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粒子ビームは、荷電粒子または中性粒子の流れです。粒子加速器では、これらの粒子は光速に近い速度で移動できます。荷電粒子ビームと中性粒子ビームの生成と制御には違いがあり、前者のみが電磁気学に基づくデバイスによって十分に操作できます。粒子加速器を使用した高運動エネルギーでの荷電粒子ビームの操作と診断は、加速器物理学の主なトピックです。
出典
電子、陽電子、陽子などの荷電粒子は、周囲の粒子から分離することができます。これは、例えば熱電子放出やアーク放電によって実現できます。粒子ビームのソースとして一般的に使用されるデバイスは次のとおりです。
- イオン源
- ブラウン管、より具体的には電子銃と呼ばれる部品の 1 つです。これは従来のテレビやコンピューターの画面にも使用されています。
- 光電陰極は電子銃の一部として組み込まれることもあり、光電効果を利用して粒子を基板から分離します。[1]
- 中性子ビームは、例えばベリリウム材料などのターゲットに衝突する高エネルギー陽子ビームによって生成されることがあります。（粒子線治療の記事を参照）
- ペタワットレーザーをチタン箔に照射して陽子ビームを生成する。[2]
操作
加速度
荷電ビームは、高共鳴の、時には超伝導のマイクロ波空洞を使用することでさらに加速されることがあります。これらの装置は、電磁場との相互作用によって粒子を加速します。中空の巨視的な伝導装置の波長は無線周波数(RF) 帯域にあるため、このような空洞やその他の RF 装置の設計も加速器物理学の一部です。
最近では、高出力パルスレーザーシステムの電磁エネルギーや他の荷電粒子の運動エネルギーを利用してプラズマ媒体内の粒子を加速できる可能性としてプラズマ加速が登場しました。この技術は現在活発に開発されていますが、現時点では十分な品質の信頼できるビームを提供することができません。
ガイダンス
いずれの場合も、ビームは双極子磁石で誘導され、四極子磁石で集束されます。最終目標は、実験で目的の位置とビームスポットサイズに到達することです。
アプリケーション
高エネルギー物理学
高エネルギー粒子ビームは、大規模な施設での素粒子物理学の実験に使用されます。最も一般的な例としては、大型ハドロン衝突型加速器とテバトロンがあります。
シンクロトロン放射
シンクロトロン光源では電子ビームが使用され、広い周波数帯域にわたる連続スペクトルを持つX 線放射が生成されます。これをシンクロトロン放射といいます。この X 線放射は、シンクロトロン光源のビームラインでさまざまな分光法( XAS、XANES、EXAFS、μ -XRF、μ -XRD ) に使用され、固体や生物材料の構造や化学種を調べて特性評価します。
粒子線治療
陽子、中性子、または陽イオンからなる高エネルギー粒子線（粒子マイクロビームとも呼ばれる）も、粒子線治療における癌治療に使用されることがあります。
天体物理学
天体物理学における多くの現象は、さまざまな種類の粒子線に起因すると考えられています。[3]太陽からの最も一般的な衝撃的な電波特性である太陽タイプIII電波バーストは、太陽加速電子ビームをよりよく理解するためのツールとして科学者によって使用されています。[4]
軍隊
米国高等研究計画局は1958年に粒子ビーム兵器の研究を開始した。 [5]このような兵器の基本的な考え方は、高い運動エネルギーを持つ加速粒子の流れを標的の物体に当て、その運動エネルギーを標的の原子または分子に伝達するというものである。この種の高出力ビームを発射するために必要な電力は、標準的な戦場の発電所の生産能力を超えており、[5]そのため、近い将来にこのような兵器が生産されることは予想されていない。
参照
参考文献
- ^ TJ Kauppila 他 (1987)、エキシマレーザーで照射された金属光電陰極を使用したパルス電子注入器、1987 年粒子加速器会議の議事録
- ^ ローレンス・リバモアのペタワット陽子ビーム
- ^ Anthony Peratt (1988). 「プラズマ宇宙における粒子ビームと電流の役割」(PDF) .レーザーおよび粒子ビーム. 6 (3): 471–491. Bibcode :1988LPB.....6..471P. doi :10.1017/S0263034600005401 . 2023年1月26日閲覧。
- ^ Reid, Hamish Andrew Sinclair; Ratcliffe, Heather (2014年7月). 「太陽タイプIII電波バーストのレビュー」.天文学と天体物理学の研究. 14 (7): 773–804. arXiv : 1404.6117 . Bibcode :2014RAA....14..773R. doi :10.1088/1674-4527/14/7/003. ISSN 1674-4527. S2CID 118446359.
- ^ ab Roberds, Richard M. (1984). 「粒子ビーム兵器の紹介」Air University Review 7月-8月号。2012年4月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2005年1月3日閲覧。