オランダ・フロニンゲン大学核物理加速器研究所の広帯域磁気分析装置"BBS"
Big-Bite Spectrometer at KVI, University of Groningen, The Netherlands

フロニンゲン大学核物理加速器研究所のホームページ(Home page of KVI)(英語,in English)
広帯域磁気分析装置"BBS"のホームページ(Home page of BBS)(英語 in English)


経過 (introduction)

1990年4月から1991年3月までオランダのフロニンゲン大学核物理加速器研究所に滞在して磁気スペクトロメータの検討に協力し、以下のようなスペクトロメータを提案しました。帰国後に完成しています。

From April 1990 to March 1991, I stayed at KVI of the University of Groningen, the Netherlands. I was involved in the next-generation spectrometer project. I proposed an idea of the spectrometer which was completed after my return to Japan.

この研究所では従来のサイクロトロンとQDDD型スペクトロメータで優れた研究をしてきました。その後サイクロトロンを新型の超伝導サイクロトロンに更新する計画が進行していました。それによって加速エネルギーが向上するので従来のスペクトロメータよりも高いエネルギーまで分析できるスペクトロメータが必要になりました。どのようなスペクトロメータを作るべきか、という検討の段階で計画に参加しました。

The KVI cyclotron and QDDD spectrometer were very productive in the nuclear physics research. They got the budget to upgrade the cyclotron by a new super-conducting one. Since much higher beam energy would be obtained, the spectrometer also should be upgraded in order to cover the higher energy range. People had been discussing what spectrometer should be constracted.


光学的特長 (optical features)

今後の実験の方向として新しいスペクトロメータで反応粒子を測定し、同時に残留核からのガンマ線を同時計測できる構造であること(散乱槽付近の空間を広く取れること,ビーム停止位置を標的から遠くにできること),測定エネルギー帯域が広いこと、大立体角である(明るい)こと,などが期待されました。それらの条件を考慮して以下のようなスペクトロメータを提案しました。

The optical requirements to the new spectrometer were following.

Taking these conditions into account, I proposed following spectrometer.

磁石の構成はQQD(四極電磁石+四極電磁石+双極電磁石)です。初段の四極電磁石で縦方向に収束し横方向に発散させます。後段の四極電磁石では逆に縦発散、横収束とします。全体では縦も横も収束して大体平行にされてから後ろの双極電磁石でエネルギー分析されます。2つのQ電磁石は前後に移動できて大立体角測定と広帯域測定とを切り替えられるという特徴があります。またガンマ線の同時測定を前提にするので,ビームを標的の直後の散乱槽内(図でscattering chamberと表示)で止めるのではなく下流までビームを直進できるようにしたうえでなお前方角度での測定ができるように3つの電磁石の左側(ビームから見て)の空間を空けてあります。そのため双極電磁石はC型電磁石に,四極電磁石は縦横非対称でさらに上下分離の形状をしています。

The spectrometer consists of quadrupole-quadrupole-dipole magnets. The first quadrupole magnet focuses charged particles vertically and defocuses horizontally. The second quadrupole focuses inversely as the first one. In total, the particles can be focused in both directions. The dipole magnet analyzes the particles by momentum (or equivalently by energy). The large solid angle mode and broad range mode is selectable by tuning the location of the quadrupole magnets. In order that the beam stop be far from the gamma detector, free spaces are necessary at the left side of the three magnet. The structure of the dipole magnet becomes C-type instead of ordinary H-type. Upper parts and lower parts of the quadrupole magnets have to be separated magnetically.


大立体角モード (large solid angle mode)

Q電磁石を上流側に,標的に近づけて,標的位置から見たスペクトロメータの受け入れ角度を大きくします。立体角は 14 msr (ミリステラジアン)になります。エネルギー帯域は26 %にとどまります。

Q magnets are located at the most forward position in order to increase the acceptance angle. The expected solid angle is 14 msr. The energy range is 26 %.


広帯域モード (broad range mode)

Q電磁石を後ろに下げます。この場合標的付近にガンマ線用の測定器を置く空間を確保しやすくなります。後ろに下げたので立体角は 7 msr まで減少しますが,代りにエネルギー帯域は50 %まで上昇します。

Q magnets are located at the most backward position in order to increase the free space for the gamma detectors. The solid angle decrease to 7 msr, but the energy range increases to 50 %.


四極電磁石の形状と磁場 (quadrupole magnets)

Q1電磁石の磁力線分布(左)と磁場強度分布(右)。四極電磁石としてのよい磁場の領域で磁力線は45度回転した直角双曲線になり,磁場強度分布で等磁場線が等間隔の同心円になります。この磁石では横より縦に広く有効範囲が要求されます。電磁石は上下が離れているので上部を非磁性の材料(イラストでは緑色の部分)で右側だけで連結されます。左側はビームを通せるように空間を空けます。

Magnetic field line distribution (right) and equi-strength line distribution (right) of Q1 magnets are shown. In the region fo ideal quadrupole field, the field lines are hyperbola and equi-strength lines are co-centric circles. Q1 needs a vertically wide acceptance. Because upper parts of the magnets are separated from the lower ones, they have to be fixed by non-magnetic materials from outside of the coils (shown green part in the illustration). Left side is open for the beam dump.

Q2電磁石の磁力線分布(左)と磁場強度分布(右)。横に広く有効領域が必要です。磁場強度がQ1より低くてもよいので,磁極間隙が大きいにも拘わらず磁極の幅やコイルはQ1より小さくなっています。磁力線の数はQ1と同じ20本ずつにしていますので磁場強度をQ1と比較する場合は右側の図を使ってください。

Magnetic field line distribution (right) and equi-strength line distribution (right) of Q2 magnets are shown. Q2 magnet needs a horizontally wide acceptance. Because Q2 requires lower magnetic field, pole widths and coils are thnner than those of Q1 although the pole gap is larger. For the comparizon of field strength, use the right figures because we drew same number of the field lines for the two magnets.


双極電磁石の形状と磁場 (dipole magnet)

標的を抜けたビームを遠くまで導くためにビームと同じ高さの左側の空間は空けておくためにC型電磁石となっています。

In order to lead the beam far from the target region, open space is necessary to the left.


詳細仕様 (detailed specifications)

モード(mode)大立体角
large solid angle 
広帯域
broad range
最大立体角(maximum solid angle)14 msr7 msr
エネルギー帯域(energy range)13 %50 %
分散(dispersion)2.6 m2.6 m
横倍率(horizontal magnification)-0.48-0.45
縦倍率(vertical magnification)-11.0-5.7
運動量分解能(momentum resolution) 1/25001/2500
軌道半径(orbit radius)2.2 m2.2 m
最大磁場(maximum field)1.4 T1.4 T


写真 (photograph)

これはKVIの1994年報の表紙にある写真から取りました。Q1電磁石の構造がわかります。

This picture is taken from the cover of the 1994 KVI annual report. We can see the structure of the Q1 magnet.

2002年2月にKVIを訪問する機会がありました。遮蔽のためにコンクリートの天井をぎりぎりに付けていますので全景を見ることはできません。

I had a chance to visit KVI in February 2002. Because the shielding concrete cover the spectrometer, we cannot have a total view of the spectrometer.

そのために実験室に説明用の模型が置いてあります。

There is a model of the spectrometer to give an idea of the total structure.