*>A-© CP

n-x'*>'&-5©T\ a - ; n -

QCS

y - » T x t-

3 . ¥-1* l\v

3-1 flIS

TRISTAN 0>J8£fc:'-.Mcft-5A'y VV'ytjy YW-t L

CD •;>^©> » » * (SR)

(3) t'-^AOff-io»entui electron

tc TRISTAH

- 1 1 -

を逃がす為に片側はビーム軸方向に自由にスライドする構造にした.この長さ変化は QCl

チェンバーのベローズ鶴分により吸収される.ビームパイプのアラインメントはビーム軸

と直角な面においてはトランシットおよびレベルを用いてソレノイドマグネットのポール

ベース(第 1図参照)の基準点に対し士 0.2..以内の繍度で行った.ビーム軸方向には

このボールベースの画を基準として土 0.5・・以内の精度で合わせた.このとき、以前に

触れた械にベローズ付パイプが「調節しろ」として非常に有用であった.

ポールチップの組み込みとロールイユ

ビームパイプを組み込んだ後の手順は、 Endcap calori.atorやルミノシティモニター

を予め組み込んだポールチップ〈第 l図参照}をポールベースに掃入する.このときはル

ミノシティモニタ一周パイプの脱着式フランジは外した状態にしておき、ポールチップの

掃入が完了した後にフランジを取り付付、 QCS チェンバーを緩続した.この状態で検出

器全体を衝突点へロールインし、 QClチェンバーと撞続した o QClチェンバーの CP欄に

はベローズ部分があるので、ロールインの時はこれを短ぐした状態にしておぐだけで良か

ったので、作業は簡単であった。またビームパイプのアラインメントが前述の精度で出来

ていたので QCS チェンバーとの接続には全〈問題がなかった.

リークテスト

ポールチップを閉じ、検出轄をロールインしていったん実厳が始まると検出器内のビー

ムパイプには近付〈ことが出来な〈なる。従ってりークテストはビームパイプの固定が完

了した段階と、 QCSチェンバーを接続した段階にそれぞれ行い異常が無いことを確起して

いる。

3.ビームパックグラウンドとマスキングシステム

3-1概要

TRISTANの場合ビームに伴うパックグラウンド源として考えなければならないものをま

とのると次の様になる.

(1)リングのアーク部分の偏向電磁石をビームが遭遇するときに紋出するシンクロトロ

ン紋射光 (SR)

('.)リングの直線部の四極電磁石をビームが通過するときに肢出するシンクロトロン放

射光

(3) ビームパイプ中の残留ガス分子とビームが衝突すると制動ふく射を放出し、電子は

エネルギーの一部を失う.これを Off-.o・entu・electron と呼ぷが、これはエネ

ルギー損失が大きいとビームパイプのどこかで衝突し、失われる.これが検出栂近

傍で起こる掲合はパックグラウンドの原因となり得る.

因に TRISTAHの様なエネルギーの高い電子ストレージリングではビーム寿命は主

にこのことによって決まる.

-11-

TRISTAN CP *4>*fc bTPIHfct t 100 • fcSLAC ©PEP * DESY © PETRA

7 -

QC1 T Over-

focus 14

C t fc b ft . * *Beai Stay Clear ( BSCx, BSCy )

ft 0

£*?

BSCx

BSCy

BSCx

BSCy

% ax „ (

fccfctf 1

0

(cm)

"—io -FV

CP*>

(V) -

10 -

(cm)

O.CJ

= 10 X 0x(zero= 10 x

3-2

p

- < P

P y = 4.226 x 10 3 X E ' / p 5 (4)

N = 4.59 x 1O« x ̂ — - p exp[-0.45up/E3] (5)

; c i : o I* kev t ^ A « . *fettlfx^;p^- Uc ii»:0St#X6ft5.

Uc = 2.218 x E 3 / p (6)

a t r -

P = 1 / (K • X ) (7)

TRISTAN 0 « £ , jtl«SI5{Cgii?n^l4 ^*©!B««as*»6«ai? t l* 5/ > ̂ Otffttf ft

* - « < 25

* ** 2.5 n ©»^T*S. ? l t l 10

- 1 3 -

3-2シンクロトロン放射光

シンクロトロン敏射光に閲する詳しい解説は文献 (9]を参照して頂〈としてここでは最

少限必要な結果の式のみ挙げてお〈。

磁嶋中を通過する電子が敏出するシンクロトロン敏射光のパワー(P [GeVts] )は次の

式で与えられる.

Pγ= 4..226 x 10 3 X E 4 /ρE (()

ここにEは電子のエネルギー (GeV]、ρは電子の軌道の幽率半径 (.Jである.

次にこのシンクロトロン放射光の毎秒、ビーム電波 1.A当たり、長さ 1• 当たり放

出される光子個数 Hは光子エネルギ-u が臨界エネルギーUc より高いという条件で近似的に以下のように表される.

ES/2 1 • ^ ._ ~ ，~ .. N = 4.59 x 1016 x ~12.~.exp[-0.45uP/E"] (5)

ここに U は keV で与える.また臨界エネルギー Uc は次の式で与えられる.

Uc = 2.218 x E 3 /ρ (6)

既に触れた様にリングのアーク部から放出されるシンクロトロン放射光は我々の場合ほ

とんど検出器に対するパックグラウンドの原因にならないので以下に直線郁の四極電磁石

から放出されるシンクロトロン放射光について輸ずる.

四極電磁石をビームが遭遇する嶋合、 ρはビームの遭遇する位置により異なる.ビーム

の中心軌道からのズレをE、四極電磁石の強さをEとしたとき ρは次の式で与えられる。

ρ= 1/ (K . X (7)

TRISTAHの場合、直線部に設置された14 台もの四極電磁石から蹴出されるシンクロト

ロン放射光を扱わねばならないし、マスキングシステムの効果も評価しなければならない

。この様な場合は計算は解析的に行うより計算繊による数値計算の方が容易である.そこ

で計算機コードKQRADを開発した.詳しくは文献[10]に眼りここでは計算結巣の一例を第

11図に示す。この計簿はビームエネルギーが 25GeV 、衝突点にお』する水平方向のベー

タ関数 β倹が 2.5圃 の樋合である.そして第 10図に示される様なマスキングシステム

が直線部に設置してあるものとした.この固から分かる様に、シンクロトロン放射光は水

平方向に偏平な形をしている.我々はこの放射光が検出器内のビームパイプを直接照射す

ることが無い様ビームパイプを蹟計した.

-13-

BEAM INTENSITY 1M0*MACHINE ENERGY- 25

dffB Id] = 1.04 X 10 " " X dk/k (10)

i PlTorr] fcf-Sfc.

p [#-?•/ call = 3.5 x 10 * x P[Iorr] (11)

Off-aoientui electron £>%&$ dY ti Revolution frequency $ frev . 2m

dY (s" J ) = (H- frev) • dffB - p • dS (12)

10 iA ?£

5 x 10 " 5 TorrH = 6.2 X 10 u electron , p = 1.75 x 10 8

dY (s" ' ) = 11.2 X dk/k • dS (13)

kiin *»6 kiax * T « ^ - f * i: >

Y (s" ' ) = 11.2 x 6 n(kMx/kiin) X dS (14)

fit: Off-ioientu electron 4*If-2 51

Y (s" ' ) - 44 • dS (15)

CP *^7-^»^-iTcO>Trffl(i[|»3P 100 • fcfcft5 Off-ioientui electron440 kHz fc*«.

fc Off-iowntui electron * a a MQBREMSt v> 5 5/= a. l / - i / 3 > 3 - K*HI8 L *

MQBREMS

. C© Off-ioientui «ft^

- noientui electron && L X L

HIT PARTICLES HIT PARTICLES

200

100

n n

E-CUT=0.02«EOBEAM ENERGY* 2J GEV

[.In2 3 4 5 0 7

MASK

9 10 11

E-CUT=0.Q2itEOBEAM ET£RGY= 15 GEV

n . . n

12 MQBREMS \z J; * Off-ioientui electron5000

. (a) , (b)

. (a)

FMQC5 = 2, FMQC4 = 4, FMQC3 = 6, FMQC2 » 8, FMQC1 = 9,

io . (b) @atn

TOPAZ * a j » { i 1987 *f 3*>' 25 GeV fc 26 GeV

\z U~ L . 5£ . TOPAZ

trigger rate 3 t fc

synchrotron radiation

Off-noientui electron fc J; $ */ -v 7 —

N 5/3 a I'-S'a

7£ IDC ©tf«

IDC

Off-»oientui electron\z%

•> > K V - * t

- J / a > [*« L V̂ 4: ̂ ^ -5

14

v - x # -f y h a CP2000 BD jfi

ft [131. £fcS6 15(c It Hadronic event

(DmimttK IDC ,TPC t t C F 7

Off-ioaentuielectron {'.fc

T0PAZ BED B»M 27.50GiV E> 3.38mA E- 4.40mA97-32-0? 15I+834* EOOO0.HOO133 Eft 443 »Ur6- 10745 Typ-OOl Eld-DC Trq-BDO7 DOOQ TPC-52O0 0304

14 Background event

25 GeV *>6 26 GeV15 a

P -V >yHadronic event

I T CP *»6 2000

- 1 7 -

f

TOPAZ検出鰭は 1987年 3 月にロールインし、 5月 から 7 月までビームエネルギ

ーが 25GeVと 26GeVで物理実肢を行った o TOPAZ はトリガーの粂件に IDC の情報

を使用している口] 0 そのためにビームに最も近い検出器である IDCへのバックグラウ

ンドがそのまま triggerra teを増やすことになるので、これを許容される範囲に押さえ

なければならない.我々は前項で触れた様に、ダイレクトに来る Off-IO・entuIelectron や synchrotronradiation 等は、シミュレーシヨンを行い、許容範囲内になる様設計

した.しかしそうでないバ、yクグラウンド、即ち固定マスクやピームパイプ等に当たった

Off-圃0・entu・electron によるシャワーの語れがパックグラウンドソースになる場合とか、シンクロトロン肢射光がビームパイプにより、 1回以上反射してパックグラウンドに

なる場合については一応計算はしたが、信頼度の高いシミュレーションは鍍しいという判

断をした。そこで実験開始時には検出様近傍のビームパイプにはシールドを施さず、実厳

の様子を見ながらシールドを必要に応じて強化してい〈という方針を取った.

第 14図にバックグ

ラウンドイベントの例

を示す。実駿が開始さ

れ、加速器のスタディ

も進みルミノシティが

増加するに従い、この

図に示される織なパッ

クグラウンドイベント

が多くなってきた。そ

のソースポイントは CP

からほぼ 2000園田 近

辺が多いことが分かっ

た[13]0 また第 15固

には Hadronicevent

の例を示すが、 IDC、

TPCともにトラックの

パターンはきれいで、

シンクロトロン放射光

の影響が無いことが分

かる。これらのパック

グラウンドイヴェント

はほぼ Off-IO・entu・electron によるもの

と考えられる.そこで

J-.

T目P̂ Z目ED B..... 27目5田 .VE・3.3f1，."E-.....flIIIIA 9"-12・D71!5149:44 EOOOe.ROOl33 EI'c ;・43_"，.6.. 10745 Typ・001Eld-DC Trq_oOO7 DOOO TPC・!!I20D030-4

第 14図 Background eventの倒

J-.

T目P̂ Z0即日 8・岡田.0田.VE・.:i!.gQ." E-3.慣 M・7斗07-~3 曲s・a・3 回同...国!5n Eyt !5珂叫吋・ 2田町 T，.・101[111・回 T叫・回C70000 TPC・耳7D7FF

ビームエネルギーが 第四国 Hadronic eventの例

25 GeVから 26GeVへと上がる聞の短いシャットダウンの時を利用して CPから 2000

-17-

2500 • •

5 . *> t> 0 \z

TOPAZ-BEAM PIPE SVSTEH %&{*? Z ±.T S #» § 81K ffi Sf fzmffHt&lg'Mf&t Z> Z t *»

L t a TRISTAH © x * * « r - * § | i 5 J:^ OCS ©#A{cf#d /\•»; 9» K * * Z i : . * L T t f - A / H ^ t IDC ^ -

^ Vertex chaiber t U B t i ^ k t * * . *©fe«?){c{i«tcftl!nfc«{c Off-ioientuielectron *« CP ififttf)^-^ KkSft D »4-J-*S/ir 7 - © » 1 f * f F « W * * 3 - K *

TOPAZ

-TRISTAH ( O S A , * » , fiRft. & f t « > & f i « > l f t a * n ^ & . KT-A A y ? ̂ 9 •> > K©TOPAZ fflaEiS. JIIM, E # © # K . VEHUS © K « | R « J:tf TRISTAN

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