ビームライン

加速器物理学において、ビームラインとは、加速器施設の特定の経路に沿った経路セグメント（ガイドチューブ、診断装置）の全体的な構造を含む、粒子ビームの軌道を指します。この部分は、

線形加速器内で粒子ビームが移動する線、または
粒子発生装置（例えば、環状加速器、シンクロトロン光源、サイクロトロン、または核破砕源）から実験エンドステーションまでの経路。

ビームラインは通常、シンクロトロンから得られる粒子線やシンクロトロン光、または核破砕源や研究用原子炉からの中性子を利用する実験ステーションで終わります。ビームラインは、素粒子物理学、材料科学、生命科学、化学、分子生物学の実験に使用されますが、照射試験や同位体の生成にも使用できます。

粒子加速器のビームライン

**このビームラインではビームパイプを見ることはできません。ただし、大きなビームパイプ**の部分は、レーザーとの位置合わせのためのグリッドシステム、いわゆるレーザーパイプで使用されます。この特定の*ビームライン*の長さは約 3 キロメートルです。

粒子加速器では、ビームラインは通常トンネル内や地下に設置され、遮蔽のためにコンクリート製のハウジングで覆われています。ビームラインは通常、ビームパイプやドリフトチューブと呼ばれる円筒形の金属パイプで、高真空に排気されているため、加速された粒子のビームが当たる経路にはガス分子がほとんどなく、目的地に到達する前に粒子が散乱する恐れがありません。

ビームラインには、粒子ビームの生成、維持、監視、加速に使用される特殊な装置や機器があります。これらの装置は、ビームラインの近くにある場合もあれば、ビームラインに直接取り付けられている場合もあります。これらの装置には、高度なトランスデューサー、診断装置 (位置モニターやワイヤースキャナー)、レンズ、コリメーター、熱電対、イオンポンプ、イオンゲージ、イオンチャンバー(診断目的、通常は「ビームモニター」と呼ばれる)、真空バルブ (「アイソレーションバルブ」)、ゲートバルブなどがあります。

すべてのビームラインセクション、磁石などを（多くの場合、レーザートラッカーを使用した測量と調整作業員によって）調整することが必須であり、ビームラインはマイクロメートルの許容誤差内に収まっている必要があります。適切な調整により、ビームの損失や、二次放出や放射線を発生させるパイプ壁へのビームの衝突を防ぐことができます。

シンクロトロン放射ビームライン

オーストラリアシンクロトロンの軟X線ビームラインとエンドステーションの公開された動作

オーストラリアシンクロトロンの光診断ビームライン（ODB）ハッチ内部。ビームラインは後壁の小さな開口部で終わる。

シンクロトロンに関しては、ビームラインは、シンクロトロン放射ビームを実験エンドステーションに運ぶ機器を指すこともあります。実験エンドステーションでは、シンクロトロン放射施設の蓄積リング内の曲げ磁石と挿入装置によって生成された放射を使用します。この種のビームラインの典型的な用途は結晶学ですが、シンクロトロン光を利用する技術は他にも数多く存在します。

大規模なシンクロトロン施設には、多数のビームラインがあり、それぞれが特定の研究分野に最適化されています。違いは、挿入装置の種類 (これによって放射線の強度とスペクトル分布が決定されます)、ビーム調整装置、実験エンドステーションによって異なります。現代のシンクロトロン施設の一般的なビームラインは、蓄積リングからエンドステーションまで 25 ～ 100 m の長さで、数百万ドルの費用がかかる場合があります。このため、シンクロトロン施設は段階的に建設されることが多く、最初の数本のビームラインは運用初日に開設され、他のビームラインは資金が許す限り後で追加されます。

ビームラインの要素は、ハッチと呼ばれる放射線遮蔽筐体内に配置されており、これは小さな部屋（キャビン）ほどの大きさである。典型的なビームラインは、ビーム調整要素用の光学ハッチと実験を収容する実験ハッチの 2 つのハッチで構成される。ハッチ間を、ビームは輸送チューブ内を移動する。ビームシャッターが開いて放射線がハッチ内に入る可能性があるときは、ハッチへの立ち入りは禁止されている。これは、放射線がオンになっているときにハッチ内に誰もいないことを確認する冗長インターロック機能を備えた精巧な安全システムの使用によって強化されている。安全システムは、ビームがオンになっているときにハッチのドアが誤って開いた場合にも、放射線ビームをシャットダウンする。この場合、ビームはダンプされ、蓄積されたビームはそのエネルギーを吸収して封じ込めるように設計されたターゲットに向けられる。

蓄積リングとエンドステーション間の放射ビームを調整するために実験者がビームラインで使用する要素には、次のものがあります。

窓: 窓は、UHV 真空セクションと HV 真空セクションを分離し、ビームラインを終端するために使用されます。また、真空事故から保護するために、UHV 真空セクション間でも使用されます。窓膜に使用されるホイルは、6KeV 未満の領域の放射線スペクトルも減衰させます。

1- ベリリウムウィンドウ: ベリリウムウィンドウは、冷却式または非冷却式で、さまざまなサイズ (および数) のウィンドウ開口部とともに供給できます。ウィンドウは特定の要件に合わせてサイズ調整されますが、ウィンドウの最大サイズは、耐える箔の厚さと圧力差によって決まります。ウィンドウは、特定の要件に合わせて、さまざまなサイズのビーム入口/出口フランジを取り付けて供給できます。 2- CVD ダイヤモンドウィンドウ: 化学蒸着 (CVD) ダイヤモンドは、非常に広いスペクトル範囲にわたって、極めて高い硬度、高い熱伝導性、化学的不活性、および高い透明性を備えています。ベリリウムよりも強度と剛性が高く、熱膨張率と毒性が低いため、X 線ビームラインの UHV 隔離ウィンドウに最適です。ウィンドウは、UHV フランジに埋め込まれた状態で、効率的な水冷とともに供給できます。 3- 出口ウィンドウ: 真空出口ウィンドウには、上記のベリリウムや CVD ダイヤモンドなど、さまざまな材料が使用されています。

スリット: スリットは、ビームを水平または垂直に定義するために使用されます。スリットはペアで使用して、両方向のビームを定義できます。最大開口部サイズは、特定の要件に合わせて選択されます。オプションには、冷却 (白色ビーム操作) または非冷却 (単色ビーム操作) スリット、およびビームの位置を特定しやすくするためのスリットの上流側の蛍光体コーティングが含まれます。スリットには、ブレードスリット、高熱負荷スリット、インラインスリット、高精度スリットの 4 つの主なタイプがあります。
シャッター: ビームシャッターは、下流で必要のないときに、フロントエンドまたは光学筐体からの放射線を遮断するために使用されます。機器と人員の安全機能を備えています。シャッターには、フォトンシャッター、モノクロビームシャッター、カスタムシャッターの3種類があります。
ビームフィルター: (または減衰器) は、入射シンクロトロン放射を薄い透過性フォイルに通すことで、ビームから不要なエネルギー範囲を除去します。これらは、動作エネルギーに応じてビームラインのパフォーマンスを最適化するために、白色ビームの熱負荷を管理するためによく使用されます。一般的なフィルターには 2 つまたは 3 つのラックがあり、各ラックにはビームの断面積に応じて 3 つまたは 4 つのフォイルが取り付けられています。

集束ミラー -ビームを平行にする（焦点を合わせる）のに役立つ、平面、曲面、またはトロイダルの1つまたは複数のミラー。
モノクロメータ - 特定の波長帯を選択し、他の波長を吸収する結晶による回折に基づく装置。さまざまな波長に調整可能な場合もあれば、特定の波長に固定されている場合もあります。
スペーシングチューブ - 光学素子間に適切なスペースを提供し、散乱した放射線を遮蔽する真空維持チューブ
サンプルステージ - 研究対象のサンプルを取り付けて操作し、変化する温度、圧力などのさまざまな外部条件にさらします。
放射線検出器 - サンプルと相互作用した放射線を測定する

ビーム調整装置の組み合わせにより、エンドステーションでの熱負荷（ビームによる加熱）、エンドステーションに入射する放射線のスペクトル、およびビームの焦点またはコリメーションが制御されます。ビームからかなりの電力を吸収するビームライン沿いの装置は、水または液体窒素で積極的に冷却する必要がある場合があります。通常、ビームラインの全長は超高真空状態に保たれます。