米国ジェファーソン研究所の Hall-C に建設した磁気分析装置"HKS"
High-resolution Kaon Spectrometer "HKS" at JLAB

HKSのホームページ (Home page of HKS collaboration)


経過

ジェファーソン研究所の4GeV電子加速器は,電子ビームを標的核に入射してK中間子(K+)を発生させ、残されたsクオークを含むハイパー核の研究をするのに適しています。この場合,入射電子エネルギーが一定でも電子から標的核に与えられるエネルギーは一定ではないので、エネルギーを標的核に与えてエネルギーを失った電子も同時に測定する必要があります。これまでも同研究所で既存のスペクトロメータでハイパー核の実験は行われてきましたが、既存のスペクトロメータの性能に不満があったために、立体角と分解能を向上させた新しいK中間子スペクトロメータを建設する計画を検討してきました。その計画が科学研究費特別推進(代表 橋本治)で認められ,建設されました。

The 4-GeV electron accelerator at Jeffarson laboratory is very suitable for the hypernuclei research by detecting K+ leaving residual nuclei which contain a s-quark. Although the incident electron energy is very precisely defined, the energy transfer to the target nuclei is not definite. It must be measured by detecting the energy of the corresponding electrons simultaneously. Hypernuclear experiments had been done at JLAB with existing spectrometers with low resolution and small solid angle. A new high-resolution and large solid angle spectrometer was expected. Professor Hashimoto of Tohoku University got a budget for the projecto of hypernuclear experiment. The construction of the spectrometer was sucessively finished.


電磁石構成 (configuration)

分離電磁石(図ではsplitterと表示)によってK中間子を右側のスペクトロメータ(現在はHKSと呼びますが図ではQQD70と表示)に、電子を左側のスペクトロメータ(図ではENGEと表示)に振り分けて,それぞれのエネルギーを同時測定することによって残留核の励起エネルギースペクトルを求めます。

The splitter magnet deflect kaons to the right and electrons to the left. Coincident kaons and electrons are detected simultaneously by kaon spectrometer (indicated as "QQD70") and electron spectrometer (indicated as "ENGE"), respectively. in order to obtain spectra of residual hypernuclei.

K中間子スペクトロメータはこの図にあるようなQQD構成(四極電磁石+四極電磁石+双極電磁石)としました。初段の四極電磁石でK中間子を縦に収束、横に発散させ,後段の四極電磁石で縦に発散、横に収束させて全体として平行に近い状態で双極電磁石にK中間子を導きます。双極電磁石ではエネルギーの違いによって軌道半径の違いを与え、エネルギー分析をします。その後ろの検出器での位置情報からK中間子のエネルギー情報が引き出します。電子は電荷の符号が逆なので分離電磁石で反対側に曲げられ,その先に置かれた別のスペクトロメータで同様に分析測定されます。

The kaon spectrometer is composed of QQD (quadrupole-quadrupole-dipole) magnets. The first quadrupole magnet focuses kaons vertically and defocuses them horizontally. The second quadrupole magnet defocuses and focuses vertically and horizontally, respectively. In total, kaons are focusing in both directions. In the dipole magnet, they are analyzed by their energy-dependent radii of orbit in the magnetic field. The position information from the backward counters can be converted to the energy information. Similarly, electrons are energy analyzed by the ENGE spectrometer.


複合機能スペクトロメータ案 (idea of the "combined-function spectrometr")

K中間子の軌道計算と電子の軌道計算とを検討している途中で,この図のように1つのスペクトロメータでK中間子と電子とが同時に左右に焦点を結ぶようにできることが分かりました。このようなスペクトメータは分離電磁石を省略できるので標的からの距離を縮めることができ,スペクトロメータでより大きな立体角での測定(明るい測定)ができるという利点がありました。両方の案を1999年12月にアメリカのハンプトン大学で開催された HYPJLAB99 という会議に報告しました(報告書)。

While we were designing the kaon spectrometer, we found that not only the kaons, but also the electrons can be analyzed simultaneously with the spectrometer settings for the kaons. In that case, we can remove the splitter and shift the spectrometer upstream, increasing the solid angle considerably. The details are reported in the HYPJLAB99 workshop held in December 1999 at Hampton University (PDF file of the report).


最終案 (final design)

複合機能スペクトロメータは魅力的な案でしたが,0度方向には制動放射による電子が電子測定器の測定を圧迫する程大量に発生することがわかったために(標的と相互作用しなかった電子はもっと多数ありますがエネルギーを失わないので電子測定器には入ってきません),このような構成をあきらめてもとのような分離電磁石を含むものにもどりました。分離電磁石がある場合には立体角を失うので,それを回復させるために2個の四極電磁石の長さを縮めたり口径を大きくしたりなどのぎりぎりの詰めをする必要がありました。電子スペクトロメータは水平面から4度傾けて設置されます。

The idea of the "combined-function spectrometr" turned out to have a fatal disadvantage while a hypernuclear experiment with the existing spectrometer was made. At the zero degree from the beam direction, huge number of background Bremsstrahlung electrons come to the electron counter whose energy overlapes with the in-elastic electrons which should be detected simultaneously with kaons.


実験室での配置

このスペクトロメータはジェファーソン研究所の Hall-C に設置予定で現在は工場で製作中です。Hall-Cではこの図のように設置されます。この図に既存のSOSスペクトロメータも表示されています。

This spectrometer will be installed at the Hall-C of Jefferson laboratory. The magnets are being manufactured in factory in Japan. This figure shows the layout in the Hall-C.


特異な形状の電磁石の紹介 (peculiar shapes of quadrupole magnets)

四極電磁石は90度ごとに回転対称性(極性を考慮しても180度ごとの回転対称性)のある磁極構造を持っているのが普通です。そのため縦と横とは同じ構造であり,45度回転した面に関して反転対称な形をしています。HKSスペクトロメータの四極電磁石は,光学的要求のために,そのような対称性がない特異な構造をしているので紹介します。このような得意な電磁石を設計する場合には磁場分布計算によって期待通りの磁場が発生するかどうかの検討が必要です。

Conventional quadrupole magnets have 4-fold rotational symmetry around the symmetry axis and mirror symmetry with respect to the 45-degree-rotated plane. The quadrupole magnets of the HKS spectrometer have peculiar shapes due to the optical requirement. In designing such magnets, we have to check whether the magnets can produce the required strength, distribution and volume of magnetic field.

この図はQ1電磁石の断面図で,磁力線分布(左)と磁場強度分布(右)も表示してあります。理想的な四極電磁石の磁場では磁力線は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。磁場強度分布でクリーム色は1テスラ〜2テスラ,茶色は2テスラ以上であることを表しています。この電磁石では縦に横より広い有効磁場が要求され,さらに標的を通り抜けたビームの出口が取れるように左側に(左右対称のために左右に)空間が必要です。

This figure shows the shape and the magnetic field lines (left) and equi-strength lines (right) of the Q1 magnet. For an ideal quarupole field, the field lines become hyperbolae and equi-strength lines co-centric circles. In the field strength presentation, region with 1 T to 2 T is shown by yellow, and more than 2 T by brown. Because vertically bigger angular acceptance than the horizontal one is required, the effective volume in the magnet should be bigger for the vertical direction. Further, we need free space in the left side.

この図はQ2電磁石の断面図で磁力線分布(左)と磁場強度分布(右)も表示しています。この電磁石では横に広い有効磁場が要求され,さらに標的を通り抜けたビームの出口のための空間が必要です。磁場の強さがQ1より弱くてもよいのでコイルは小さくなっています。

This figure shows the Q2 magnet together with its field lines (left) end equi-strength lines (right). This magnet requires much wider effective volume than Q1 magnet. The free space in the left-side is also necessary. Because the required field strength is smaller, the coils are smaller than Q1 magnet.


詳細仕様 (detailed specifications)

構成(configuration)QQD
分散(dispersion)4.7 m
最大運動量(maximum momentum)1.2 GeV/c
運動量分解能(first-order momentum resolution)2x10-4(FWHM)
エネルギー帯域(energy range)+-25 %
最大立体角(maximum solid angle)20 msr
中心軌道半径(mean orbit radius)2.67 m
最大磁場(maximum field)1.5 T


建設中の写真(Photographs of the fabrication procedure)


この写真はトーキンの工場で加工途中のQ1電磁石の磁極を示す。
This photo shows the poles of Q1 magnet under fabrication at TOKIN factory in Sendai (March 22, 2002).


左側がQ2電磁石のコイル,右側がQ1電磁石のコイルを示す。Q1のコイルは未完成。
Coils of quadrupole magnets. The fabrication of the four coils for the Q2 magnet has been completed.


双極電磁石のコイルを巻いている様子。枠を載せたターンテーブルが回転してコイルを巻きつけます。
One of the four coils of the dipole magnet was beeing wound. As the table turns, the coil is wound.


これは2004年2月に現地で組み立てられ、通電に成功したものです。全体で250トンあります。
This picture shows the assembled Kaon spectrometer at JLAB. The total weight is 250 tons.