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FFAG 加速器かそくき

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FFAG 加速器かそくき(FFAG かそくき えい: Fixed-Field Alternating Gradient accelerator[1]とは、1950年代ねんだい初頭しょとう開発かいはつはじめられた円形えんけい加速器かそくき型式けいしきひとつである。磁場じば時間じかんによって変化へんかしないこと(fixed-field, サイクロトロン同様どうよう)と、つよ収束しゅうそくせい英語えいごばんつこと(シンクロトロン同様どうよう)が特徴とくちょうであり[2][3]固定こてい磁場じばきょう収束しゅうそく加速器かそくきともばれる[1]。この特徴とくちょうから、FFAG 加速器かそくきはサイクロトロンのような定常ていじょうせい(ビームが間欠かんけつてきではなく一定いってい出力しゅつりょく持続じぞくしてられる)とシンクロトロンのように比較的ひかくてき安価あんかでボアのせまちいさな磁石じしゃくリングで建造けんぞう可能かのうという利点りてんあわつ。

FFAG 加速器かそくき開発かいはつ1967ねん最後さいごじゅうねん以上いじょう停滞ていたいしていたが、1980年代ねんだい中盤ちゅうばんから1990年代ねんだい中盤ちゅうばんにかけてかく破砕はさいによる中性子ちゅうせいしせんげんようミューオンコライダー英語えいごばん[2] およびニュートリノファクトリー英語えいごばんにおけるミューオン加速かそく器用きようにむけてさい注目ちゅうもくされはじめた。

FFAG 加速器かそくき研究けんきゅう復活ふっかつとく日本にっぽんにおいて顕著けんちょで、複数ふくすうのリングを加速器かそくき建造けんぞうされている。このながれは、高周波こうしゅうは加速かそく空洞くうどう電磁石でんじしゃく設計せっけい技術ぎじゅつ進展しんてんうながされたところがある[4]

歴史れきし

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開発かいはつ初期しょき

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世界せかいはじめて運用うんようされたミシガンマーク I FFAG 加速器かそくき出力しゅつりょく400 keV で、電子でんし加速かそくする。 みぎえる巨大きょだい長方形ちょうほうけい部品ぶひんベータトロン変圧へんあつコアである。 

FFAG 加速器かそくき構想こうそう日本にっぽん大河おおかわ千弘ちひろアメリカキース・サイモン英語えいごばんロシアアンドレイ・コロメンスキーロシアばんによりそれぞれ独立どくりつ発案はつあんされた。はじめてのプロトタイプとして、ミシガン大学だいがくローレンス・W・ジョーンズ英語えいごばんケント・M・ターウィリガーによりベータトロン加速かそくもちいるものが建造けんぞうされ、1956ねん初頭しょとう運用うんよう開始かいしした[5]。このプロトタイプは、そのとしあきにはウィスコンシン大学だいがく所在しょざい中西部ちゅうせいぶ大学だいがく研究けんきゅう協会きょうかい英語えいごばん (MURA) 研究所けんきゅうじょ移設いせつされ、500 keV きゅう電子でんしシンクロトロン改造かいぞうされた[6]。サイモンが1956ねん申請しんせいした特許とっきょでは、 "FFAG accelerator" および "FFAG synchrotron" という用語ようごもちいられている[7]大河たいが1955ねんからすうねんにわたってサイモンおよび MURA の研究けんきゅうチームと共同きょうどう研究けんきゅうおこなっていた[8]

サイモンの同僚どうりょうであったドナルド・カースト英語えいごばんはサイモンのラジアルセクターがた特許とっきょ申請しんせいとほぼ同時どうじに、スパイラルセクターがた特許とっきょ申請しんせいしている[9]。ごくちいさなスパイラルセクターがた装置そうち1957ねん建造けんぞうされ、1961ねんには 50 MeV のラジアルセクターがた装置そうち運用うんよう開始かいしした。後者こうしゃ装置そうちは1957ねん大河たいが申請しんせいした同種どうしゅ粒子りゅうし同時どうじ時計とけいまわりとはん時計とけいまわりに加速かそくできる対称たいしょうがた装置そうち特許とっきょもとづいている[10]。これは最初さいしょ衝突しょうとつがた加速器かそくきひとつであるが、この装置そうちシンクロトロン放射ほうしゃセンター英語えいごばんもととなったタンタルス蓄積ちくせきリング英語えいごばんへのインジェクタとして使用しようされたためにこの機能きのう使用しようされなかった[11]。この 50 MeV きゅう装置そうち1970年代ねんだい初頭しょとう退役たいえきした[12]

MURA FFAG のレイアウト

MURA は 10 GeV きゅうおよび 12.5 GeV きゅうの FFAG 陽子ようし加速器かそくき設計せっけいしたが、予算よさん獲得かくとくできなかった[13]720 MeV きゅう[14]500 MeV きゅう[15] のインジェクタの設計せっけい発表はっぴょうされている。

1963ねんから1967ねんにかけて MURA が解体かいたいされると[16]、FFAG 加速器かそくき使用しようされなくなり活発かっぱつ議論ぎろんされることのない時期じき一時期いちじきつづいた。

開発かいはつ継続けいぞく

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1980年代ねんだい初頭しょとう、Tat Khoe[よう出典しゅってん] および フィル・ミーズ[よう出典しゅってん]が FFAG 陽子ようし加速器かそくきこう強度きょうどかく破砕はさい中性子ちゅうせいしせんげんとしててきしていることを主張しゅちょうすると、アルゴンヌ国立こくりつ研究所けんきゅうじょユーリッヒ研究けんきゅうセンター英語えいごばん主導しゅどうするプロジェクトが発足ほっそくした。

FFAG 加速器かそくき可能かのうせいについての学会がっかい1983ねんから開催かいさいされはじ[17]2000ねんには CERN で、2000ねん2003ねんには KEK でワークショップがひらかれ、おおよそとし単位たんい継続けいぞくされている。ほとんどの PAC, EPAC, サイクロトロン学会がっかい発表はっぴょうがなされている[18]

ASPUN リング(スケーリングがた FFAG 加速器かそくき)。ANL がはじめて設計せっけいした螺旋らせんがた装置そうちである ASPUN は、おだやかな螺旋らせんにより MURA による装置そうち比較ひかくして運動うんどうりょうさんばい増強ぞうきょうされている[19]

KEK のもり義治よしはるのグループがはじめて FFAG 陽子ようし加速器かそくき建造けんぞうげに成功せいこうしてのち、FFAG 加速器かそくき開発かいはつ活況かっきょうていしている[20]。FFAG 加速器かそくき有望ゆうぼう用途ようととしては、放射線ほうしゃせん療法りょうほうこうエネルギー物理ぶつりがくげられる。 高周波こうしゅうは加速かそく空洞くうどう適切てきせつ合金ごうきんもちいることにより[訳語やくご疑問ぎもんてん]高周波こうしゅうは加速かそくをオーダーひと向上こうじょうさせることができる。

16 のセルからなるちょう伝導でんどう FFAG 加速器かそくきれい。エネルギー: 1.6 GeV, Bmax = T Bmin = −1.2 T, 平均へいきん半径はんけい: 26 m

ちょう伝導でんどう電磁石でんじしゃくもちいると、FFAG 加速器かそくき磁石じしゃくながさはおおよそ必要ひつよう磁場じば強度きょうどぎゃく二乗にじょうでスケールするが、これはのぞましくない[21]。DFD および FDF トリプレット磁石じしゃく設計せっけいもちいることによりコンパクトで単純たんじゅん設計せっけいとすることができ、十分じゅうぶんおおきなドリフトちょうられるためそれ以降いこうのスケーリングがた FFAG 加速器かそくきもちいられるようになった[21]。この磁石じしゃく設計せっけいとく放射ほうしゃがた FFAG 加速器かそくきてきしており、動的どうてき光学こうがく特性とくせい線形せんけいせい向上こうじょうさせる。M. Abdelsalam(ウィスコンシン大学だいがく)と R. Kustom (ANL) はてつもちいずに必要ひつよう磁場じばることのできるコイル形状けいじょう導出みちびきだした。この磁石じしゃく設計せっけいはユーリッヒ研究けんきゅうセンターの S. Martin らにがれた[18][22]

アクロマティック素子そし挿入そうにゅうしたスケーリングがた FFAG 加速器かそくき

フィル・ミーズは、チューニングを固定こていできるため加速かそくちゅう共鳴きょうめい交差こうさしないスケーリングがた FFAG 加速器かそくき発明はつめいした。このような装置そうち設計せっけいでは、まず分散ぶんさんフリーなストレートセクションをぐみ磁石じしゃくあいだ設置せっちする。線形せんけい特性とくせい調整ちょうせいしてマッチングをとり、COSY INFINITY をもちいて偏向へんこう磁石じしゃく磁場じば調整ちょうせいし、非線形ひせんけいこう追加ついかし、チューニングを固定こていしたままでも任意にんい運動うんどうりょう参照さんしょう軌道きどうじゅんって最初さいしょのストレートセクションをとおったあとのストレートセクションの中心ちゅうしんくようにする[よう出典しゅってん]

スケーリングがたスケーリングがた

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FFAG 加速器かそくき必要ひつようとされる磁場じばきわめて複雑ふくざつである。1956ねん建造けんぞうされた、500 keV きゅうラジアルセクターがた装置そうちミシガン FFAG Ib に使つかわれた磁石じしゃく計算けいさんイリノイ大学だいがくのフランク・コールによりフリーデンしゃ英語えいごばんせい機械きかいしき計算けいさんもちいておこなわれた[6]。これがコンピューターの使つかえなかった当時とうじ限界げんかいであり、より複雑ふくざつなスパイラルセクターがたスケーリングがたの FFAG 加速器かそくき洗練せんれんされたコンピューターモデリングをもってしてはじめて可能かのうとなった。

MURA の装置そうちはスケーリングがた FFAG シンクロトロンだった。すなわち、ある運動うんどうりょう対応たいおうする軌道きどうはあるべつ運動うんどうりょう対応たいおうする軌道きどう写真しゃしんじゅつてき拡大かくだいしたものとなる。このような装置そうちではベータトロン周波数しゅうはすう一定いっていとなり、したがってビーム損失そんしつつながりうる共鳴きょうめい交差こうさしょうじない[23]。メディアンプレーンにおける磁場じばつぎしきたすような装置そうちをスケーリングがたという。

,

ここで、つぎのように記号きごう定義ていぎした。

  • 磁場じば指数しすう
  • 周期しゅうき
  • : 螺旋らせんかく(ラジアルがた装置そうちでは 0)
  • 平均へいきん半径はんけい
  • ː 定常ていじょう軌道きどう可能かのうとする任意にんい関数かんすう

ここで、 とすると FFAG 磁石じしゃくどうエネルギーのサイクロトロンにくらべて格段かくだんちいさくなる。欠点けってんは、装置そうちきわめて非線形ひせんけいとなることである。これをふく様々さまざま関係かんけいしきがフランク・コールの論文ろんぶんしめされている[24]

スケーリングがたの FFAG 加速器かそくき構想こうそうは1950年代ねんだいわり、2方向ほうこう衝突しょうとつビーム FFAG 加速器かそくきへのちゅう衝突しょうとつ領域りょういきにおけるビーム強度きょうど増強ぞうきょうする方法ほうほう検討けんとうしていたケント・ターウィリガーとローレンス・W・ジョーンズにより発案はつあんされた。この構想こうそうはすぐに従来じゅうらいがた加速器かそくきよう収束しゅうそく磁石じしゃく改善かいぜん応用おうようされた[6]が、FFAG 加速器かそくきへと応用おうようされるにはすうじゅうねんようした。

加速かそく十分じゅうぶんはやければ、粒子りゅうしはベータトロン共鳴きょうめいかさなりあって振幅しんぷく影響えいきょうまえとおりすぎることができる。この場合ばあい双極そうきょく磁場じばどうみち方向ほうこう線形せんけいとなることができ、磁石じしゃくちいさく、単純たんじゅんにすることができる。「線形せんけいスケーリングがた」 FFAG 加速器かそくき実証じっしょうとして EMMA英語えいごばん (Electron Machine with Many Applications) がイギリスのダレスベリー研究所けんきゅうじょ運用うんよう成功せいこうしている[25][26]

たてがた FFAG 加速器かそくき

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たて軌道きどうエクスカーション FFAG (VFFAG) 加速器かそくき[訳語やくご疑問ぎもんてん]とは、こうエネルギー軌道きどうていエネルギー軌道きどう比較ひかくしてどうみち方向ほうこうではなく上側うわがわ(またはしたがわ)にへんくらいするように設計せっけいされた特殊とくしゅな FFAG 加速器かそくきである。これは、たかいビーム剛性ごうせい英語えいごばんをもって双極そうきょく磁場じばのよりたか領域りょういき粒子りゅうしむ、ひずみ収束しゅうそく磁場じばにより達成たっせいできる[27]

VFFAG がた設計せっけい通常つうじょうの FFAG がた設計せっけいよりもすぐれているおもてんは、ことなるエネルギーを粒子りゅうしあいだでも経路けいろちょう一定いっていたもたれ、そのため相対そうたいろんてき粒子りゅうしひとしときてき運動うんどうすることである。回転かいてんとうどきせいにより一定いっていビーム強度きょうどでの運用うんよう可能かのうとなり、ひとしときサイクロトロンがシンクロサイクロトロン英語えいごばんたいしてっているのとおな利点りてんることができる。ひとしときてき加速器かそくきたて収束しゅうそくせいたないが、FFAG 加速器かそくきのように傾斜けいしゃ速度そくどはや場合ばあいにはおおきな制約せいやくとはならない。

VFFAG 加速器かそくきおも欠点けってんとして特異とくいてき磁石じしゃく設計せっけい必要ひつようとするてんがあり、現状げんじょう VFFAG は試験しけん段階だんかいにはいたっておらずシミュレーション英語えいごばん段階だんかいどまりである。

用途ようと

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FFAG 加速器かそくきがん陽子ようしせん治療ちりょう英語えいごばんにおける陽子ようしせんげんとして医療いりょう分野ぶんやへの応用おうようや、密閉みっぺい貨物かもつけのおかせかさねセキュリティ検査けんさようこう強度きょうど中性子ちゅうせいしせんげんとして、また、ミューオン崩壊ほうかいするまえこうエネルギー領域りょういきへと加速かそくする「エネルギー増幅器ぞうふくき」として、さらには FFAG により発生はっせいさせた中性子ちゅうせいしせんもちいて臨界りんかいたっしない核分裂かくぶんれつ駆動くどうする、加速器かそくき駆動くどう臨界りんかいへの応用おうようなどが期待きたいされている。加速器かそくき駆動くどう臨界りんかいは、事故じこによる暴走ぼうそうこらないので本質ほんしつてき安全あんぜんであり、また長寿ちょうじゅいのちかつかく拡散かくさん条約じょうやく規制きせいけるちょうウラン元素げんそ廃棄はいきぶつ発生はっせい比較的ひかくてきすくないなどの利点りてんがある。

じゅん定常ていじょう運用うんよう可能かのうでビーム間隔かんかく最小限さいしょうげんおさえられるという特性とくせいから、将来しょうらいミューオンコライダー英語えいごばん施設しせつへの応用おうようかんがえられている。

現状げんじょう

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1990年代ねんだいには、素粒子そりゅうし原子核げんしかく研究所けんきゅうじょにおいて FFAG 加速器かそくき開発かいはつ開始かいしされ、2003ねん150 MeV きゅう装置そうち建造けんぞうされている。がん治療ちりょうけのスケーリングがた FFAG 陽子ようし炭素たんそ原子核げんしかく加速器かそくきの dubbed PAMELA が設計せっけいされている[28]一方いっぽう加速器かそくき駆動くどう臨界りんかいけでは、京都大学きょうとだいがく臨界りんかい集合しゅうごうたい実験じっけん装置そうち (KUCA) の制御せいぎょぼう臨界りんかい集合しゅうごうたいなか挿入そうにゅうして臨界りんかいいたらないようにした状態じょうたい100 MeV きゅう加速器かそくきにより「持続じぞくてきかく反応はんのう」が達成たっせいされている。

関連かんれん文献ぶんけん

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出典しゅってん

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