東京大学原子核研究所の磁気分析装置
Spectrometer at INS SF cyclotron


建設に至る経過 (before the construction)

1972年,東京大学原子核研究所ではSFサイクロトロンの主力測定装置として磁気分析装置(今後「スペクトロメータ」と呼びます)の建設計画を大沼助教授(当時)を中心に検討していました。私はその具体的作業を進めることを任務とする助手として赴任しました。直ちに設計作業(光学的設計と電磁石構造設計)を開始し,2〜3年後に特別設備費の予算が認められ,日本製鋼所(室蘭工場)によって製造されました。

Prof. Ohnuma proposed the construction of a high-resolution magnetic spectrometer for the SF cyclotron of INS, University of Tokyo. I was employed as an assistant professor dedicated to the project in 1972. I began calculating optical properties of the spectrometer and designing the magnets. The spectrometer was fabricated by Japan Steel Workers, Co. Ltd.


平面図と構成 (top view and configuration)

この磁気分析装置(今後「スペクトロメータ」と呼びます)の電磁石としての構成は図のようにQDD(四極電磁石+双極電磁石+双極電磁石)となっています。左の円形の散乱槽中心に導いたビームを標的膜に入射して発生した核反応生成物のエネルギーを高精度で測定します。四極電磁石は粒子を縦方向に収束させる役割を果たします。双極電磁石はエネルギー分析するとともに横方向に粒子を収束させます。粒子の軌道を表示してあるように,図の右端の検出器箱の中で横方向にエネルギーごとに違う位置に収束します。図には表示していませんが,中心エネルギーでは縦方向も収束し,低いエネルギーでは縦収束が過剰,高いエネルギーでは不足となりますので焦点は「焦点面」になります。この焦点面上に置いた位置検出器で位置を測定することによってエネルギーが精密に求められます。

This magnetic spectrometer is composed of QDD(quadrupole-dipole-dipole) magnets. It can analyze the energies of charged particles from nuclear reactions which occur at the center of the scattering chamber. The quadrupole magnet focuses the particles vertically. The dipole magnets focus particles horizontally and bend particles with energy-dependent radius. As shown in the figure, particles converge horizontally on energy-dependent focal points (focal line). The particles with the central energy converge also vertically (double focusing). The vertical focusing power for the lower energy particles is excessive and for higher energy deficient. So the focal line becomes a focal plane. The position counter located on the focal plane yields very accurate energy information.

粒子を収束させる理由は,標的で発生した粒子の方向は必ず角度の広がりを持っているからです。ある程度の角度の広がりを許さないと(広がりをゼロにすると)その角度の中に放出される粒子の数はゼロになるからです。このスペクトロメータが受け入れる角度の最大広がりは横4度,縦6度で立体角では6ミリステラジアンになります。この角度内に放出された粒子を焦点面に集めるようにしてあります。この受け入れ立体角が大きい方がスペクトロメータの性能が良い(カメラのレンズでいえば明るい)ことになりますが,スリット(レンズの絞りに相当)を全開にして角度幅を大きくすると角度分解能を悪くします。スリット幅は実験目的によって設定します。

We converge the particles because they emerge with finite angular spread. With zero angular acceptance, no particle will enter the spectrometer. The maximum angular acceptances are 4 degrees horizontally and 6 degrees vertically. The solid angle is 6 msr (mili steradian). The angular acceptance is defined by a slit according to experimental requirement of the angular resolution.


光学的特徴 (optical features)

磁極の形が2次元で磁場計算できるものに限定したので、光学的特性は設計段階で精密に計算できた。

Since we confined the shapes of the dipole magnets only to those whose magnetic field can be two-dimensionally calculated, the realized optical properties of the spectrometer were almost same as the designed.

エネルギー分解能は5000分の1と高分解能です(運動量の分解能では10000分の1)。

Energy resolution is as high as 1/5000 (in momentum resolution, 1/10000).

エネルギー分解能は分散(エネルギーの違いによる焦点位置のずれの大きさ)に比例し,倍率(焦点に反映されるビームスポットの像の倍率)に反比例します。このスペクトロメータは分散を大きくするのではなく倍率を小さくすることで分解能を大きくしました。倍率が小さいと言うことは位置検出器の分解能を要求しますが,他方で広いエネルギー範囲を同時に測定できることになります。このスペクトロメータは30%ものエネルギー帯域を有します。

The energy resolution is proportional to the dispersion (ratio of orbit radius difference to energy difference), and inversely proportional to magnification (image size magnification from the target to the focal point). The high energy resolution was obtained not by the large dispersion but by the small magnification. A broad energy range of simultaneous measurements (30 %) is possible because of the small magnification.

2つの双極電磁石は電源に直列に接続され,四極電磁石電源も双極電磁石の電源に連動するので,1つの電流設定だけで中心軌道に対応するエネルギーを選択できる。計算機制御をしなくてもよいように使いやすさを重視した。

The settings of the three magnets are easily adjusted by tuning a dial of one of the power supplies. The computer control is not necessary.


建設経過 (construction process)

このスペクトロメータは日本製鋼所によって製造されました

The spectrometer was manufactured by The Japan Steel Workers Co. Ltd.

工場組み立て。錆止め塗装してあるD1をクレーンで吊している。室蘭工場にて。

Assembling at the factory (Muroran). D1 magnet was being hung.

現場組み立て。D1の下半分が見える。窓枠型電磁石のコイルの巻き方に注目。

Installation at the experimental room. Lower half of the D1 magnet is seen. Note the window-frame winding of the coil.

磁場測定。D2出口を測定中。

Field distribution measurement at the exit of the D2 magnet.

完成後の写真。このスペクトロメータは1976年に完成して20年以上にわたって共同利用されました。

After the completion in 1976. The spectrometer was used for more than 20 years for collaboration service.


SFサイクロトロン閉鎖後の経過 (after the shutdown of the SF cyclotron)

この磁気分析装置は1999年7月のサイクロトロン運用停止と共に、利用できなくなった。2000年,東京大学大学院理学系研究科付属原子核科学研究センターの理化学研究所内への移転とともに理化学研究所内に移設され,2002年3月にスペクトロメータとして再生された。

The service of the spectrometer terminated when the SF cyclotron was shut down in July 1999. It was brought to CNS in Wako campus of RIKEN. It was revived as a spectrometer in March 2002.

この図は東京大学大学院理学系研究科付属原子核科学研究センターのパンフレットからコピーした。図のDコースに設置されている。なお,この図の右上の部屋にSMARTスペクトロメータが設置してあります。

The new location of the spectrometer is D course of the CNS facilities (from the pamphlet of CNS). You can find the SMART spectrometer at the upper-right room.

CNSで再生されたスペクトロメータ。元と少し違う色に塗装されている。

Revived spectrometer at CNS. The coloring is a little changed.


詳細仕様 (detailed specifications)

分散(dispersion)3.9 m
横倍率(horizontal magnification)-0.4
縦倍率(vertical magnification)-4.4
運動量分解能(first-order momentum resolution)1/10000
最大立体角(maximum solid angle)6.4 msr
軌道半径(orbit radius)1.3 - 1.5 m
エネルギー帯域(energy range)30 %
四極電磁石磁極間隙(pole gap of quadrupole magnet)10.6 cm
双極電磁石磁極間隙(pole gap of dipole magnet)10 cm
最大磁場(maximum field)1.27 T
電磁石重量(magnet weight)38 ton


報告 (publications)

  1. A QDD-type magnetic spectrometer
    S. Kato, T. Hasegawa and M. Tanaka
    Nucl. Instr. and Meth. 154(1977)201-220.

  2. Multi-anode resistive wire proportional counter as a focal plane detector
    K. Iwatani, H. Yokomizo, M. Tanaka, S. Kato, T. Hasegawa, H. Hasai and F. Nishimura
    Nucl. Instr. and Meth. 171(1980)61-66

  3. An observation of the SQS mode in a gas counter
    K. Iwatan, T. Hasegawa, M. Tanaka, S. Kato, H. Yokomizo and H. Hasai
    Nucl. Instr. and Meth. A214(1985)602-606.

  4. A focal plane detector for the INS-QDD magnetic spectrograph
    M. H. Tanaka, S. Kubono and S. Kato
    Nucl. Instr. and Meth. 195(1982)509-512

  5. A focal-plane counter equipped with a large silicon detector
    S.Kato, S.Kubono, T.Miyachi, S.Ohkawa, Y.Fuchi, M.H.Tanaka and M.Yasue
    Nucl. Instr. and Meth. A287(1990)499-505.

  6. Advanced focal plane detector with improved particle identification
    X. Liu, S. Kubono, Y. Fuchi, MH. Tanaka, K. Abe, K. Kumagai, KI. Hahn, P. Strasser, S. Kato, CC. Yun, T. Minemura, M. Kurokawa, N. Imai, XH. Zhou and SC. Jeong
    Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A432(1999)66-73.