加速器物理学

加速器物理学は応用物理学の一分野であり、粒子加速器の設計、建設、運用に関わる学問である。具体的には、相対論的荷電粒子ビームの運動、操作、観測、および電磁場による加速器構造物との相互作用を研究する学問と定義できる。

また、他の分野とも関連しています。

• マイクロ波工学（無線周波数帯域における加速／偏向構造向け）。
• 幾何光学（ビームの集束と屈折）とレーザー物理学（レーザーと粒子の相互作用）に重点を置いた光学。
• デジタル信号処理に重点を置いたコンピュータ技術。例えば、粒子ビームの自動操作など。
• プラズマ物理学は、高強度ビームの記述に用いられる。

粒子加速器を用いた実験は、加速器物理学の一部とはみなされず、実験の目的に応じて、例えば素粒子物理学、原子核物理学、凝縮系物理学、材料物理学などに属する。特定の加速器施設で行われる実験の種類は、生成される粒子ビームの平均エネルギー、粒子種、強度、寸法などの特性によって決定される。

コッククロフト・ウォルトン電圧増幅器のように、静電場を用いて荷電粒子を加速することは可能であるが、この方法は高電圧における電気的破壊によって限界がある。さらに、静電場は保存的であるため、最大電圧によって粒子に適用できる運動エネルギーが制限される。

この問題を回避するため、線形粒子加速器は時間変動場を用いて動作する。粒子が通過する中空の巨視的構造（波長制限）を用いてこの場を制御するため、加速場の周波数は電磁スペクトルの無線周波数領域に位置する。

粒子ビームの周囲空間は、ガス原子との散乱を防ぐために真空状態に保たれており、そのためビームは真空チャンバー（またはビームパイプ）内に封入される必要がある。ビームに続く強い電磁場のため、ビームはビームパイプの壁にあるあらゆる電気インピーダンスと相互作用する可能性がある。これは、抵抗性インピーダンス（すなわち、ビームパイプ材料の有限抵抗率）または誘導性／容量性インピーダンス（ビームパイプの断面形状の変化による）の形で現れる可能性がある。

これらのインピーダンスは、後続の粒子と相互作用するウェイクフィールド（ビームの電磁場の強い歪み）を誘発します。この相互作用は悪影響を及ぼす可能性があるため、その大きさを決定し、それを緩和するために講じられる対策を決定するために研究が行われます。

粒子の高速性と、それに伴う磁場に対するローレンツ力のため、ビーム方向の調整は主に粒子を偏向させる静磁場によって制御されます。ほとんどの加速器コンセプト（サイクロトロンやベータトロンのようなコンパクトな構造を除く）では、これらは特性と機能が異なる専用の電磁石によって適用されます。これらのタイプの加速器の開発における重要なステップは、強力な集束の理解でした。^{[ 1 ]}双極子磁石はビームを構造を通して導くために使用され、四重極磁石はビームの集束に使用され、六重極磁石は分散効果の補正に使用されます。

加速器の正確な設計軌道（または設計軌道）上の粒子は双極子場成分のみを経験するが、横方向の位置ずれのある粒子は${\displaystyle x(s)}$設計軌道に再焦点を合わせる。予備計算では、四重極を超えるすべての場成分を無視し、非均質ヒル微分方程式

${\displaystyle {\frac {d^{2}}{ds^{2}}}\,x(s)+k(s)\,x(s)={\frac {1}{\rho }}\,{\frac {\Delta p}{p}}}$

近似として使用できる^{[ 2 ]}

非定常的な集束力${\displaystyle k(s)}$強いフォーカス効果と弱いフォーカス効果を含む

設計ビームインパルスからの相対偏差${\displaystyle \Delta p/p}$

軌道曲率半径${\displaystyle \rho }$、 そして

設計経路の長さ${\displaystyle s}$、

これにより、システムがパラメトリック発振器であることが特定されます。加速器のビームパラメータは、光線伝達行列解析を使用して計算できます。たとえば、四重極場は幾何光学におけるレンズに類似しており、ビームの集束に関して同様の特性を持ちます（ただし、アーンショーの定理に従います）。

一般的な運動方程式は、ほとんどの場合、近軸近似を用いた相対論的ハミルトン力学から派生する。強い非線形磁場の場合や近軸近似を用いない場合でも、リー変換を用いて高精度の積分器を構築することができる。^{[ 3 ]}

加速器物理学のさまざまな側面をモデル化するためのソフトウェアパッケージは数多く存在する。まず、電場と磁場を生成する要素をモデル化し、次に、それらの場における荷電粒子の挙動をモデル化する必要がある。

加速器にとって不可欠な構成要素の一つは、粒子束の様々な特性を測定できる診断装置である。

一般的な装置では、さまざまな特性を測定するために、多種多様な測定装置が使用される場合があります。これには、ビームの位置を測定するビーム位置モニター（BPM）、ビームの形状を画像化するスクリーン（蛍光スクリーン、光遷移放射（OTR）装置）、ビームの断面積を測定するワイヤースキャナー、ビーム電荷（すなわち、ビームあたりの粒子数）を測定するトロイドまたはICTなどが含まれます（ただし、これらに限定されません）。

これらの装置の多くは十分に理解された技術に基づいているものの、特定の機械向けにビームを測定できる装置を設計することは、高度な専門知識を必要とする複雑な作業である。装置の動作原理に関する物理法則を完全に理解する必要があるだけでなく、対象となる機械の想定されるパラメータを測定できる装置であることを確認する必要もある。

ビーム診断の全範囲における成功は、多くの場合、装置全体の成功の基盤となる。

この規模の機械では、部品の配置誤差や磁場強度などの誤差は避けられないため、機械が動作する際の許容範囲を考慮することが重要です。

エンジニアは、物理学者に各コンポーネントのアライメントと製造に関する予想許容値を提供し、これらの条件下での機械の予想される動作の完全な物理シミュレーションを可能にします。多くの場合、性能が許容できないレベルまで低下することが判明し、コンポーネントの再設計、または機械の性能を設計レベルに「調整」できるアルゴリズムの発明が必要になります。^{[ 4 ]}

各チューニングアルゴリズムの相対的な有効性を判断し、実機に展開するアルゴリズム群に関する推奨事項を作成するためには、さまざまなエラー条件での多数のシミュレーションが必要となる場合がある。

• 粒子加速器
• 加速器物理学に関する重要な出版物
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• ショッパー、ヘルヴィヒ F. (1993).加速器物理学と技術の進歩. ワールドサイエンティフィック. ISBN 978-981-02-0957-52012年3月9日に取得。
• ヴィーデマン、ヘルムート（2015）。粒子加速器物理学。大学院物理学テキスト。チャム：シュプリンガー・インターナショナル・パブリッシング。Bibcode ： 2015pap..book ..... W。doi ： 10.1007 / 978-3-319-18317-6。ISBN 978-3-319-18316-9。
• Lee, Shyh-Yuan (2019).加速器物理学（第4 版）. World Scientific . ISBN 978-981-256-200-5。
• Chao, Alex W.、Tigner, Maury 編 (2013).加速器物理学および工学ハンドブック（第2 版）. World Scientific . doi : 10.1142/8543 . ISBN 978-981-4417-17-4. S2CID 108427390 . 
• Chao, Alex W.; Chou, Weiren (2014).加速器科学技術レビュー第6巻. World Scientific. doi : 10.1142/9079 . ISBN 978-981-4583-24-4。
• Chao, Alex W.; Chou, Weiren (2013).加速器科学技術レビュー第5巻. World Scientific. doi : 10.1142/8721 . ISBN 978-981-4449-94-6。
• Chao, Alex W.; Chou, Weiren (2012).加速器科学技術レビュー第4巻. World Scientific. doi : 10.1142/8380 . ISBN 978-981-438-398-1。

• 米国粒子加速器学校
• UCB/LBLビーム物理学サイト
• BNLの「交互勾配概念」に関するページ