シンクロトロン

シンクロトロンはサイクロトロンから派生した特殊なタイプの環状粒子加速器であり、加速粒子ビームが固定された閉ループ経路を周回します。粒子ビームを閉経路に曲げる磁場は加速プロセス中に時間とともに増加し、粒子の運動エネルギーの増加と同期します。 ^[1]

シンクロトロンは、ビームの曲げ、集束、加速を別々のコンポーネントに分離できるため、大規模施設の建設を可能にした最初の加速器コンセプトの1つです。最も強力な現代の粒子加速器は、シンクロトロン設計のバージョンを使用しています。最大のシンクロトロン型加速器であり、世界最大の粒子加速器でもあるのは、 2008年に欧州原子核研究機構（CERN）によってスイスのジュネーブ近郊に建設された、周囲長27キロメートル（17マイル）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）です。^{[2]この加速器は、陽子ビームを7テラ}電子ボルト（TeVまたは10 ¹² eV）のエネルギーまで加速できます。

シンクロトロンの原理は1944年にウラジミール・ヴェクスラーによって発明された。 ^[3] エドウィン・マクミランは1945年に最初の電子シンクロトロンを建設したが、ヴェクスラーの論文（ソ連の雑誌でしか入手できなかったが、英語だった）を見逃していたため、独自にこのアイデアにたどり着いた。 ^[4]^[5]^[6]最初の陽子シンクロトロンはマーカス・オリファント卿によって設計され^[5]^[7]、1952年に建設された。^[5]

種類

大型シンクロトロンには通常、粒子を初期加速するための線形加速器(リニアック) と、高エネルギーシンクロトロンリングに注入される前に粒子のエネルギーを高めるためのブースターと呼ばれる低エネルギーシンクロトロンがあります。今日では、いくつかの特殊なタイプのシンクロトロン装置が使用されています。

衝突型加速器は、粒子が静止したターゲットに衝突するのではなく、2 つの反対方向に循環するリング内を移動する粒子が正面衝突し、より高いエネルギーの衝突を可能にするタイプの加速器です。
ストレージリングは、粒子の運動エネルギーが一定に保たれる特殊なタイプのシンクロトロンです。
シンクロトロン光源は、必要な電磁放射が生成される蓄積リングを含む、さまざまな種類の電子加速器を組み合わせたものです。この放射は、さまざまなビームラインにある実験ステーションで使用されます。シンクロトロン光源全体を「シンクロトロン」と呼ぶこともありますが、これは技術的には正しくありません。

動作原理

シンクロトロンは、最初の環状粒子加速器であるサイクロトロンから発展した。古典的なサイクロトロンは一定の誘導磁場と一定周波数の電磁場の両方を使用して（そして古典的な近似で動作している）、その後継である等時性サイクロトロンは、加速中に増加する粒子の相対論的質量に適応して誘導磁場の局所的な変化によって動作する。^[8]

シンクロトロンでは、この適応は空間ではなく時間における磁場の強さの変化によって行われます。光速に近くない粒子の場合、適用される電磁場の周波数も、一定でない循環時間に合わせて変化する可能性があります。粒子がエネルギーを得るにつれてこれらのパラメータを適宜増加させることにより、粒子の循環経路を加速時に一定に保つことができます。これにより、粒子の真空チャンバーを、以前のコンパクトな加速器設計のようなディスクではなく、大きくて薄いトーラスにすることができます。また、真空チャンバーの薄型プロファイルにより、サイクロトロンよりも磁場をより効率的に使用でき、コスト効率の高い大型シンクロトロンの構築が可能になりました。^[要出典]

コスモトロンやADAのような最初のシンクロトロンや蓄積リングは厳密にトロイド形状を使用していましたが、アーネスト・クーラントら^[9]^[10]とニコラス・クリストフィロス^[11]が独立に発見した強集束原理により、加速器を粒子経路に沿って特殊な機能を持つコンポーネントに完全に分離し、経路を角の丸い多角形に形成できるようになりました。いくつかの重要なコンポーネントには、直接加速用の無線周波数空洞、粒子を偏向させる（経路を閉じる）ための双極子磁石（曲げ磁石）、およびビーム集束用の四極子/六極子磁石があります。^[^要出典^]

シンクロトロン光源であるオーストラリアシンクロトロン施設の内部。画像の大部分を占めているのは蓄積リングで、前方右にビームラインが見える。蓄積リングの内部にはシンクロトロンとリニアックがある。

時間依存の誘導磁場と強力な集束原理の組み合わせにより、衝突型加速器やシンクロトロン光源などの現代の大規模加速器施設の設計と運用が可能になりました。このような施設の閉経路に沿った直線部分は、無線周波数空洞だけでなく、粒子検出器（衝突型加速器内）やウィグラーやアンジュレータなどの光子生成装置（第3世代シンクロトロン光源内）にも必要です。^[要出典]

サイクリック加速器が与えることができる最大エネルギーは、通常、磁場の最大強度と粒子経路の最小半径（最大曲率）によって制限されます。したがって、エネルギー制限を増やす方法の 1 つは、磁気飽和によって制限されない超伝導磁石を使用することです。電子/陽電子加速器は、シンクロトロン放射の放出によって制限されることもあり、その結果、粒子ビームの運動エネルギーが部分的に失われます。ビーム経路を円内に維持するために必要な横方向の加速によって失われるエネルギーが、各サイクルで追加されるエネルギーに等しくなったときに、限界ビームエネルギーに達します。^[^{引用が必要}^]

より強力な加速器は、半径の大きい経路と、より多数のより強力なマイクロ波空洞を使用することで構築されます。より軽い粒子 (電子など) は、偏向するとエネルギーの大部分を失います。実際には、電子/陽電子加速器のエネルギーはこの放射損失によって制限されますが、陽子またはイオン加速器の動力学ではこれは重要な役割を果たしません。このような加速器のエネルギーは、磁石の強度とコストによって厳密に制限されます。^{[引用が必要]}

注射手順

サイクロトロンとは異なり、シンクロトロンは運動エネルギーがゼロの状態から粒子を加速することはできない。その理由の 1 つは、粒子を放出する装置によって閉じた粒子経路が切断されてしまうためである。そのため、事前に加速された粒子ビームをシンクロトロンに注入する方式が開発された。事前加速は、リニアック、マイクロトロン、または別のシンクロトロンなどの他の加速器構造のチェーンによって実現できる。これらすべてに、単純な高電圧電源 (通常はコッククロフト・ウォルトン発電機)で構成される粒子源から電力を供給する必要がある。^[要出典]

注入エネルギーによって決定される適切な初期値から始めて、双極子磁石の磁場強度が増加します。加速手順の最後に高エネルギー粒子がターゲットまたは別の加速器などに放出されると、磁場強度は再び注入レベルまで低下し、新しい注入サイクルが開始されます。使用される磁石制御方法に応じて、1 サイクルの時間間隔は異なる設備間で大幅に異なる場合があります。^{[引用が必要]}

大規模施設では

初期の大型シンクロトロンの 1 つで、現在は引退しているのが、 1950 年にローレンスバークレー研究所に建設されたBevatronです。この陽子加速器の名前は、6.3 GeVの範囲のパワーに由来しています(当時は 10 億電子ボルトの略で BeV と呼ばれていました。この名前は SI 接頭辞のギガが採用される前のものです)。自然界では見られない超ウラン元素の多くは、この装置で初めて生成されました。この場所には、ここで生成された原子衝突の結果を調べるために使用された最初の大型バブルチャンバーの 1 つもあります。 ^[^{引用が必要}^]

もう一つの初期の大型シンクロトロンは、ブルックヘブン国立研究所に建設されたコスモトロンで、1953年に3.3 GeVに達しました。^[12]

世界中に数少ないシンクロトロンのうち、16 基が米国にあります。その多くは国立研究所に属しており、大学にあるものはわずかです。^[要出典]

衝突型加速器の一部として

2008 年 8 月まで、世界で最もエネルギーの高い衝突型加速器は、米国のフェルミ国立加速器研究所にあるテバトロンでした。この加速器は、陽子と反陽子を1 TeV弱の運動エネルギーまで加速し、それらを衝突させます。欧州高エネルギー物理学研究所 ( CERN )に建設された大型ハドロン衝突型加速器( LHC )は、この約 7 倍のエネルギーを持ちます (したがって、陽子と陽子の衝突は約 14 TeV で発生します)。この加速器は、以前は大型電子陽電子 ( LEP ) 衝突型加速器が設置されていた 27 km のトンネルに設置されているため、史上最大の科学装置という称号を維持することになります。LHC は、重イオン (鉛など) を 1.15 PeVのエネルギーまで加速します。^[^{出典が必要}^]

真剣に提案されたこのタイプの最大の装置は、米国で建設される予定だった超伝導超大型加速器（SSC）でした。他の設計と同様に、この設計では超伝導磁石を使用しており、コア飽和の制限なしに強力な磁場を生成できます。建設が開始されたものの、予算の大幅な超過を理由に1994年にプロジェクトは中止されました。これは、基本的なエンジニアリングの欠陥ではなく、コスト見積もりの甘さと経済管理の問題によるものでした。冷戦の終結により科学資金の優先順位が変わり、それが最終的な中止につながったとも言えます。ただし、設置のために建設されたトンネルは、空っぽではあるものの、まだ残っています。さらに強力な陽子および重粒子環状加速器の可能性はまだありますが、電子ビームエネルギーの次のステップでは、シンクロトロン放射による損失を回避する必要があるようです。そのためには、線形加速器に戻る必要がありますが、現在使用されているものよりも大幅に長い装置が必要になります。現在、国際リニアコライダー（ILC）の設計と建設に向けた大きな取り組みが行われています。ILCは、電子用と陽電子用の2つの対向する線形加速器で構成されます。これらは、合計0.5 TeVの質量中心エネルギーで衝突します。^[^要出典^]