固定磁場交流勾配加速器

固定磁場交流勾配加速器（FFA 、 FFAGとも略される）は、時間に依存しない磁場（サイクロトロンのような固定磁場）と交流勾配強集束（シンクロトロンのような）の使用を特徴とする円形粒子加速器の概念である。[ 1 ] [ 2 ]

すべての円形加速器では、磁場を用いて粒子ビームを曲げます。ビームを曲げるために必要な磁力は粒子のエネルギーとともに増加するため、粒子が加速するにつれて、粒子の軌道は拡大するか、粒子を一定の大きさの軌道に保持するために磁場を時間とともに増加させる必要があります。サイクロトロンやFFAなどの固定磁場型加速器では前者のアプローチを採用しており、加速に応じて粒子の軌道が変化します。

粒子をビーム内に閉じ込めておくためには、何らかの集束が必要です。磁場の形状をわずかに変化させながら、全体的な磁場の方向を一定に保つことを弱集束と呼びます。強集束、あるいは交番勾配集束では、磁場が交互に反対方向を向きます。交番勾配集束を用いることで、ビームをより強く集束させ、加速空洞を小型化することができます。

FFAは固定磁場を使用し、リングの円周に沿って磁場の方向を変化させます。これは、サイクロトロンと同様に加速中にビームの半径が変化する一方で、シンクロトロンと同様にビームの集束度がより高い状態を維持することを意味します。したがって、FFAは比較的安価な固定磁石と、強力集束装置のビーム集束度向上機能を組み合わせたものです。[ 3 ]

FFAの最初の概念は1950年代に開発されましたが、1980年代半ばまで、中性子破砕源、ミューオン衝突型 加速器のドライバー[ 1 ] 、および1990年代半ば以降ニュートリノファクトリーでのミューオンの加速に 使用するためのいくつかのテストマシンを超えて積極的に調査されていませんでした。

FFA研究の復活は、特に日本において顕著であり、複数のリングが建設されました。この復活は、高周波空洞と磁石設計の進歩に一部起因しています。 [ 4 ]

歴史

最初の開発フェーズ

ミシガン・マークI FFA加速器。この400KeV電子加速器は、初めて稼働したFFA加速器でした。右側の大きな長方形の部分はベータトロン変圧器のコアです。

固定磁場交流勾配シンクロトロンのアイデアは、日本では大川千尋、アメリカではキース・サイモン、ロシアではアンドレイ・コロメンスキーによってそれぞれ独立して開発されました。ミシガン大学のローレンス・W・ジョーンズとケント・M・ターウィリガーによって製作された最初のプロトタイプは、ベータトロン加速を使用し、1956年初頭に稼働しました。[ 5 ] その秋、プロトタイプはウィスコンシン大学の中西部大学研究協会（MURA）研究所に移され、そこで500keV電子シンクロトロンに改造されました。[ 6 ] サイモンが1956年初頭に出願した特許では、「FFAG加速器」および「FFAGシンクロトロン」という用語が使用されています。[ 7 ]大川は1955年から数年間、サイモンおよびMURAチームと共同研究を行いました。 [ 8 ]

ドナルド・カーストは、サイモンと共同で、サイモンのラジアルセクター特許とほぼ同時期に、スパイラルセクターFFA加速器の特許を申請した。[ 9 ] 非常に小型のスパイラルセクター装置が1957年に製作され、50MeVラジアルセクター装置が1961年に稼働した。この最後の装置は、1957年に申請された、時計回りと反時計回りのビームで同一粒子を同時に加速できる対称装置に関する大川の特許に基づいていた。[ 10 ]これは、衝突ビーム加速器としては世界初のものだったが、この機能は、後にシンクロトロン放射センターとなるタンタラス蓄積リングの入射器として実用化されたときには使用されなかった。[ 11 ] 50MeV装置は最終的に1970年代初頭に廃止された。[ 12 ]

MURA FFAのレイアウト

MURAは 10GeVと12.5GeVの陽子FFAを設計したが、資金は得られなかった。[ 13 ] 720MeV用[ 14 ]と500MeV入射器用の2つの縮小設計[ 15 ]が発表された。

1963年から1967年にかけて行われたMURAの閉鎖により[ 16 ] 、 FFAの概念は既存の加速器設計には使用されなくなり、しばらくの間活発に議論されることはなかった。

継続的な開発

ASPUNリング（スケーリングFFA）。ANLが最初に設計したASPUNは、MURAマシンと比較して控えめなスパイラルで運動量を3倍に増加させるように設計されたスパイラルマシンであった。[ 17 ]
16セル超伝導FFAの例。エネルギー：1.6 GeV、平均半径26 m。

1980年代初頭、フィル・ミーズによって、FFAが強力な核破砕中性子源のための陽子加速器として適しており有利であると示唆され、[ 18 ]アルゴンヌ国立研究所のアルゴンヌタンデム線形加速器[ 19 ]やユーリッヒ研究センターのクーラーシンクロトロン[ 20 ]などのプロジェクトが開始されました。

この可能性を探る会議は1984年からユーリッヒ研究センターで開催されている。[ 21 ]また、 CERN、KEK、BNL、TRIUMF、フェルミ国立加速器研究所、京都大学原子炉研究所で、 FFA加速器に焦点を当てた数多くの年次ワークショップが開催されている。[ 22 ] [ 23 ] 1992年にCERNで開催された欧州粒子加速器会議は、FFA加速器に関するものであった。[ 24 ] [ 25 ]

最初の陽子FFAは2000年に建設に成功し、[ 26 ]高エネルギー物理学と医学におけるFFA活動のブームを引き起こしました。

超伝導磁石の場合、FFA磁石に必要な長さは磁場の2乗に反比例します。[ 27 ] 1994年には、鉄を使わずに必要な磁場を提供するコイル形状が導き出されました。[ 28 ]この磁石の設計は、ユーリッヒのS. Martinらによって引き継がれました。[ 24 ] [ 29 ]

2010年、京都で開催されたFFA加速器に関するワークショップの後、英国ダーズベリー研究所で多用途電子マシン（EMMA）の建設が完了しました。これは、非スケーリングFFA加速器としては初のものでした。非スケーリングFFAは、大型で重い磁石を必要とせず、ビーム制御がはるかに優れているため、スケーリングFFAよりも有利な点が多いとされています。[ 30 ]

スケーリング型と非スケーリング型

FFAに必要な磁場は非常に複雑です。1956年に建設されたラジアルセクター型500keV装置であるミシガンFFA Mark Ibで使用された磁石の計算は、イリノイ大学のフランク・コールがフリーデン社製の機械式計算機を用いて行いました。[ 6 ] これはコンピュータなしで合理的に実行できる限界でした。スパイラルセクター型や非スケーリング型FFAのより複雑な磁石形状には、高度なコンピュータモデリングが必要です。

MURA装置はFFAシンクロトロンをスケーリングしており、これは任意の運動量の軌道が他の任意の運動量の軌道の写真的拡大となることを意味する。このような装置ではベータトロン周波数は一定であるため、ビーム損失につながる可能性のある共鳴[ 31 ]は発生しない。装置がスケーリングされているとは、正中面磁場が次式を満たすことを意味する。

、

どこ

  • 、
  • フィールドインデックスです。
  • 周期性は、
  • 螺旋角（ラジアルマシンの場合はゼロ）
  • 平均半径、および
  • 安定した軌道を可能にする任意の関数です。

FFAの磁石は、同じエネルギーのサイクロトロンの磁石よりもはるかに小さい。欠点は、これらの装置は非常に非線形であることだ。これらの関係やその他の関係は、フランク・コールの論文で展開されている。[ 32 ]

非スケーリングFFAを構築するというアイデアは、 1950年代後半、ケント・ターウィリガーとローレンス・W・ジョーンズが、当時開発中だった双方向衝突ビームFFAの衝突領域におけるビーム輝度を高める方法を検討していた際に初めて思いついた。このアイデアは、従来の加速器用のより優れた集束磁石の設計に即座に応用されたが[ 6 ]、FFAの設計に適用されるのは数十年後のことであった。

加速が十分に速ければ、粒子は損傷を与える振幅に達する前にベータトロン共鳴を通過することができます。その場合、双極子場は半径に対して線形となり、磁石はより小型で簡単に構築できます。原理実証済みの線形でスケーリングのないFFAであるEMMA（Electron Machine with Many Applications）は、英国のダーズベリー研究所で運用に成功しています。[ 33 ] [ 34 ]

垂直FFA

垂直軌道偏向FFA（VFFA）は、高エネルギー軌道が低エネルギー軌道の上（または下）に位置するように配置され、放射状に外側に広がるのではなく、特殊なFFAである。これは、ビーム剛性の高い粒子を垂直方向に押し込み、双極子場の強い領域に送り込むスキュー集束場によって実現される。[ 35 ]

VFFA設計がFFA設計に対して持つ主な利点は、異なるエネルギーを持つ粒子間の経路長が一定に保たれ、相対論的粒子が等時的に移動する点です。回転周期の等時性によりビームの連続運転が可能になり、等時サイクロトロンがシンクロサイクロトロンに対して持つのと同じ出力上の利点が得られます。等時加速器には縦方向のビーム収束機能はありませんが、FFA設計で一般的に使用される急速なランプレートを持つ加速器では、これは大きな制約にはなりません。

主な欠点としては、VFFA では特殊な磁石設計が必要であり、現在 VFFA 設計はテストされておらず、シミュレーションのみ行われていることが挙げられます。

アプリケーション

FFA加速器は、がんの陽子線治療、高強度中性子生成用の陽子源、密閉貨物コンテナの非侵襲的安全検査、ミューオンが崩壊する前に高エネルギーまで急速加速するための「エネルギー増幅器」、そしてFFAから生成された中性子ビームがわずかに臨界未満の核分裂炉を駆動する加速器駆動未臨界炉（ADSR）/未臨界炉の「エネルギー増幅器」としての医療用途が期待されています。このようなADSRは本質的に安全であり、偶発的な指数関数的暴走の危険がなく、超ウラン廃棄物の発生が比較的少ない ため、寿命が長く、核兵器拡散の可能性があります。

FFA は、準連続ビームと、その結果生じる高エネルギーでの加速間隔の最小化により、将来のミューオン衝突型加速器施設の一部としても関心を集めています。

状態

1990年代に東京近郊のKEK素粒子物理学研究所の研究者らはFFAのコンセプトの開発を開始し、2003年に150MeVの装置を完成させた。また、がん治療用に陽子と炭素原子核の両方を加速するPAMELAと呼ばれる非スケーリング装置も設計されている。[ 36 ]一方、2009年3月には京都大学臨界集合体（KUCA）で100MeVで動作するADSRが実証され、臨界集合体の制御棒を原子炉の炉心に挿入して臨界点以下に抑えることで「持続可能な核反応」を実現した。

参照

さらに読む

参考文献

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