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加速器の基本概念と構成

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加速器の基本概念と構成. May 17, 2006 KEK 加速器 佐藤康太郎. 加速可能な粒子. 電荷を持った安定な粒子  電子、陽電子  陽子、反陽子  正、負イオン、アルファ  ミュオン 短寿命     相対論的効果による延命、将来計画の加速器 (muon factory)  中性子 スピンによる磁気モーメント. 加速器のエネルギー. 非相対論的:運動エネルギー. 相対論的:. 荷電粒子への力:. Lorentz 力. エネルギー増減. エネルギー増減率. よく知られているように、電場のみ寄与する. エネルギー変化量.

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Presentation Transcript
slide1

加速器の基本概念と構成

May 17, 2006

KEK加速器 佐藤康太郎

slide2
加速可能な粒子

電荷を持った安定な粒子

 電子、陽電子

 陽子、反陽子

 正、負イオン、アルファ

 ミュオン 短寿命 

   相対論的効果による延命、将来計画の加速器(muon factory)

 中性子 スピンによる磁気モーメント

slide3
加速器のエネルギー

非相対論的:運動エネルギー

相対論的:

荷電粒子への力:

Lorentz力

slide4
エネルギー増減

エネルギー増減率

よく知られているように、電場のみ寄与する

エネルギー変化量

U:電圧(volt, MKSA)

エネルギー単位

小さな量にも見えるが、温度に換算すると超高温

slide5
粒子の偏向

Lorentz力の比較

高エネルギーではBの効果はEの約100倍

低エネルギーではEも有効、CRT

slide6
初期の加速器開発

高電圧発生装置+粒子源

1932年

Cockcroft-Walton500keV pによるLiの核破砕

Cockcroft-Walton型整流型高圧発生機

1933年

Van de Graaff 1MV イオン加速

ベルト式静電起電機

Tandem型:負イオンを高圧部で正イオンへ変換

     加速電圧を2倍

制限:絶縁破壊、

   粒子源を高圧部に設置、電力、信号の伝送の課題

slide7
繰り返し加速のアイデア

サイクロトロン

一様、一定磁場

加速は2台のD電極間のRF電場

加速とともに円軌道が大きくなる.

非相対論領域では回転周波数は一定

サイクロトロン周波数

RF周波数の繰り返しで連続的に加速可能

陽子で20MeV程度

現在でも大出力加速器として有用、産業、医療

slide8
繰り返し加速:線型加速器1

Drift tube linac

加速によって速度が変わる粒子、

陽子、イオン

一定のRF周波数

drift tube間のgapでのRF電場による加速.

加速によって速度が速くなるにつれ、

drift tubeを長くして、gapでの同期を取る.

RF周波数の繰り返しで連続加速が原理的に可能

中エネルギーの陽子、イオン加速に現在でも有用

slide9
繰り返し加速:線型加速器2

Disk loaded linac

光速に近い粒子の加速

電子

一定周波数

一様なwave guide中の電波の伝播では、

phase velocity > c, 同期がとれない

Wave guide中にiris diskを挿入し、電波を散乱させ、

phase velocity = cに調整

Microwaveの繰り返しで連続加速が原理的に可能

Room temp. linear colliderで採用

医療用電子加速器、X線発生用

SC linear colliderも加速原理は同じ(disk loadedではないが)

slide10
円型繰り返し加速の発展1

サイクロトロンの限界1

相対論的効果が見え始めると、回転周波数が低下し、

同期が外れることによる最高エネルギーの制限.

最高エネルギー増加のアイデア

1.加速周波数を変えて、同期をとる.

synchro-cyclotron800MeV

ただし、連続加速は不可能.

周波数変調による断続的加速.

2.回転周波数が一定となる磁場分布、

 (実際には収束作用を持たせるため、

  半径及び周方向にも磁場が変化) 

AVF cyclotron 100MeV

slide11
円型繰り返し加速の発展2

サイクロトロン(型)の限界2

加速とともに軌道半径が増加するため、

すべての軌道を含む面積の磁場が必要.

最高エネルギー増加とともに磁石が巨大となる.

加速途中の軌道を一定にするアイデア

 磁場も加速電場周波数も互いにエネルギーと同期をとって変動

1.ベータトロン

  磁場変化で発生する誘導電場で加速.

2.シンクロトロン

  磁石が軌道上のみ、磁石の最小化

  軌道上のRF空洞で加速

高エネルギー円型加速器の定番

slide12
ベータトロン

加速電場を必要としない特殊な加速器、電子用

誘導電場

半径rの円で積分

ベータトロン条件

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シンクロトロン

一定軌道

2つの同期条件が必要

運動量と磁場との同期

運動量と加速周波数の同期

(実際には加速周波数はfrev(t)の整数倍)

slide14
収束作用

粒子の加速の安定化、収束作用が必須

収束作用:変位に応じた(比例した)復元力

最も簡単な例:一次元調和振動子

       振動数が振幅に依存しない.

加速器の場合は3自由度

1.進行方向(縦方向)

  高周波電場の加速位相との同期のずれ

2.横方向(2自由度)

 設計軌道からの水平、垂直方向のずれ

3自由度すべてに、収束作用が必要

slide15
縦方向の収束、位相安定の原理

原点:平衡粒子

  決められた加速量が正確に得られる位相で

常に加速装置を通過する.

単振動子との比較

変位 ー>Df 平衡粒子の位相からのずれ、

速度 ー>DE 平衡粒子からのエネルギーのずれ

DEとDfの関係(符号)が加速器によって異なる

Df

平衡粒子の位相は2カ所ある.

円型、

相対論的

符号によって片方が安定(stable fixed point)、

他方が不安定(unstable fixed point)

DE

安定点の周りの振動:シンクロトロン振動

DfがDEに依存しないと位相安定はない

1.円型加速器のtransition energy

2.高エネルギー電子線型加速器 光速で位相安定は不必要

非相対論的

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横方向の収束1

弱収束

一様磁場:

水平方向の設計軌道からのずれは

 1周すると戻る、振動数1.

垂直方向は収束がない.

傾斜(外側で低下)磁場:

垂直方向の収束作用が発生.

水平方向の収束が低下.傾斜が大きすぎると発散作用

弱収束:水平、垂直とも収束できる傾斜磁場

 設計軌道からずれた粒子は設計軌道の周りを振動

     ー> ベータトロン振動

 一周あたりの振動数は、水平、垂直方向とも1以下.

slide17
横方向の収束2

強収束

光線の場合には凸レンズが存在.

水平、垂直の両方で収束.

中心からのずれに比例して中心方向へ偏向.

荷電粒子への対応物は存在するか?

 同心円状の磁場方向で、半径に比例した強度.

 物理的にほとんど不可能.

B(r)

傾斜磁場

弱収束の例では、水平発散、垂直収束.

逆の傾斜では、作用が逆.

 同時に収束は物理的に不可.

弱収束

r

slide18
横方向の収束2(続)

光学レンズからのヒント:

 凸と凹レンズを適当に離したレンズ系は収束作用

強収束の原理(革命的)

向きの違う傾斜磁場を適当に離しておくと、

水平垂直の両方で収束作用.

傾きを大きくすると、さらに収束作用を強くできる.

収束作用が強くなったことにより、

粒子の広がりが小さくなり、磁石が最小化.

ベータトロン振動数を大きくできる.

KEKB 〜40、KEK-PS ~7

線型を含むほとんどすべての加速器の収束

slide19
横方向の収束2(補)

機能分離型(separated function):

傾斜磁場を一様な部分(偏向)と、傾きの部分(収束)とに分け、

それぞれを別な磁石.

B

偏向と独立に収束を

 調整できる.

+

=

r

偏向(2極)磁石

4極磁石

機能複合型(combined function):

偏向と収束の両方の機能を持つ磁石、加速器の小型化

円型の高エネルギー加速器 機能分離型シンクロトロン