. . 髙田耕治 KEK [email protected] http://research.kek.jp/people/takata/home.html 総研大加速器科学専攻 2015 年度「加速器概論Ｉ」講義 2015 年 4 月 16 日 . . .. . 加速器の基本概念 I : 粒子加速器技術のあけぼの目次 §1 粒子加速器のあけぼの §2 高エネルギービームの力学: (1) §3 高エネルギービームの力学: (2) §4 高周波加速技術 §5 今後の高エネルギー加速器 §6 参考文献 Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 2 / 22 粒子加速器のあけぼの Contents 1 人工的核崩壊の発見（1919 - 1932）と加速器の誕生 2 初期の加速器いろいろ 3 直流電圧加速から高周波加速へ 4 高周波加速のための諸課題 5 第２次世界大戦（1941 - 1945）前後の急展開 Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 3 / 22 人工的核崩壊の発見（1919 - 1932）と加速器の誕生 (1) Ernest Rutherford (英国 Cambridge Cavendish 研究所）: α 線照射による核崩壊発生の発見 (1917 - 1919) • 窒素ガスを詰めた容器に α 崩壊する放射線源を置いたとき陽子と酸素が生成されることを確認: α + 147 N → p + 168 O この人工的核崩壊現象をより深く追求するために、高エネルギー粒子ビーム発生装置の開発が各国で始まる Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 4 / 22 人工的核崩壊の発見（1919 - 1932）と加速器の誕生 (2) 結局 1932 年に Cavendish 研究所の John D. Cockcroft と Ernest T. S. Walton が 800 kV まで加速した陽子ビームでリチウム原子核を破壊し、はじめて人工的な原子核反応を得た。 p + 73 Li → α + α これに使われた加速器は通常コッククロフト・ウォルトン型とよばれているが、スイスの H. Greinacher の発明になる多段型直流整流器 (1919) を改良したものである。 Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 5 / 22 直流高電圧加速器主要な二つの方式 • 多段のコンデンサー・整流管回路による電圧増培 : コッククロフト・ウォルトン 800 kV 加速器 (1932)。 • 帯電ベルト方式 : バンデグラフ (Robert J. Van de Graaﬀ) 1.5 MV 静電圧型加速器 (1931)。静電圧型加速器はビームエネルギーが安定かつ精密に設定できるので、質量分析用として現在でも使われる。 • 同位元素比 • 14 14 C/12 C の分析による考古学年代測定。 C の半減期約 5,730 年を単位として、生物が呼吸停止してからの時間がわかる。 Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 6 / 22 コッククロフト・ウォルトン回路 V(3+cos ωt) V(1+cos ωt) V cos ωt V(5+cos ωt) AC 0 Koji Takata (KEK) 2V 4V 加速器基本概念 I 6V 0 2015 年 4 月 16 日 7 / 22 コッククロフト・ウォルトン加速器 1 1 J. D. Cockcroft and E. T. S. Walton, ’Proc. Roy. Soc. London,’ A, vol.129, p.477 (1930) Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 8 / 22 1932 年頃の Cockcroft：鉛直に立つ加速管の横で Please see the figure in p.227 of ref. 2 2 E. Segr`e, From X-rays to Quarks, p.227, (W. H. Freeman and Company, 1980) Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 9 / 22 ガラス製真空チューブとビーム加速間隙 Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 10 / 22 帯電ベルト方式の静電圧型加速器：バンデグラフ (Robert J. Van de Graaﬀ) 1.5 MV 加速器 (1931) Insulating Belt High Voltage for Acceleration Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 11 / 22 静電型加速器の加速エネルギー限界絶縁破壊電圧が決定的要因 • 1cm 離れた金属平面間での絶縁破壊電圧の目安絶縁体典型的絶縁破壊電圧空気 (1 atm) ≈ 30 kV ≈ 80 kV ≈ 360 kV SF6 gas (1 atm) SF6 gas (7 atm) 絶縁油超高真空 ≈ 150 kV ≈ 220 kV • 電極間隙の大きさに比例してどこまでも耐電圧が上がるわけではない Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 12 / 22 Van de Graaﬀ 加速管電極からの放電のデモンストレーション ∗3 3 http://web.mit.edu/museum/exhibitions/mindhand.html Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 13 / 22 高周波加速への中間段階：Donald W. Kerst のベータトロン (1940) 磁束 Φ の時間変化にともなう誘導電場を使う • 交流トランスと同じ原理. • マクスウェル方程式のうちのファラデーの法則: ∇×E=− ∂B . ∂t • 閉曲線 C に沿って電場 E の接線成分を積分しよう: I ∂ E · dl = − ∂t C ∫∫ B · n dxdy = − S ∂ Φ, ∂t ここで - dl は閉曲線 C, の線素 - n は閉曲線 C で囲まれた曲面 S の面素 dS = dxdy に鉛直な単位ベクトル Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 14 / 22 Kerst のベータトロン第一論文 Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 15 / 22 最初の高周波加速：Wider¨ oe のリニアック創案は Gustaf Ising (Sweden, 1925) 試作は Rolf Wider¨ oe (Norway/Germany, 1928). ドリフトチューブを取付け、各間隙で VRF ∼ 25 kV (1 MHz) の加速電圧を実現彼はこの配置を繰りかえせばはるかに高いビームエネルギーが得られるはずと確信 RF Ion So urce Drift Tube Beam この方式は今日陽子加速に使われるドリフトチューブ・リニアック (DTL) の原型である Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 16 / 22 Ernest Lawrence のサイクロトロン (1931) Wider¨ oe の方式で高エネルギーを得るにはリニアックが長すぎると考えた米国の Lawrence は、磁場中の円軌道を周回する陽子は「エネルギーによらず同じ周波数」で多重回加速できることを思いつく。 • 円形加速器のはじまり • サイクロトロン周波数 ωc = eB⊥ /m. Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 17 / 22 初期のサイクロトロン引用文献 p.229 の図を参照のこと a Lawrence と最初のサイクロトロン (ca. 1932). a 1930 年代に理研仁科博士のチームが作ったサイクロトロン陽子を 9 MeV まで、重陽子を 14 MeV E. Segr`e, From X-rays to Quarks, p.227, Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I まで加速2015 (1939). 年 4 月 16 日 18 / 22 サイクロトロンでの粒子の円周運動 RF Generator dee dee 磁場 B のなかでの電荷 e、質量 m の粒子の円軌道（ β = v/c ≪ 1 を仮定). • 軌道半径: r = rn rn+1(> rn) mvc |e|B . • 周回周波数: fc = |e|B 2πm . • f は B で決まる。上の仮定の範囲 Magnetic Field では r と v に無関係 Electric Field • サイクロトロン周波数: ωc = 2πfc . beam dee Koji Takata (KEK) dee 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 19 / 22 磁場中の電子の円運動の例 ∗4 4 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Cyclotron motion.jpg Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 20 / 22 高周波加速にどんな問題があったか 1 リニアック： • 高周波電力が不十分: 電子管技術が未成熟であった 2 サイクロトロン： • 陽子質量の相対論的増加: → ωc , の低下 →粒子が高周波と非同期になる 3 ベータトロン： • 真空ドーナッツへ電子を入射し正確に円軌道にのせることが極めて困難であった • 正規軌道からの粒子のずれを力学的に解析する必要があった • 今日のベータトロン振動論の始まり Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 21 / 22 第２次世界大戦の末期から戦後にかけての急進展 1 高周波加速法における位相安定性原理の発見 • Vladimir Veksler (ソ連、1944) および Edwin M. McMillan (米国、1945) • サイクロトロンは → シンクロサイクロトロン、そして → シンクロトロンへ 2 強集束法の発明: ビーム軌道を補正する強力な方法 • Christofilos (1950) と Courant-Livingston-Snyder (1952). 3 レーダ技術開発にともない大電力電子管が使えるようになった • マグネトロンやクライストロン Koji Takata (KEK) 加速器基本概念 I 2015 年 4 月 16 日 22 / 22