"SMART" spectrometer at RIKEN



Design and construction of SMART
Presented at "International Symposium on the 15 Years of Spectrometer SMART and New Turn to RIBF", Nov. 11-12, 2005, Wako

経過 (introduction)


In mid 1980s, RIKEN accepted proposals for experimental instruments for the new Riken Ring Cyclotron (RRC). Prof. Ohnuma (Tokyo Institute of Technology) organized a project team for the construction of a new high-resolution magnetic spectrometer. I took part in the team and was in duty of optical ray-tracing calculation and magnetic field distribution calculation. After many times of discussions within the team, I proposed a new spectrometer which is described below.

光学的特徴 (optical features)


Charged particles to be analyzed converge twice in the horizontal plane. By choosing the focal plane, we can choose the energy resolution. For the measurement of angular distribution of the reaction particle, we rotate the incident direction of the beam instead of rotating the spectrometer.

このスペクトロメータの構成はQQDQD(四極電磁石+四極電磁石+双極電磁石+四極電磁石+双極電磁石)となっています。図のように focal plane-1 の前後で横方向にエネルギー毎に違う位置に収束しています。ここで位置測定をすれば,低分解能・大立体角・広帯域の測定ができます。ここにカウンターを置かずにエネルギー範囲の一部の粒子を focal plane-2 まで通すともう一度横方向に収束します。ここではエネルギーの違いによる焦点位置のずれ(「分散」と呼びます)が拡大されていますので,高分解能・中立体角・狭帯域の測定ができます。原理的にはさらに下流に四極電磁石と双極電磁石を追加すればさらに高分解能の測定ができます。この実験室にはその空間が残っています。図からわかるように焦点面は粒子軌道に垂直ではなく斜めになっています。しかし位置検出器は焦点面に沿って置くのではなく軌道に垂直に置いた2個の位置検出器からの情報から焦点面での位置を算出します。

The spectrometer consists of quadrupole-quadrupole-dipole-quadrupole-dipole magnets. Around the focal plane-1, charged particles converge horizontally and energy-dependently. If we put there position-sensitive counters, we can achieve a low-resolution, large solid angle and broad range energy measurement. If we let the particle go through the downstream magnets to the second focal plane, the dispersion is magnified. By the position detection, we will achieve high resolution, medium solid angle and narrow range measurements. In principle, we can magnify the dispersion and increase the resolution unlimittedly by adding many sets of quadrupole and dipole magnets in the douwnstream. There remains space for such elements. Although the focal planes are not normal to the particle trajectories, we put multiple position counters vertically to the trajectories.

この図は縦方向の軌道を表示しています。見やすくするために,進行方向をまっすぐに伸ばし、縦と進行方向との縮尺を変えています。散乱角度は縦方向の角度(この面内の角度)になりますので,この角度の情報も重要です。このスペクトロメータではこの方向に11度の広さにわたって同時測定することができます。focal plane-1 位置で中心エネルギーの粒子は縦方向でも収束しています。これより大きい(小さい)エネルギーの粒子は収束不足(過剰)となります。

Vertical motion of particles are shown with different scaling factors for horizontal and vertical directions. Because the scattering angle is in this plane, the information of the angle is important. The spectrometer can accept an angular spread of 11 degrees. The trajectories of the central energy converge at the focal plane-1, while those of higher/lower energies are under-/over-converging.

ビーム入射方向を変える装置 (instruments to change the beam direction)

上に説明したように四極電磁石と双極電磁石の対を何段でも後ろに追加することで際限なく分解能を向上できるようにすると,長さが長くなるために,核反応生成物の角度分布を測るのにスペクトロメータを散乱槽を中心に回転することが難しくなります。それでこのスペクトロメータでは入射ビームの方向を変える方法を選びました。スペクトロメータを回転させない場合,スペクトロメータの検出器を実験室内の放射線から遮蔽するためのシールドを強化することができるという利点もあります。加速器からのビームは twister と swinger を通ってからこのスペクトロメータの散乱槽へ入射されます。

Usual spectrometers are rotated around the scattering chamber for the measurement of angular distribution. If we ratain the possibility of adding q-nad d-magnets in order to magnify the dispersion, the the spectrometer becomes so big that the rotation around the scattering chamber becomes impossible. So the direction of the incident beam to the target is rotated instead of the exit direction. If we do not rotate the spectrometer, we can put heavy shieldings around the spectrometer. The incident beam direction can be rotated by the swinger and twister system described below.

この swinger は図に示す一点鎖線を回転軸として立体的に回転することができ,その結果 swinger を出たビームがスペクトロメータの標的に入射する角度が変化させられます。swinger の上流にある twister は入射ビームのエネルギー広がりが原因である進行横方向のビーム広がりの方向をビーム進行方向を回転軸として任意の角度で回転するものです。加速器から水平面内でのみ曲げられてきたビームはエネルギーの広がりに依存して水平面内で進行横方向に広がります。swinger で水平面上下対称を破っても,この twister によってエネルギーによる広がりを swinger の対称面に合わせることができます。その結果,swinger の対称面とスペクトロメータの対称面が交差する直線の上でエネルギーによる位置の広がりに転送されます。スペクトロメータの上下対称面の中でビーム広がりは「分散整合」の技術によって消去できる可能性があります。この分散整合を上手に行うとビームの分解能よりもよい分解能の測定ができます。ただし,位置のずれとエネルギーのずれとの間に相関がなければなりません。この twister は7連の四極電磁石で達成できることがこのスペクトロメータ設計中に発見されました。

The beam direction can be changed by rotating the swinger around the rotarion axis shown by a dot-line in the figure. Because there is an energy spread in the incoming beam, there is spatial spread already in the upstream beam transport system. The spread is in the vertical direction to the beam because all the magnets are up-down symmetric. If the twister can rotate the direction of spatial spread around the beam direction to the symmetry plane of the swinger magnets, the spread at the target will be located on the crossing line of the symmetry planes of the swinger and the spectrometer. The spatial spread in the symmetry plane due to the energy spread can be compensated by a mementum matching technique so long as there is a correlation between the spatial spread and the energy spread. The principle that the spatial spread can be rotated at any angle by seven quadrupole magnet system was found during the designing process of the spectrometer.


The spectrometer seen from the downstream. D2 is seen in foreground.

この写真は工場で組み立てている swinger です。回転できる構造に注目して下さい。swinger は向こう側に見えて手前に重りがあります(薄い水色)。

The swinger at the factory. Note the driving system of the rotation. The swinger magnets are bihind the counter balance (thin bule).

実験室配置 (experimental room)

理化学研究所のリングサイクロトロンと測定器のある実験室の, SMART 設置当時の配置図です。右上のE4実験室までリングサイクトロロンからのビームが送られてきて SMART 装置による実験が行われます。スペクトロメータ0度方向には穴が空いていてその延長上の右上の隅(室内)に中性子測定装置を置くとことによって,中性子の飛行時間測定によるエネルギー測定ができます。飛行距離が長い方が中性子のエネルギー分解能が向上するので,散乱槽から中性子測定器までの距離を長くとる必要があります。必要によってはこの実験室の壁より遠くで中性子測定ができる可能性を残すために壁が撤去できる構造であることが図で読みとれます。このような中性子測定で角度分布を測定するに,測定装置を回転するよりは,ビームの入射方向を回転する方が容易です。このSMART装置のビーム回転装置が中性子エネルギー測定にも利用できるようになっています。

Experimental rooms for the RIKEN Ring Cyclotron when the spectrometer was installed. The SMART spectrometer is installed in the E4 room.  At zero degree of the spectrometer, there is a hole beyond which we can measure neutrons. For the neutron energy measurement, longer target-to-detector distance is favorable for higher energy resolution. The beam rotation system can be utilized not only for the SMART spectrometer, but also for the neutron TOF measurement.

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


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 SMART 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.


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 twice big angular acceptance than the horizontal one is required, the effective volume in the magnet should be twice bigger for the vertical direction. Further, we need free space below the magnet center for the beam dump.


This photograph show the Q1 magnet half assembled at the factory.


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 below the center is also necessary. Because the required field strength is smaller, the coils are smaller than Q1 magnet.


Q3 magnet is shown. Much wider effective volume is required than Q2 magnet. Because we need not the free space for the beam dump, the four poles are connected. The yokes are thinner because the required field strength is smaller than Q2.


This photograph shows Q2 and Q3 magnets being painted in the factory.

詳細仕様 (detailed specifications)

分散(dispersion)3.4 m7.7 m
運動量分解能(first-order momentum resolution)1/40001/13000
エネルギー帯域(energy range)66 %8 %
最大立体角(maximum solid angle)20 msr10 msr
中心軌道半径(mean orbit radius)2.4 m2.4 m
最大磁場(maximum field)1.5 T1.5 T

報告 (publications)

  1. Spin-isospin resonances observed in the (d,2He) and (12C,12N) reactions at E/A=135 MeV
    T.Ichihara, T.Niizeki, H.Okamura, H.Ohnuma, H.Sakai, Y.Fuchi, K.Hatanaka, M.Hosaka, S.Ishida, K.Kato, S.Kato, H.Kawashima, S.Kubono, S.Miyamoto, H.Orihara, N.Sakamoto, S.Takaku, Y.Tajima, M.H.Tanaka, H.Toyokawa, T.Uesaka, T.Yamamoto, T.Yamashita, M.Yosoi, and M.Ishihara
    Nucl. Phys. A569(1994)287c-296c.

  2. A variable-angle invert-rotator for beam transport
    S. Kato
    Nucl. Instr. and Meth. A254(1987)487-499)