粒子加速器

粒子加速器は、電磁場を利用して荷電 粒子を非常に高い速度とエネルギーまで加速し、明確なビーム内に閉じ込める装置である。^{[1] [2]小型加速器は、}素粒子物理学の基礎研究に使用されている。また、加速器は凝縮物質物理学の研究のためのシンクロトロン光源としても使用されている。小型粒子加速器は、腫瘍学目的の粒子線治療、医療診断のための放射性同位元素製造、半導体製造のためのイオン注入装置、放射性炭素などの希少同位元素を測定するための加速器質量分析計など、さまざまな用途に使用されている。

大型加速器には、ニューヨークのブルックヘブン国立研究所にある相対論的重イオン衝突型加速器や、欧州原子核研究機構（CERN）が運用するスイスのジュネーブ近郊にある世界最大の加速器である大型ハドロン衝突型加速器などがある。これは衝突型加速器であり、2本の陽子ビームを6.5 TeVのエネルギーまで加速して 正面衝突させ、13 TeVの質量中心エネルギーを作り出すことができる。世界中で3万台以上の加速器が稼働している。^{[3] [4]}

加速器には、静電加速器と電気力学的（または電磁気的）加速器の2つの基本的なクラスがあります。^[5] 静電粒子加速器は、静電場を使用して粒子を加速します。最も一般的なタイプは、コッククロフト-ウォルトン発電機とヴァンデグラフ発電機です。このクラスの小規模な例は、一般的な古いテレビのブラウン管です。これらのデバイスで粒子が達成可能な運動エネルギーは加速電圧によって決まり、加速電圧は電気的破壊によって制限されます。一方、電気力学的または電磁気的な加速器は、変化する電磁場（磁気誘導または振動する無線周波数場）を使用して粒子を加速します。これらのタイプでは、粒子は同じ加速場を複数回通過できるため、出力エネルギーは加速場の強度によって制限されません。 1920年代に最初に開発されたこのクラスは、ほとんどの現代の大規模加速器の基礎となっています。

ロルフ・ヴィデロー、グスタフ・イジング、レオ・シラード、マックス・スティーンベック、アーネスト・ローレンスは、この分野の先駆者と考えられており、最初の実用的な線形粒子加速器[ ^6]であるベータトロンとサイクロトロンを考案し構築しました。初期の加速器の粒子ビームのターゲットは通常、物質の原子であり、その核構造を調査するためにそれらの原子核との衝突を引き起こすことが目的であったため、20世紀には加速器は一般に原子粉砕機と呼ばれていました。 ^[7]この用語は、現代の多くの加速器が粒子と原子核ではなく、 2つの亜原子粒子の衝突を引き起こすという事実にもかかわらず、残っています。 ^{[8] [9] [10]}

高エネルギー粒子ビームは科学における基礎研究や応用研究に役立つだけでなく、基礎研究とは関係のない多くの技術分野や産業分野でも役立っています。^[11]世界中に約3万台の加速器がありますが、そのうち1 GeVを超えるエネルギーを持つ研究用機械は約1%に過ぎず、約44%は放射線治療用、41%はイオン注入用、9%は産業処理および研究用、4%は生物医学およびその他の低エネルギー研究用です。^[12]

物質、空間、時間のダイナミクスと構造に関する最も基本的な調査のため、物理学者は可能な限り高いエネルギーで最も単純な種類の相互作用を求めています。これには通常、数GeVの粒子エネルギーと、最も単純な種類の粒子の相互作用、つまり物質の場合はレプトン(電子と陽電子など) とクォーク、場の量子の場合は光子とグルーオンの相互作用が含まれます。色の閉じ込めのため孤立したクォークは実験的に利用できないため、利用できる最も単純な実験は、まずレプトン同士の相互作用、次にレプトンとクォークとグルーオンからなる核子との相互作用です。クォーク同士の衝突を研究するため、科学者は核子の衝突に頼ります。核子の衝突は、高エネルギーでは、核子を構成するクォークとグルーオンの本質的に 2 体相互作用と見なすと便利です。素粒子物理学者は、電子、陽電子、陽子、反陽子のビームを生成する機械を使用し、通常数百 GeV 以上の可能な限り高いエネルギーで、互いに、または最も単純な原子核 (水素や重水素など) と相互作用させる傾向があります。

素粒子物理学に使用されている最大かつ最高エネルギーの粒子加速器は、2009年から稼働している欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）である^。[13]

原子核物理学者や宇宙学者は、電子を取り除いた原子核のビームを使用して、原子核自体の構造、相互作用、特性、およびビッグバンの最初の瞬間に発生した可能性のある非常に高い温度と密度での凝縮物質を調査する場合があります。これらの調査では、核子 あたり数 GeV のエネルギーで鉄や金などの重い原子核を衝突させることがよくあります。このような粒子加速器で最大のものは、ブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突型加速器(RHIC)です。

粒子加速器は陽子線も生成することができ、核分裂炉で生成される中性子に富む同位体とは対照的に、陽子に富む医療用または研究用の同位体を生成することができる。しかし、最近の研究では、通常は原子炉で生成される⁹⁹ Mo を水素同位体を加速することによって生成する方法が示されているが、^{[14]この方法では依然として}トリチウムを生成するために原子炉が必要である。このタイプの装置の例としては、ロスアラモス国立研究所のLANSCEがある。

磁場中を伝播する電子は、シンクロトロン放射によって非常に明るくコヒーレントな光子ビームを放射する。これは、原子構造、化学、凝縮系物理学、生物学、技術の研究で多くの用途がある。世界中に多数のシンクロトロン光源が存在する。米国の例としては、SLAC国立加速器研究所のSSRL、アルゴンヌ国立研究所のAPS 、ローレンス・バークレー国立研究所のALS、ブルックヘブン国立研究所のNSLS-IIなどがある。欧州には、スウェーデンのルンドにMAX IV 、ドイツのベルリンにBESSY 、イギリスのオックスフォードシャーにDiamond 、フランスのグルノーブルにESRFがあり、後者は琥珀に閉じ込められた昆虫の詳細な3次元画像を抽出するために使用されている。^[15]

自由電子レーザー（FEL）は、シンクロトロン放射に基づく特殊なクラスの光源であり、より短いパルスとより高い時間的コヒーレンスを提供します。特別に設計されたFELは、観測可能な宇宙で最も明るいX線源です。 ^[16]最も顕著な例は、米国のLCLSとドイツの欧州XFELです。軟X線レーザーにさらに注目が集まっており、パルス短縮と相まってアト秒科学の新しい方法を切り開きます。^{[17] X線とは別に、FELは}テラヘルツ光の放射にも使用され、オランダのナイメーヘンにあるFELIX、ドイツのドレスデンにあるTELBE、ロシアのノボシビルスクにあるNovoFELなどがあります。

したがって、光源を駆動するための 中程度 ( GeV ) のエネルギー、高強度、高ビーム品質の電子加速器に対する需要が高まっています。

粒子加速器の日常的な例としては、テレビやX線発生器に使用されている陰極線管が挙げられます。これらの低エネルギー加速器は、電極間に数千ボルトの直流電圧がかかった1対の電極を使用します。X線発生器では、ターゲット自体が電極の1つです。イオン注入装置と呼ばれる低エネルギー粒子加速器は、集積回路の製造に使用されます。

より低いエネルギーでは、加速された原子核のビームは、がんの治療のための 粒子線治療として医療でも使用されています。

粒子を核反応を引き起こすのに十分な速度まで加速できる直流加速器の種類には、交流を高電圧直流に変換するコッククロフト・ウォルトン発電機または電圧倍増器、またはベルトで運ばれる静電気を使用する ヴァン・デ・グラフ発電機があります。

電子ビーム処理は滅菌によく使用されます。電子ビームはオンオフ技術であり、コバルト60（⁶⁰ Co）やセシウム137（¹³⁷ Cs）などの放射性同位元素から放出されるガンマ線やX線よりもはるかに高い線量率を提供します。線量率が高いため、必要な露出時間が短くなり、ポリマーの劣化が軽減されます。電子は電荷を帯びているため、電子ビームはガンマ線やX線よりも透過性が低くなります。^[18]

歴史的に、最初の加速器は、荷電粒子を加速するために単一の静的高電圧という単純な技術を使用していました。荷電粒子は、両端に電極があり、静電電位がかかった真空管を通って加速されました。粒子が電位差を通過するのは一度だけなので、出力エネルギーは機械の加速電圧に制限されていました。この方法は現在でも非常に人気があり、静電加速器の数は他のタイプを大幅に上回っていますが、空気絶縁機械の場合は約1 MV、六フッ化硫黄などの高誘電強度の加圧ガスのタンクで加速器を動作させる場合は30 MVという実用的な電圧制限のため、より低エネルギーの研究に適しています。タンデム加速器では、粒子が端子内にある間に粒子の電荷を反転させることにより、粒子を加速するために電位が2回使用されます。これは、陰イオン（負に帯電したイオン）を使用して原子核を加速し、ビームを薄い箔に通して高電圧ターミナル内の陰イオンから電子を剥ぎ取り、陽イオン（正に帯電したイオン）に変換することで可能になります。陽イオンはターミナルを離れるときに再び加速されます。

静電加速器には、ダイオードコンデンサ電圧倍増器を使用して高電圧を生成するコッククロフト・ウォルトン加速器と、可動布ベルトを使用して高電圧電極に電荷を運ぶヴァンデグラフ加速器の 2つの主な種類があります。静電加速器は直線に沿って粒子を加速しますが、線形加速器という用語は、静電場ではなく振動場を使用する加速器に対してよく使用されます。

放電によって生じる高電圧の上限のため、粒子をより高いエネルギーに加速するためには、静的場ではなく動的場を利用する技術が用いられる。電気力学的加速は、非共鳴磁気誘導、または振動する無線周波数（RF）場によって励起される共鳴回路または空洞の2つのメカニズムのいずれかによって生じる。^[19]電気力学的加速器は、粒子が直線的に加速する線形加速器、または磁場を使用して粒子をほぼ円形の軌道に曲げる 円形加速器 のいずれかである。

磁気誘導加速器は、粒子が変圧器の二次巻線であるかのように、増加する磁場からの誘導によって粒子を加速します。増加する磁場は、粒子を加速するように設定できる循環電場を生成します。誘導加速器は、線形または円形のいずれかになります。

線形誘導加速器は、フェライトを装填した非共鳴誘導空洞を利用する。各空洞は、外側の円筒管で接続された2つの大きなワッシャー型ディスクと考えることができる。ディスクの間にはフェライトトロイドがある。2つのディスク間に印加される電圧パルスにより、増加する磁場が発生し、誘導的に電力が荷電粒子ビームに結合される。^[20]

線形誘導加速器は1960年代にクリストフィロスによって発明されました。 ^[21] 線形誘導加速器は、単一の短いパルスで非常に高いビーム電流（> 1000 A）を加速することができます。線形誘導加速器は、フラッシュラジオグラフィー用のX線を生成するために使用されており（例：LANLのDARHT）、磁気閉じ込め核融合用の粒子入射器や自由電子レーザーの駆動装置として検討されてきました。

ベータトロンは、 1940年にドナルド・ケルストが電子を加速するために発明した円形の磁気誘導加速器です。その概念は、最終的にはノルウェー系ドイツ人科学者ロルフ・ヴィデローに由来しています。^{[22] [23]}これらの装置は、シンクロトロンと同様に、周期的に増加するB磁場を持つドーナツ型のリング磁石（下記参照）を使用しますが、軌道を通る磁束の変化により、まるで変圧器の二次巻線のように、増加する磁場からの誘導によって粒子を加速します。^{[24] [25]}

適切な加速電場を供給しながら一定の軌道半径を達成するには、軌道を結ぶ磁束が軌道上の磁場からある程度独立し、粒子を一定の半径の曲線に曲げる必要があります。これらの機械は、実際には、比較的小さな半径の軌道でほぼ光速で移動する電子によって生じる大きな放射損失によって制限されています。

線形粒子加速器(linac)では、粒子は一端に対象ターゲットを置き、直線状に加速されます。粒子を円形加速器に注入する前に、粒子に最初の低エネルギーキックを与えるためによく使用されます。世界最長の線形加速器は、長さ 3 km (1.9 マイル) のスタンフォード線形加速器(SLAC) です。SLAC は元々は電子陽電子衝突型加速器でしたが、現在は X 線自由電子レーザーになっています。

線形高エネルギー加速器は、交互高エネルギー場が適用されるプレート (またはドリフト チューブ) の線形アレイを使用します。粒子がプレートに近づくと、プレートに適用される反対極性の電荷によって、粒子はプレートに向かって加速されます。粒子がプレートの穴を通過すると、極性が切り替わり、プレートは粒子をはじき、次のプレートに向かって加速されます。通常、粒子の「束」の流れが加速されるため、各プレートには慎重に制御された AC 電圧が印加され、各束に対してこのプロセスが継続的に繰り返されます。

粒子が光速に近づくと、電界のスイッチング速度が非常に高くなり、無線周波数で動作するようになるため、より高エネルギーの機械では単純なプレートの代わりに マイクロ波空洞が使用されます。

線形加速器は、放射線治療や放射線手術など医療の分野でも広く使用されています。医療グレードの線形加速器は、クライストロンと複雑な曲げ磁石の配置を使用して電子を加速し、エネルギービームを生成します。6～30  MeV 。電子は直接使用することも、ターゲットに衝突させてX 線ビームを生成することもできます。生成される放射線ビームの信頼性、柔軟性、精度により、治療ツールとして の従来のコバルト 60療法はほぼ置き換えられました。

円形加速器では、粒子は十分なエネルギーに達するまで円を描いて動きます。粒子の軌道は通常、電磁石を使用して円形に曲げられます。円形加速器が線形加速器 (リニアック) よりも優れている点は、リング トポロジーによって連続的な加速が可能になり、粒子が無限に移動できることです。もう 1 つの利点は、円形加速器が同等のパワーの線形加速器よりも小型であることです (つまり、リニアックは円形加速器と同等のパワーを持つには極端に長くする必要があります)。

円形加速器は、エネルギーと加速される粒子によっては、粒子がシンクロトロン放射を放出するという欠点があります。荷電粒子が加速されると、電磁放射と二次放射が放出されます。円を描いて移動する粒子は常に円の中心に向かって加速するため、円の接線に向かって継続的に放射します。この放射はシンクロトロン光と呼ばれ、加速粒子の質量に大きく依存します。このため、多くの高エネルギー電子加速器は線形加速器です。ただし、特定の加速器 (シンクロトロン) は、シンクロトロン光 ( X 線) を生成するために特別に構築されています。

特殊相対性理論によれば、物質は真空中を常に光速よりも遅く移動するため、高エネルギー加速器では、エネルギーが増加するにつれて粒子の速度は光速の限界に近づきますが、光速に到達することはありません。したがって、粒子物理学者は通常、速度ではなく、粒子のエネルギーまたは運動量（通常は電子ボルト(eV)で測定）の観点から考えます。円形加速器、および一般的な粒子ビームの重要な原理は、粒子の軌道の曲率は粒子の電荷と磁場に比例しますが、（通常は相対論的な）運動量には反比例するというものです。

最も初期の円形加速器はサイクロトロンで、1929 年にカリフォルニア大学バークレー校のアーネスト ローレンスが発明しました。サイクロトロンには、粒子を加速する 1 対の中空の D 字型プレートと、粒子の進路を円形軌道に曲げる 1 つの大きな双極子磁石があります。均一で一定の磁場 B 内の荷電粒子の特性として、粒子の速度が光速cに比べて小さい限り、荷電粒子はサイクロトロン周波数と呼ばれる周波数で一定周期で軌道を描きます。これは、ビームが連続的に外側に螺旋状に進むときに、サイクロトロンの加速 D を RF 加速電源によって一定周波数で駆動できることを意味します。粒子は磁石の中心に注入され、最大エネルギーで外縁から取り出されます。

サイクロトロンは、相対論的効果によって粒子が実質的により重くなり、サイクロトロン周波数が低下して加速 RF と同期しなくなるため、エネルギーの限界に達します。したがって、単純なサイクロトロンでは、陽子が駆動電場と位相がずれるため、陽子を約 1500 万電子ボルト (15 MeV、 cの約 10% の速度に相当) のエネルギーまでしか加速できません。さらに加速すると、ビームはより大きな半径に向かって外側に螺旋状に進み続けますが、粒子は加速 RF と同期して大きな円を完成するのに十分な速度を得ることができなくなります。相対論的効果に対応するには、等時性サイクロトロンで行われるように、磁場をより大きな半径まで増加させる必要があります。等時性サイクロトロンの例として、スイスのPSI リング サイクロトロンがあります。これは、光速の約 80% に相当する 590 MeV のエネルギーで陽子を提供します。このようなサイクロトロンの利点は、最大で達成可能な抽出陽子電流が現在 2.2 mA であることです。エネルギーと電流は 1.3 MW のビーム出力に相当し、これは現在存在するどの加速器よりも高い値です。

古典的なサイクロトロンは、エネルギー限界を高めるために改造することができます。歴史的に最初のアプローチは、粒子を束にして加速するシンクロサイクロトロンでした。一定の磁場 を使用しますが、加速磁場の周波数を下げて、粒子が外側に螺旋状に移動するのに合わせて、質量に依存するサイクロトロン共鳴周波数に一致させます。このアプローチは、束になるために平均ビーム強度が低く、高エネルギーに必要な大きな軌道にわたって大きな半径と一定の磁場を持つ巨大な磁石が必要になるという問題があります。 ${\displaystyle B}$

相対論的粒子の加速問題に対する 2 番目のアプローチは、等時サイクロトロンです。このような構造では、半径とともに磁場が増加するように磁極を形成することにより、加速場の周波数 (およびサイクロトロン共鳴周波数) がすべてのエネルギーに対して一定に保たれます。したがって、すべての粒子は等時時間間隔で加速されます。高エネルギー粒子は、従来のサイクロトロンよりも各軌道で移動する距離が短くなるため、加速場と同位相を維持します。等時サイクロトロンの利点は、平均強度の高い連続ビームを送れることであり、これは一部の用途には便利です。主な欠点は、必要な大型磁石のサイズとコスト、および構造の外縁で必要な高磁場値を達成するのが難しいことです。

シンクロサイクロトロンは、等時サイクロトロンが開発されて以来、建設されていません。

相対論的質量が粒子の静止質量に近づくかそれを超える（陽子の場合は数十億電子ボルト、つまりGeV ）さらに高いエネルギーに到達するには、シンクロトロンを使用する必要があります。これは、粒子が一定半径のリング内で加速される加速器です。サイクロトロンに対する直接的な利点は、磁場がリングの領域よりもはるかに狭い、粒子の実際の軌道領域上に存在するだけでよいことです。（米国で建設された最大のサイクロトロンの磁極の直径は 184 インチ (4.7 m) でしたが、LEPやLHCなどのシンクロトロンの直径はほぼ 10 km です。LHC の 2 つのビームの開口部は 1 センチメートルのオーダーです。）LHC には、16 個の RF 空洞、ビーム操縦用の 1232 個の超伝導双極子磁石、およびビーム収束用の 24 個の四極子が含まれています。^[26]このサイズでも、LHCは粒子を漂流させずに誘導する能力に限界がある。この限界は14TeVで発生すると理論づけられている。^[27]

しかし、加速中に粒子の運動量が増加するため、軌道の曲率を一定に保つには磁場 B を比例して上げる必要があります。その結果、シンクロトロンはサイクロトロンのように粒子を連続的に加速することができず、周期的に動作して粒子を束にして供給し、通常数秒ごとにビーム「スピル」でターゲットまたは外部ビームに送ります。

高エネルギーシンクロトロンは、そのほとんどの作業を、すでに光速cに近い速度で移動している粒子に対して行うため、リングの 1 周に要する時間はほぼ一定であり、加速を駆動するために使用されるRF 空洞共振器の周波数もほぼ一定です。

現代のシンクロトロンでは、ビーム開口部が小さく、磁場はサイクロトロンのように粒子軌道の領域全体をカバーしないため、必要な機能を複数に分けることができます。1 つの巨大な磁石の代わりに、真空接続パイプを囲む (または真空接続パイプで囲む) 数百の曲げ磁石の列があります。シンクロトロンの設計は、1950 年代初頭に強力な集束コンセプトの発見によって革命を起こしました。^{[28] [29] [30]}ビームの集束は特殊な四極磁石によって独立して処理され、加速自体は短い線形加速器に似た別の RF セクションで実行されます。^[31]また、サイクリック マシンが円形である必要はなく、むしろビーム パイプには磁石の間に直線部分があり、そこでビームが衝突したり、冷却されたりすることがあります。これは、「ビーム物理学」または「ビーム光学」と呼ばれる完全に別の主題に発展しました。^[32]

テバトロン、 LEP、LHCなどのより複雑な現代のシンクロトロンは、粒子束を一定の磁場を持つ磁石の蓄積リングに送り込み、実験やさらなる加速のために長期間にわたって軌道を回り続けることができる。テバトロンや LHC などの最高エネルギーの装置は、実際には加速器複合体であり、最初のビーム生成用の線形加速器、中間エネルギーに到達するための 1 つ以上の低エネルギーシンクロトロン、ビームを蓄積または「冷却」できる蓄積リング (必要な磁石の開口部を減らし、より厳密な焦点合わせを可能にする。ビーム冷却を参照)、および最終的な加速と実験用の最後の大きなリングなど、一連の特殊な要素が直列に並んでいる。

SLACの線形粒子加速器が建設された頃、円形電子加速器は粒子物理学ではやや不人気となった。これは、円形電子加速器のシンクロトロン損失が経済的に法外であると考えられ、ビーム強度が非パルス線形装置よりも低かったためである。1970 年代後半に低コストで建設されたコーネル電子シンクロトロンは、基礎粒子物理学用に建設された一連の高エネルギー円形電子加速器の最初のものであり、最後のものはCERN に建設され、1989 年から 2000 年まで使用されたLEPである。

過去 20 年間に、紫外線と X 線を放射する シンクロトロン光源の一部として、多数の電子シンクロトロンが建設されました (以下を参照)。

いくつかの円形加速器は、放射（シンクロトロン光と呼ばれる）を意図的にX線（シンクロトロン放射とも呼ばれる）として生成するために構築されており、たとえば、イギリスのラザフォード・アップルトン研究所に構築されたダイヤモンド光源や、米国イリノイ州のアルゴンヌ国立研究所の先進光子源などがあります。高エネルギーX線は、たとえば タンパク質のX線分光法やX線吸収微細構造（XAFS）に役立ちます。

シンクロトロン放射は軽い粒子からより強力に放射されるため、これらの加速器は必ず電子加速器です。シンクロトロン放射は、 SLAC の SPEARで研究開発されたように、より優れた画像化を可能にします。

固定磁場交流勾配加速器（FFA）は、磁場が時間的に固定されているが、強力な集束を実現するために半径方向に変化するため、サイクロトロンの場合よりも半径方向の広がりがはるかに小さく、高い繰り返し率でビームを加速できます。等時性FFAは、等時性サイクロトロンと同様に、連続的なビーム操作を実現しますが、軌道の半径全体をカバーする巨大な双極子偏向磁石は必要ありません。FFAの新しい開発のいくつかはで取り上げられています。^[33]

ロドトロンは、1987年にフランス原子力庁（CEA）のJ. ポティエによって初めて提案され、^[34]ベルギーの会社Ion Beam Applicationsによって製造された産業用電子加速器です。これは、円筒形の高周波空洞の直径全体に電子を再循環させることで電子を加速します。ロドトロンには電子銃があり、電子銃から放出された電子ビームは、空洞の中心にある柱に引き付けられます。柱には電子が通過できる穴があります。電子ビームはこれらの穴の1つから柱を通過し、空洞の壁の穴を通過して偏向磁石に当たり、ビームは曲げられて空洞内に戻り、柱の別の穴に送られます。電子はその後再び柱を横切り、空洞の壁の別の部分を通過して別の偏向磁石に入り、これを繰り返してビームのエネルギーを徐々に増加させ、空洞から出て使用できるようになります。円筒と柱の内側は銅で裏打ちされている場合があります。^{[35] [36] [37]}

アーネスト・ローレンスの最初のサイクロトロンは、直径がわずか 4 インチ (100 mm) でした。その後、1939 年に、彼は 60 インチの磁極面直径を持つ機械を製作し、 1942 年には直径184 インチの機械を計画しました。しかし、この機械は第二次世界大戦中のウラン同位体分離に関連した作業に引き継がれ、戦後も長年にわたって研究と医療に使用され続けました。

最初の大型陽子シンクロトロンはブルックヘブン国立研究所のコスモトロンで、陽子を約 3  GeVまで加速しました(1953-1968)。1954年に完成したバークレーのベバトロンは、陽子を反陽子を生成するのに十分なエネルギーまで加速し、当時は理論化されていた自然界の粒子-反粒子対称性を検証するように特別に設計されました。ブルックヘブンの交番勾配シンクロトロン(AGS) (1960-) は、交番勾配の「強力収束」磁石を備えた最初の大型シンクロトロンで、ビームに必要な開口部が大幅に縮小され、それに応じて偏向磁石のサイズとコストも削減されました。欧州原子核研究機構 (CERN )に建設された陽子シンクロトロン(1959-) は、ヨーロッパで最初の大規模な粒子加速器で、AGS とほぼ同じです。

スタンフォード線形加速器（SLAC）は1966年に運用を開始し、トンネル内に埋め込まれた3kmの長さの導波管で電子を30GeVまで加速し、数百の大型クライストロンで駆動しています。SLACは現在でも最大の線形加速器であり、蓄積リングと電子陽電子衝突装置が追加されてアップグレードされています。また、X線および紫外線シンクロトロン光子源でもあります。

フェルミ国立加速器研究所の テバトロンには、ビーム経路が 4 マ​​イル (6.4 km) のリングがあります。数回のアップグレードを経て、2011 年 9 月 30 日の予算削減により閉鎖されるまで、陽子反陽子衝突型加速器として機能していました。これまでに建造された最大の円形加速器は、 CERN のLEPシンクロ トロンで、円周は 26.6 km あり、電子/陽電子衝突型加速器でした。2000 年に解体され、トンネルが大型ハドロン衝突型加速器 (LHC)用に使用できるようになるまで、209 GeV のエネルギーを達成しました。LHC は陽子衝突型加速器で、現在世界最大かつ最高エネルギーの加速器であり、ビームあたり 6.5 TeV (合計 13 TeV) のエネルギーを達成しています。

中止されたテキサス州の超伝導超大型加速器(SSC)は、円周が 87 km になるはずでした。建設は 1991 年に開始されましたが、1993 年に中止されました。非常に大きな円形加速器は、必ず数メートル幅のトンネル内に建設されます。これは、地上にこのような構造物を建設する際の混乱とコストを最小限に抑え、高エネルギーで極めて透過性の高い強力な二次放射線から保護するためです。

スパレーション中性子源などの現在の加速器には、超伝導クライオモジュールが組み込まれています。相対論的重イオン衝突型加速器や大型ハドロン衝突型加速器も、粒子を加速するために超伝導磁石と高周波空洞共振器を利用しています。

粒子加速器の出力は、通常、偏向電磁石によって、一度に 1 つずつ、複数の実験ラインに向けることができます。これにより、物を移動したり、加速器ビーム全体をシャットダウンしたりすることなく、複数の実験を実行できます。シンクロトロン放射源を除き、加速器の目的は、物質と相互作用する高エネルギー粒子を生成することです。

これは通常、テレビブラウン管の画面の裏側にある蛍光体コーティング、中性子源として設計された加速器内のウラン片、または X 線発生器のタングステン ターゲットなどの固定ターゲットです。線形加速器では、ターゲットは加速器の端に取り付けられるだけです。サイクロトロン内の粒子の軌道は円形の機械の中心から外側に螺旋状になっているため、加速された粒子は線形加速器の場合と同様に固定された点から出てきます。

シンクロトロンの場合、状況はより複雑です。粒子は目的のエネルギーまで加速されます。次に、高速双極子磁石を使用して、粒子を円形のシンクロトロン管からターゲットに向けて切り替えます。

素粒子物理学の研究で一般的に使用されるバリエーションは、コライダー（ストレージリングコライダーとも呼ばれる）です。2つの円形シンクロトロンが近接して構築されます。通常は互いの上に重ねられ、同じ磁石が使用されます（両方のビームチューブを収容するために、磁石の設計はより複雑になります）。粒子の束は2つの加速器の周りを反対方向に移動し、それらの交差点で衝突します。これにより、エネルギーが大幅に増加します。固定ターゲット実験では、新しい粒子を生成するために利用できるエネルギーはビームエネルギーの平方根に比例しますが、コライダーでは利用できるエネルギーは線形です。

検出器は、粒子の速度や電荷などの手がかりを集めます。科学者はこれらを使用して、実際に粒子を研究することができます。検出プロセスは非常に複雑で、十分な使用可能な情報を生成するには強力な電磁石と加速器が必要です。

現在、最高エネルギーの加速器はすべて円形加速器ですが、ハドロン加速器と電子加速器はどちらも限界に達しています。高エネルギーのハドロン加速器とイオン円形加速器では、ビームの剛性が増すため、物理的にさらに大きなサイズの加速器トンネルが必要になります。

環状電子加速器の場合、シンクロトロン放射の損失によって実用的な曲げ半径に制限が課せられ、次世代はおそらく現在の10倍の長さの線形加速器になるでしょう。そのような次世代電子加速器の一例として、提案されている長さ40kmの国際線形加速器があります。

電子ビーム「アフターバーナー」や独立型レーザーパルサーの形態のプラズマ航跡場加速は、 20年から30年以内にRF加速器の効率を大幅に向上させることができると考えられています。プラズマ航跡場加速器では、ビームキャビティはプラズマ（真空ではなく）で満たされます。電子またはレーザー光の短いパルスは、加速される粒子を構成するか、その直前に存在します。パルスはプラズマを乱し、プラズマ内の荷電粒子を加速される粒子の束に統合して、その後ろに向かって移動させます。このプロセスはエネルギーを粒子の束に伝達し、それをさらに加速します。これはパルスがコヒーレントである限り続きます。^[38]

レーザーパルサーを使用することで、ミリメートル単位の距離で 200 GeV/m もの急峻なエネルギー勾配が達成されており^[39]、電子ビームシステムでは数センチメートル単位で 1 GeV/m に近い勾配が生成されている。一方、無線周波数加速のみの場合の限界は約 0.1 GeV/m である。SLAC などの既存の電子加速器では、電子ビームアフターバーナーを使用して粒子ビームのエネルギーを大幅に増加させることができるが、ビーム強度は低下する。電子システムは一般に、厳密にコリメートされた信頼性の高いビームを提供でき、レーザーシステムはより強力でコンパクトである可能性がある。したがって、プラズマ航跡場加速器は、技術的な問題が解決されれば、最大の加速器の最大エネルギーを増加させ、大学の研究室や医療センターに高エネルギーをもたらすために使用できる可能性がある。

0.25 GeV/mを超える勾配は誘電体レーザー加速器によって達成されており^[40] 、これはコンパクトな高エネルギー加速器を構築するための別の実行可能なアプローチとなる可能性がある。^[41]フェムト秒持続レーザーパルスを使用した場合、誘電体レーザー加速器で0.69 GeV/mの電子加速勾配が記録された。[ ^42]さらなる最適化により1～6 GeV/mが期待される。 ^[43]

先進加速器コンセプトには、運用施設の最先端技術を超える勾配でビームを加速する方法が含まれます。これには、診断方法、タイミング技術、インジェクターの特別なニーズ、ビームマッチング、ビームダイナミクス、適切なシミュレーションの開発が含まれます。このテーマに特化したワークショップは、米国（交互に開催）とヨーロッパ（主にエルバ島）で開催されています。米国で開催される先進加速器コンセプトワークショップシリーズ^[44]は、 1982年に国際シリーズとして開始されました。^[45] ヨーロッパの先進加速器コンセプトワークショップシリーズは2019年に始まりました。^[46] 先進加速器コンセプトに関連するトピック：

• 電子と陽電子のレーザープラズマ加速
• レーザーと高勾配構造に基づく加速
• ビーム駆動加速
• レーザープラズマイオン加速
• 電子銃、監視、制御などのビーム源。加速器物理学を参照
• 加速器物理学のためのコンピュータシミュレーション
• 粒子加速のためのレーザー技術
• 電磁放射の発生
• ミューオン衝突型加速器

逆散乱問題によれば、粒子が放射線を生成するメカニズム（粒子の運動エネルギーが電磁場に変換される）は、同じ放射線メカニズムが粒子の加速につながるように反転することができます（放射線場のエネルギーが粒子の運動エネルギーに変換されます）。逆もまた真なりで、運動エネルギー回収システムのように、加速メカニズムを反転して粒子のエネルギーを減速場に預けることができます。これがエネルギー回収線形加速器を可能にするアイデアです。プラズマ加速器や誘電体航跡場加速器の背後にも存在するこの原理は、高度な加速器コンセプトにおける他のいくつかの興味深い開発につながりました。

• チェレンコフ放射は逆チェレンコフ放射加速器につながった。^[47]
• 自由電子レーザーは逆自由電子レーザー加速器につながった。^[48]
• レーザーを反転させて電子の加速を行うこともできる。^[49]

将来、超弦理論の特定の予測が正確であれば、最高エネルギーの加速器でブラックホールが生成される可能性が生じるかもしれない。^{[50] [51]このことやその他の可能性は、2008年に稼働を開始した}LHCに関連して広く報告されている公共の安全上の懸念につながっている。LHC安全評価グループが作成した最新のリスク評価では、さまざまな危険なシナリオが「考えられる危険はない」と評価されている。^{[52]ブラックホールが生成された場合には、理論的にはそのような小さなブラックホールは}ベッケンシュタイン-ホーキング放射によって極めて急速に蒸発すると予測されているが、これはまだ実験的に確認されていない。衝突型加速器がブラックホールを生成できるのであれば、宇宙線（特に超高エネルギー宇宙線、UHECR）が何億年もの間ブラックホールを生み出してきたに違いないが、それらが人に危害を加えたことはまだない。^[53]エネルギーと運動量を保存するため、超高エネルギー超大型天体と局所物質の衝突で生成されるブラックホールは、必然的に地球に対して相対速度で移動しながら生成され、その集積と成長速度が非常に遅いため宇宙に逃げるはずであるが、衝突型加速器で生成されるブラックホール（質量が同じ構成要素）は、地球脱出速度である毎秒11.2kmよりも遅い速度になる可能性があり、捕獲されて成長する可能性があると主張されている。しかし、そのようなシナリオでも、超高エネルギー超大型天体と白色矮星や中性子星の衝突は、それらの急速な破壊につながるが、これらの天体は一般的な天体として観測されている。したがって、安定したマイクロブラックホールが生成されると、太陽系の自然な寿命内では、目立ったマクロ的な影響を引き起こすには、成長が遅すぎるに違いない。^[52]

超伝導、極低温技術、高出力高周波増幅器などの先進技術の使用、および電離放射線の存在は、加速器施設の安全な運用に対する課題を引き起こします。^{[54] [55]}加速器オペレーターは、粒子加速器の動作を制御し、アスペクト比、電流強度、ターゲット上の位置などの動作パラメータを調整します。加速器オペレーターは、真空、磁石、磁気および高周波電源と制御、冷却システムなどのサポートシステムの準備を確実に行うために、加速器メンテナンス担当者と通信して支援します。さらに、加速器オペレーターは、加速器関連のイベントの記録を保持します。

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