ストレージリング

ストレージリングは、連続またはパルス状の粒子ビームを通常何時間も循環させることができる円形の粒子加速器の一種です。特定の粒子の貯蔵は、貯蔵される粒子の質量、運動量、そして通常は電荷に依存します。ストレージリングは、電子、陽電子、または陽子を貯蔵するのが最も一般的です。^[1]

蓄積リングは、シンクロトロン放射を放射する電子を蓄積するために最もよく使用されます。電子蓄積リングに基づく施設は 50 以上存在し、化学や生物学のさまざまな研究に使用されています。蓄積リングは、ソコロフ・テルノフ効果によって偏極した高エネルギー電子ビームを生成するためにも使用できます。蓄積リングの最もよく知られた用途は、粒子加速器や粒子衝突型加速器での使用です。粒子加速器や粒子衝突型加速器では、蓄積された粒子の 2 つの反対方向に回転するビームが別々の場所で衝突します。その結果生じる亜原子レベルの相互作用は、周囲の粒子検出器で研究されます。このような施設の例には、 LHC、LEP、PEP-II、KEKB、RHIC、テバトロン、HERA などがあります。

ストレージリングはシンクロトロンの一種です。従来のシンクロトロンは、高周波加速空洞の助けを借りて粒子を低エネルギー状態から高エネルギー状態へ加速する役割を果たしますが、ストレージリングは粒子を一定のエネルギーで保存し、高周波空洞はシンクロトロン放射やその他のプロセスによって失われたエネルギーを補充するためにのみ使用されます。

ジェラルド・K・オニールは1956年に蓄積リングを衝突型加速器の構成要素として使用することを提案した。この文脈における蓄積リングの主な利点は、蓄積リングがはるかに低いビーム束を達成する注入加速器からの高ビーム束を蓄積できることである。^[2]

粒子には、ほぼ円形の軌道をたどるように力を加える必要がある。これは、双極子静電場または双極子磁場のいずれかを使用して実現できるが、ほとんどの貯蔵リングは相対論的な荷電粒子を貯蔵するため、双極子磁石によって生成される磁場を使用するのが最も実用的であることが判明している。しかし、静電加速器は、非常に低エネルギーの粒子を貯蔵するために構築されており、四極子場は（荷電されていない）中性子を貯蔵するために使用できる可能性があるが、これらは比較的まれである。

双極子磁石だけでは、いわゆる弱集束しか実現できず、この種の磁性要素のみで構成されたストレージ リングでは、粒子のビーム サイズが比較的大きくなります。双極子磁石を四極子磁石と六極子磁石を適切に配置して交互に配置すると、はるかに小さなビーム サイズを実現できる適切な強集束システムを実現できます。FODO およびChasman-Green 格子構造は、強集束システムの単純な例ですが、他にも多くの例があります。

双極子磁石と四極子磁石は、異なる粒子エネルギーを異なる量だけ偏向させます。これは、物理光学に倣って色度と呼ばれる特性です。したがって、実際の蓄積粒子ビームに本質的に存在するエネルギーの広がりは、横方向および縦方向の集束の広がりを引き起こし、さまざまな粒子ビームの不安定性にも寄与します。この現象を修正するために六極子磁石(および高次の磁石) が使用されますが、これは今度は非線形運動を引き起こし、これが蓄積リングの設計者が直面する主な問題の 1 つとなります。

ビーム束は数百万キロメートルを移動するため（数時間にわたって光速に近い速度で移動することを考慮すると）、ビームパイプ内に残留ガスがあると、非常に多くの衝突が発生します。これにより、ビーム束のサイズが大きくなり、エネルギーの拡散が増大します。したがって、真空度が高ければ高いほど、ビームのダイナミクスも向上します。また、残留ガスまたはビーム束内の他の粒子からの単一の大角度散乱イベント（タウシェク効果）により、粒子が十分に遠くまで放出され、加速器真空容器の壁で失われることがあります。この粒子の段階的な損失はビーム寿命と呼ばれ、定期的に新しい粒子を蓄積リングに注入する必要があることを意味します。

蓄積リングへの粒子の注入は、蓄積リングの用途に応じて、さまざまな方法で行うことができます。最も簡単な方法は、1 つ以上のパルス偏向双極子磁石 (注入キッカー磁石) を使用して、入射する粒子列を蓄積ビーム経路に誘導します。蓄積列が注入ポイントに戻る前にキッカー磁石をオフにすると、蓄積ビームが生成されます。この方法は、シングルターン注入と呼ばれることもあります。

マルチターン注入により、大量の蓄積電流が必要な場合など、多数の入射粒子列を蓄積することができます。陽子など、ビームの減衰が著しくない粒子の場合、各注入パルスは蓄積ビームの横方向または縦方向の位相空間の特定の点に配置され、蓄積ビームのビーム偏向とコヒーレント振動を注意深く配置して、以前に注入された列を放出しないように注意します。たとえば、シンクロトロン放射による電子の放射減衰によってビームが大きく減衰する場合は、注入パルスを位相空間の端に配置し、横方向の位相空間で蓄積ビームに減衰させてから、次のパルスを注入することができます。シンクロトロン放射による減衰時間は一般に数十ミリ秒であるため、1秒あたり多数のパルスを蓄積することができます。

粒子の抽出が必要な場合（たとえば、加速器のチェーン内）、注入と同様に単回転抽出を実行できます。共鳴抽出も使用できます。

粒子は、潜在的には100億回を超える非常に大きな回転数にわたって保存される必要があります。この長期安定性は困難であり、長期安定性を理解し最適化するためには、 磁石の設計と追跡コード^{[3]および分析ツールを組み合わせる必要があります。}

電子蓄積リングの場合、放射減衰は、数千回転のオーダーで電子を設計軌道に戻す非ハミルトン運動を提供することで、安定性の問題を緩和します。放射された光子エネルギーの変動による拡散と相まって、平衡ビーム分布が達成されます。これらのトピックの詳細については、 ^{[4]を参照してください。}

• ジェラルド・K・オニール（発明者）
• 放射光施設一覧

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