放電によって課せられ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、静的フィールドではなく動的フィールドを含む技術が使用されます。電気力学的加速は、2つのメカニズムのいずれかから発生する可能性があります。非共振磁気誘導、または振動するRF磁場によって励起される共振回路または空洞です。電磁誘導加速器は線形で、粒子は直線または円形で加速し、磁場を使用して粒子をほぼ円形の軌道で曲げます。
磁気誘導加速器編集
磁気誘導加速器は加速します。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る粒子。増加する磁場は、粒子を加速するように構成できる循環電場を作成します。誘導加速器は線形または円形のいずれかです。
線形誘導加速器編集
線形誘導加速器は、フェライトをロードした非共振を利用します。誘導空洞。各キャビティは、外側の円筒形のチューブで接続された2つの大きなワッシャー型のディスクと考えることができます。ディスクの間にはフェライトトロイドがあります。 2つのディスク間に電圧パルスを印加すると、磁場が増加し、荷電粒子ビームに電力が誘導的に結合されます。
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。リニア誘導加速器は、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。それらはフラッシュラジオグラフィー（例えばLANLのDARHT）用のX線を生成するために使用され、磁気閉じ込め融合のための粒子注入器および自由電子レーザーのドライバーとして考えられてきました。
BetatronsEdit
ベータトロンは、電子を加速するために1940年にドナルドカーストによって発明された円形の磁気誘導加速器です。このコンセプトは、最終的にはノルウェーとドイツの科学者RolfWiderøeに端を発しています。これらの機械は、シンクロトロンのように、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（以下を参照）を使用しますが、増加する磁場からの誘導によって粒子を加速します。軌道を通る磁束を変化させます。
適切な加速磁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ている必要があり、粒子を一定に曲げます。半径曲線。これらの機械は、実際には、比較的小さな半径の軌道をほぼ光速で移動する電子が被る大きな放射損失によって制限されてきました。
線形加速器編集
最新の超伝導無線周波数、マルチセル線形加速器コンポーネント。
線形粒子加速器（ライナック）では、粒子は直線で加速され、一方の端に対象のターゲットがあります。それらは、粒子が円形加速器に注入される前に、粒子に最初の低エネルギーキックを提供するためによく使用されます。世界で最も長いライナックは、スタンフォード線形加速器SLACで、長さは3 km（1.9マイル）です。 SLACは電子陽電子衝突型加速器です。
線形高エネルギー加速器は、交互の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の極性の電荷によって粒子に向かって加速されます。それらがプレートの穴を通過すると、極性が切り替えられ、プレートがそれらをはじき、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、注意深く制御されたAC電圧が各プレートに印加され、束ごとに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、スイッチング速度が変化します。電界の割合が非常に高くなり、無線周波数で動作するため、マイクロ波空洞は単純なプレートではなく高エネルギーの機械で使用されます。
線形加速器は、放射線治療や放射線外科の医学でも広く使用されています。医療グレードのライナックは、クライストロンと6〜30MeVのエネルギーのビームを生成する複雑な曲げ磁石の配置を使用して電子を加速します。電子は直接使用することも、ターゲットと衝突させてX線ビームを生成することもできます。生成された放射線ビームの信頼性、柔軟性、精度は、治療ツールとしてのコバルト60療法の以前の使用に大きく取って代わりました。
円形または周期的RF加速器編集
円形加速器、粒子は十分なエネルギーに達するまで円を描いて移動します。粒子トラックは通常、電磁石を使用して円形に曲げられます。線形加速器（ライナック）に対する円形加速器の利点は、粒子が無期限に通過できるため、リングトポロジーが連続加速を可能にすることです。もう1つの利点は、円形加速器が同等の出力の線形加速器よりも小さいことです（つまり、円形加速器と同等の出力を得るには、ライナックを非常に長くする必要があります）。
エネルギーと粒子が加速されると、円形加速器は、粒子がシンクロトロン放射を放出するという欠点を被る。荷電粒子が加速されると、電磁放射と二次電子放出を放出します。円を移動する粒子は常に円の中心に向かって加速しているため、円の接線に向かって連続的に放射します。この放射はシンクロトロン光と呼ばれ、加速する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ライナックです。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。
特殊相対性理論では、物質は常に真空中の光速よりも低速で移動する必要があるため、エネルギー加速器は、エネルギーが増加するにつれて、粒子の速度が限界として光速に近づきますが、決してそれを達成することはありません。したがって、素粒子物理学者は一般に速度の観点から考えるのではなく、通常は電子ボルト（eV）で測定される粒子のエネルギーまたは運動量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次のとおりです。粒子軌道の曲率は、粒子の電荷と磁場に比例しますが、（通常は相対論的な）運動量に反比例します。
CyclotronsEdit
ローレンスの60インチサイクロトロン、直径60インチ（5フィート、1.5メートル）の磁極、カリフォルニア大学ローレンス放射線研究所、バークレー、 1939年8月、当時世界で最も強力な加速器。グレン・T・シーボーグとエドウィン・マクミラン（右）は、プルトニウム、ネプツニウム、その他多くの超ウラン元素と同位体を発見するためにそれを使用し、1951年にノーベル化学賞を受賞しました。
最も初期に運用されていた円形加速器は、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によって発明されたサイクロトロンでした。サイクロトロンには、粒子を加速するための1対の中空の「D」字型プレートと、円軌道に軌道を曲げるための1つの大きな双極子磁石があります。光速cに比べて速度が小さい限り、サイクロトロン周波数と呼ばれる周波数で一定の周期で周回するのは、均一で一定の磁場B内の荷電粒子の特徴的な特性です。これは、サイクロトロンの加速D “が、無線周波数（RF）加速電源によって一定の周波数で駆動できることを意味します。ビームは連続的に外側に向かってらせん状になります。粒子は磁石の中心に注入され、
サイクロトロンは相対論的効果のためにエネルギー限界に達し、粒子が効果的に大きくなり、サイクロトロン周波数が加速するRFと同期しなくなります。したがって、単純なサイクロトロン陽子は駆動電場と位相がずれるため、約1,500万電子ボルト（15 MeV、cの約10％の速度に相当）のエネルギーまでしか陽子を加速できません。さらに加速すると、ビームは継続します。より大きな半径に向かって外側にらせん状になりますが、粒子は加速するRFと歩調を合わせてより大きな円を完成させ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、磁場が必要です。アイソクロナスサイクロトロンで行われるように、より高い半径に増加されます。等時性サイクロトロンの例は、スイスのPSIリングサイクロトロンです。これは、光速の約80％に相当する590MeV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、現在2.2mAである達成可能な最大抽出プロトン電流です。エネルギーと電流は、現在存在する加速器の中で最も高い1.3MWのビームパワーに対応します。
シンクロサイクロトロンと等時性サイクロトロン編集
Orsay陽子線治療センターのシンクロサイクロトロンの磁石
古典的なサイクロトロンは、そのエネルギー制限を増やすために変更することができます。歴史的に最初のアプローチは、束の中の粒子を加速するシンクロサイクロトロンでした。一定の磁場B {\ displaystyle B}を使用しますが、加速磁場の周波数を下げて、粒子が外側に向かってらせん状になり、質量に依存するサイクロトロン共鳴周波数と一致するようにします。このアプローチでは、平均ビームが低くなります。バンチングによる強度、および高エネルギーによって要求されるより大きな軌道上での大きな半径と一定の磁場の巨大な磁石の必要性から。
相対論的粒子を加速する問題への2番目のアプローチは、等時性です。サイクロトロンこのような構造では、加速磁場の周波数（およびサイクロトロン共鳴周波数）は、半径とともに磁場を増加させるように磁極を成形することにより、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性の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短い距離を移動するため、加速場と同相のままです。等時性サイクロトロンの利点は、より高い平均強度の連続ビームを供給できることです。これは、一部のアプリケーションに役立ちます。主な欠点は、必要な大きな磁石のサイズとコスト、および構造の外縁で必要な高い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、等時性サイクロトロンが製造されて以来構築されていません。開発済み。
SynchrotronsEdit
フェルミラボでのテバトロンの空中写真。8の字に似ています。主な加速器は上のリングです。下の1つ（外観にもかかわらず、直径の約半分）は、予備加速、ビーム冷却、および貯蔵などのためのものです。
相対論的質量に近づくか、または粒子の残りの質量（陽子の場合、数十億電子ボルトまたはGeV）を超える場合は、シンクロトロンを使用する必要があります。これは、粒子が一定の半径のリングで加速される加速器です。サイクロトロンに対する直接の利点は、磁場が粒子軌道の実際の領域にのみ存在する必要があることです。これは、リングの領域よりもはるかに狭いものです。 （米国で製造された最大のサイクロトロンは直径184インチ（4.7 m）の磁極を持っていましたが、LEPやLHCなどのシンクロトロンの直径は約10kmです。LHCの2つのビームの開口部はLHCには、16個のRF空洞、ビームステアリング用の1232個の超伝導双極磁石、およびビーム集束用の24個の四重極が含まれています。このサイズでも、LHCは、粒子が漂流することなく粒子を操縦する能力によって制限されます。この限界は14TeVで発生すると理論づけられています。
ただし、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ために、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はできませんが、周期的に動作して粒子を束にして供給し、通常は数秒ごとにターゲットまたは外部ビームのビーム「こぼれ」に送ります。
高エネルギーシンクロトロンは、すでにほぼ光速cで移動している粒子に対してほとんどの作業を行うため、加速を駆動するために使用されるRFキャビティ共振器の周波数と同様に、リングの1つの軌道を完了する時間はほぼ一定です。 。
最新のシンクロトロンでは、ビームの開口部が小さく、サイクロトロンのように磁場が粒子軌道の全領域をカバーしないため、いくつかの必要な機能を分離できます。 1つの巨大な磁石の代わりに、真空接続パイプを囲む（または囲まれる）数百の曲げ磁石のラインがあります。シンクロトロンの設計は、1950年代初頭に、強収束の概念の発見によって革命を起こしました。ビームの集束は、特殊な四重極磁石によって独立して処理されますが、加速自体は、短い線形加速器と同様に、別々のRFセクションで実行されます。また、サイクリックマシンが円形である必要はありませんが、ビームパイプは磁石間に直線部分があり、ビームが衝突したり、冷却されたりする可能性があります。これは、「ビーム物理学」または「ビーム」と呼ばれるまったく別の主題に発展しました。
Tevatron、LEP、LHCなどのより複雑な最新のシンクロトロンは、一定の磁場を持つ磁石のストレージリングに粒子の束を送り、実験のために長期間軌道を回ることができます。またはさらなる加速。テバトロンやLHCなどの最高エネルギーの機械は、実際には加速器複合体であり、初期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、ビームが存在する可能性のある貯蔵リングなど、一連の特殊な要素のカスケードがあります。蓄積または「冷却」（必要な磁石の開口部を減らし、より厳密な集束を可能にします。ビーム冷却を参照）、および最終加速と実験のための最後の大きなリング。
DESYでの電子シンクロトロンのセグメント
電子シンクロトロン編集
円形電子加速器は、SLACの線形粒子加速器が構築された頃、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機械よりも低かったため、素粒子物理学にやや不利になりました。 。 トウモロコシ1970年代後半に低コストで製造されたellElectron Synchrotronは、基本的な素粒子物理学用に製造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、最後はLEPであり、1989年から2000年まで使用されたCERNで製造されました。
過去20年間に、紫外線とX線を放出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構築されてきました。以下を参照してください。
ストレージリング編集
一部のアプリケーションでは、高エネルギー粒子のビームをしばらくの間保存すると便利です（最新の高真空技術、最大数時間）さらに加速することなく。これは、反対方向に移動する2つのビームを互いに衝突させ、有効衝突エネルギーを大幅に増加させる衝突ビーム加速器に特に当てはまります。 2つのビームの交点を通過するたびに発生する衝突は比較的少ないため、最初にビームを目的のエネルギーに加速してから、本質的に磁石のシンクロトロンリングであるストレージリングに保存するのが通例です。RFはそれほど大きくありません。加速のための電力。
シンクロトロン放射源編集
いくつかの円形加速器は、意図的に放射（シンクロトロン光と呼ばれる）を生成するために構築されています。シンクロトロン放射とも呼ばれるX線。たとえば、英国のラザフォードアップルトン研究所で建設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高度な光子源。高エネルギーX線は、タンパク質のX線分光法やX線吸収微細構造（XAFS）などに役立ちます。
シンクロトロン放射は、より軽い粒子によってより強力に放出されるため、これらの加速器は常に電子加速器。シンクロトロン放射は、SLACのSPEARで研究および開発されたように、より良いイメージングを可能にします。
固定磁場交互勾配加速器編集
固定磁場交互勾配加速器（FFA）は、時間的に固定されているが、強収束を達成するために半径方向の変化がある磁場により、ビームを高い繰り返し率で、はるかに小さい速度で加速することができます。サイクロトロンの場合よりも半径方向の広がり。等時性サイクロトロンのような等時性FFAは、連続ビーム動作を実現しますが、軌道の半径全体をカバーする巨大な双極子曲げ磁石を必要としません。FFAのいくつかの新しい開発について説明します。
HistoryEdit
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年に直径60インチの極面を備えた機械を製造し、1942年に直径184インチの機械を計画しましたが、これは第二次世界大戦に関連するウラン同位体分離に関連する作業に引き継がれました。戦後、それは長年にわたって研究と医学のために使用され続けました。
最初の大きな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（1953–1968）に加速しました。 1954年に完成したバークレー校のベバトロンは、陽子を十分なエネルギーまで加速して反陽子を生成し、自然の粒子と反粒子の対称性を検証するように特別に設計された後、理論化されました。ブルックヘブン（1960–）の交互勾配シンクロトロン（AGS）は、交互勾配の「強集束」磁石を備えた最初の大型シンクロトロンであり、ビームの必要な開口とそれに対応する曲げ磁石のサイズとコストを大幅に削減しました。 CERN（1959–）で製造されたプロトンシンクロトロンは、最初の主要なヨーロッパの粒子加速器であり、一般的にAGSに類似しています。
スタンフォード線形加速器SLACは、1966年に運用を開始し、長さ3kmの導波管で電子を30GeVに加速し、トンネルに埋め込んで、数百の大きなクライストロンから電力を供給しました。それはまだ存在する最大の線形加速器であり、蓄積リングと電子陽電子衝突型加速器設備の追加でアップグレードされました。また、X線およびUVシンクロトロン光子源でもあります。
フェルミラボテバトロンには、4マイル（6.4 km）のビーム経路を持つリングがあります。いくつかのアップグレードを受け、2011年9月30日に予算削減のためにシャットダウンされるまで、陽子-反陽子衝突型加速器として機能しました。これまでに構築された最大の円形加速器は、CERNのLEPシンクロトロンで、周囲は26.6kmでした。電子/陽子衝突型加速器。トンネルを大型ハドロン衝突型加速器（LHC）に使用できるように、2000年に解体される前に209GeVのエネルギーを達成しました。 LHCは陽子衝突型加速器であり、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のエネルギー（合計13 TeV）を達成しています。
テキサスで中止された超伝導超大型加速器（SSC）建設は1991年に開始されましたが、1993年に放棄されました。非常に大きな円形加速器は、表面にそのような構造を構築するための混乱とコストを最小限に抑えるために、常に幅数メートルのトンネルに構築されます。高エネルギーで非常に透過する強力な二次放射に対するシールドを提供します。