Design of High-energy Proton-beam Experiment Station at CSNS

CSNS-IIプロジェクトの一環として建設中の中国初の高エネルギー陽子ビーム実験施設（HPES）の概要、検出器システムの設計、および将来展望について述べた論文です。

要約

中国の「高エネルギー陽子ビーム実験ステーション（HPES）」という新しい施設について、難しい専門用語を使わず、日常の例えを交えて解説します。

🏗️ 何を作ったの？「粒子のテストコース」

この論文は、中国・広東省にある「中国スパレーション中性子源（CSNS）」という巨大な科学施設の中に、**「高エネルギー陽子ビーム実験ステーション（HPES）」**という新しい実験場を建設する計画を紹介しています。

イメージしてみてください。

• CSNS（親施設）： 巨大な「粒子の工場」。ここでは、原子をぶつけて中性子という「光」を作り出しています。
• HPES（新施設）： その工場の隣にできた**「高性能なテストコース」**です。

このテストコースでは、工場から「陽子（プラスの電気を帯びた小さな粒子）」をゆっくりと取り出し、1.6 GeV（ギガ電子ボルト）という非常に高いエネルギーを持ったビームとして発射します。これは、宇宙から飛んでくる宇宙線に近い強さです。

🎯 この施設は何をするの？

この「テストコース」には、主に 3 つの大きな役割があります。

1. カメラのレンズを磨く（検出器の調整）
   大型の加速器（LHC など）では、粒子がぶつかる様子を捉えるために、何万個もの「カメラ（検出器）」が使われています。HPES は、これらのカメラが本当に正確に写せるか、傷つかないか、を事前にテストする場所です。

   • 例え: 高級なスポーツカーをレースに出す前に、テストコースでブレーキやタイヤの性能を徹底的にチェックするのと同じです。

2. 宇宙の砂嵐に耐えるか試す（宇宙用チップの耐久性）
   宇宙空間には、この施設で作るような高エネルギーの陽子が飛んでいます。これらは電子機器（宇宙船のコンピューターや AI）にとって「砂嵐」のようなもので、故障の原因になります。HPES は、この「砂嵐」を人工的に作り出し、日本の宇宙開発や AI 技術に使われるチップが、宇宙でも壊れずに動けるかテストします。

3. 原子の「内臓」を調べる（核データ測定）
   陽子を原子核にぶつけることで、原子の内部構造や反応を詳しく調べます。これにより、より安全で効率的な原子力技術や、新しいエネルギー源の開発に役立ちます。

🛠️ 施設にはどんな「道具」があるの？

HPES には、実験を成功させるために 7 つの特別な「道具（検出器）」が備えられています。

• 🔭 超高性能望遠鏡（HEPTel）：
  陽子がどこを飛んだかを、髪の毛の 1/100 以下の精度で追跡する「目」です。これがないと、テストしているカメラが正しい位置を捉えているか分かりません。
• ⏱️ 超高速ストップウォッチ（LEMS）：
  陽子のエネルギーを測る装置です。陽子が 40 メートルの距離を飛ぶ時間を測ることで、その速度（＝エネルギー）を 1% の精度で計算します。
• 🚦 信号機とトリガー（FLASH & TLU）：
  実験では、無数の陽子が飛んできますが、その中で「今、重要な出来事が起きた！」という瞬間を正確に捉える必要があります。この装置は、すべてのカメラに「今、記録開始！」という合図を送り、データのタイミングを完璧に合わせる「司令塔」の役割を果たします。
• 📏 線量計とモニター（PALET, PROUD, BMOS, SEEM）：
  ビームがどれくらい広がっているか、どれくらいの数（強度）が飛んでいるかを常に監視する「メジャー」や「カウンター」です。ユーザーの要望に合わせて、ビームの強さを「1 秒間に 1 個」から「1 秒間に 1 億個」まで自由自在に調整できます。

🚀 今後の展望

この施設は、2029 年末に最初のビームを飛ばす予定です。

完成すれば、世界中の科学者にとって、粒子検出器の開発や宇宙用電子機器のテスト、そして原子核の mysteries（謎）を解くための、**世界でも有数の「実験の聖地」**になります。

まとめると：
HPES は、**「宇宙の暴れん坊（高エネルギー陽子）をコントロールし、最先端の科学機器がその力を耐えられるか、そして正しく捉えられるかを試す、中国発の超精密テストコース」**です。これにより、より安全な宇宙開発や、より正確な物理学の発展が期待されています。

技術概要

論文要約：中国散乱中性子源（CSNS）における高エネルギー陽子ビーム実験ステーション（HPES）の設計

1. 背景と課題 (Problem)

現代の高エネルギー粒子加速器実験（LHC の CMS や ATLAS など）では、シリコンピクセル検出器、飛翔時間型検出器（TPC）、ドリフトチェンバー、シンチレーターなど、極めて複雑で大規模な粒子検出器システムが構築されています。これらの検出器の性能を確保し、正確な運動量再構成や頂点識別を行うためには、開発段階での性能評価と、設置段階での精密な較正が不可欠です。

しかし、既存のテストビーム施設（DESY、CERN、Fermilab など）は主に電子ビームや高エネルギー（数十〜数百 GeV）のハドロンビームを提供しており、1 GeV 前後の陽子ビーム、特に可変フラックス（強度）とエネルギーを備えた専用施設は世界的にも限られていました。また、宇宙線（GeV 領域の陽子が主要成分）環境下での航空宇宙用電子機器の耐放射線性評価や、核データ測定のための連続エネルギー陽子ビームの需要が高まっていましたが、これを満たすインフラが不足していました。

2. 手法と設計 (Methodology)

中国初の陽子テストビーム施設である「高エネルギー陽子ビーム実験ステーション（HPES）」は、中国散乱中性子源（CSNS）の高速サイクロトロン（RCS）から取り出された陽子ビームを利用する CSNS-II プロジェクトの一環として設計・建設されています。

ビーム生成と制御

• ビーム源: CSNS の RCS（1.6 GeV、25 Hz）から、回転する炭素散乱箔を用いた「散乱遅延抽出（scattering slow extraction）」方式で陽子を取り出します。
• エネルギー: 基本エネルギーは 1.6 GeV ですが、減速体（デグレーダー）の挿入長を調整することで、0.8 GeV から 1.6 GeV の範囲で連続的にエネルギーを調整可能です。
• フラックス（強度）: 散乱箔の挿入深さとコリメータの絞りを制御することで、10³ 〜 10⁸ 個/秒の広範囲な陽子フラックスを調整可能です。特に、1 パルスあたりの陽子数を 1 個にまで低減できる「単一粒子モード」も実現されます。
• ビーム構造: マクロパルス（24 Hz、1 ms）と、その内部に含まれるマイクロパルス（410 ns 間隔）の二重階層構造を持ちます。

検出器システム（7 種類の専用装置）

ユーザー実験を支援するため、ターミナル内に 7 種類の検出装置（DITs）が設計されています。

1. HEPTel (高エネルギー陽子ビーム望遠鏡): シリコンピクセル検出器（MIMOSA-28 センサー）6 段構成。被検体（DUT）の位置分解能を較正するための基準軌道を 4.8 µm の精度で再構成します。
2. LEMS (陽子エネルギー分光器): 低利得アバランシェダイオード（LGAD）アレイ 2 枚を 40 m 離して配置し、飛行時間法（TOF）で個々の陽子のエネルギーを測定します。1.6 GeV において1% のエネルギー分解能を達成します。
3. FLASH (陽子トリガ装置): 3 重一致（2 枚の上流 + 1 枚の下流）方式のシンチレータファイバーを用い、イベントの正確な時刻付けとトリガ信号生成を行います。時間分解能は約 0.3 ns。
4. PALET (ビームプロファイルモニター): マイクロメガス（Micromegas）検出器を用い、ビームの横方向空間分布を 300 µm の分解能で測定します。
5. PROUD (ビーム調整検出器): プラスチックシンチレータと PMT を用い、散乱箔の深さやコリメータ開口に応じたビーム強度の較正を行います。
6. BMOS & SEEM (ビームフラックスオンラインモニター): 上流に配置され、散乱箔からの抽出効率の変動をリアルタイムで監視します。BMOS は SiC 検出器、SEEM は二次電子放出を利用します。

データ整合性システム (TLU)

複数の検出器間でデータを正確に整合させるため、AIDA-2020 アーキテクチャをベースとした**トリガ論理ユニット（TLU）**が開発されました。

• 課題: マイクロパルス間隔（410 ns）が短く、従来の 15 ビット ID 送信では時間不足となる。
• 解決策: 「微細 ID（8 ビット、マイクロパルス間隔で送信）」と「粗大 ID（32 ビット、マクロパルス間隔で送信）」の 2 段階構成を採用。これにより、AIDA-2020 準拠の既存装置との互換性を保ちつつ、HPES 固有のビーム構造に対応したユニークなイベント識別を可能にしました。

3. 主要な成果と結果 (Key Contributions & Results)

• 設計完了とシミュレーション: 1.6 GeV 陽子ビームの生成から、ビームプロファイル、エネルギー分解能、トリガ精度に至るまで、詳細なシミュレーション（Allpix2、G4PyOrbit など）と設計が完了しました。
• 性能指標の確立:
  • 位置分解能：4.8 µm（DUT 較正用）。
  • エネルギー分解能：1%（1.6 GeV 陽子）。
  • 時間分解能：100 ps（LGAD）、0.3 ns（トリガ）。
  • 可変フラックス：10³〜10⁸ p/s（単一粒子モード対応）。
• 柔軟な実験環境: 2 つのターミナルを交互に運用し、一方のターミナルで DUT の調整・設置を行いながら、他方で実験を行うことが可能になります。また、高磁場環境での実験も可能です。

4. 意義と将来展望 (Significance & Prospects)

HPES は以下の分野において重要な役割を果たすことが期待されています。

1. 粒子検出器技術の進展: 将来の高エネルギー実験（CEPC など）に向けた新型検出器（ピクセル、トランジスタ型など）の性能評価と較正プラットフォームとして機能します。
2. 航空宇宙・AI 分野への貢献: 深宇宙探査や AI 処理に必要なオンボードスーパーコンピューティング、大量データ保存技術は、宇宙線（GeV 陽子）による放射線影響を避けては通れません。HPES はこれらの電子機器の耐放射線性評価（ハードニング研究）のための不可欠な施設となります。
3. 核物理学への貢献: 散乱中性子源や加速器駆動臨界炉（ADS）の設計において、核モデル間の不一致が設計の不確実性要因となっています。HPES は連続エネルギーの陽子ビームを提供することで、散乱生成物の多重度や二重微分断面積を精密に測定し、核構造理論の検証に寄与します。

スケジュール: 2029 年末頃の初ビーム到達を目指しており、完成後は世界のテストビームリソースを補完し、粒子物理学、航空宇宙電子工学、核物理学の発展に中核的な役割を果たす予定です。