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加速器(かそくき)とは荷電粒子を加速する装置の総称

加速器(かそくき)とは荷電粒子を加速する装置の総称である。原子核/素粒子の実験に用いられるほか癌治療などにも応用される。

原子核/素粒子の加速器実験には加速された粒子を固定標的に当てるフィックスドターゲット実験と、向かい合わせに加速した粒子を正面衝突させるコライダー実験がある。

高エネルギーの電子は軌道を曲げると光を発する(これをシンクロトロン輻射という)ので、大強度の高エネルギー光線を得る目的で電子シンクロトロンを用いる場合がある。このような施設を放射光施設と呼んでいる。

電極間に直流高電圧を付加し、その電位差により荷電粒子を加速する装置。連続ビームを得られるのは静電加速器のみである。加速エネルギーの上限は付加することのできる電圧の大きさに依存する。最大加速電圧はバンデグラフ型の場合で数十MeVであり多くの場合原子核/素粒子実験で必要とされるエネルギーを達成できない。そのため後述する線形加速器や円形加速器の入射加速器として使用されることが多い。直流高電圧を作り出す方法により以下の2つのタイプに分類される。

コッククロフト・ウォルトン型 [編集]
ダイオードとコンデンサーを用いた倍電圧整流回路を用いて高電圧を得る方式、アーネスト・ウォルトンとジョン・コッククロフトが確立した。加速エネルギーは数百keV - 数MeV程度。

バンデグラフ型 [編集]
絶縁物のベルトに電荷を乗せて電極に運び高電圧を得る方式。1930年にロベルト・ヴァンデグラフにより実用化された。加速エネルギーは10MeVほど。

バンデグラフの派生版としては、電荷移送ベルトの代わりに金属円筒を絶縁性プラスチックでつないだペレットチェーンを用いたペレトロンが存在する。加速エネルギーは20MeVほど。

また加速粒子として負イオンを用いて正電極に向けて加速し、正電極内で炭素膜などで電子を剥ぎ取って正イオンにし接地電極に向けて再度加速することで、高電圧を2重に利用する効率の良い加速が可能となる。これをタンデム加速器という。

電極間にかけられる電圧にはさまざまな実用上の問題から上限が存在する。その上限を超えて粒子を加速する工夫をしたもののうち、粒子を一直線上で加速するものを線形加速器と呼ぶ。ライナック(linac - Linear Accelerator)とも呼ぶ。

基本的な構造は多数の胴体筒を並べたものである。隣り合った胴体筒同士が異符号に帯電するように高周波電圧を印加する。それぞれの筒の間(以下ギャップと称す)では電場が存在するので粒子に力が働く。一方筒の内部は一様電位なので電場が存在せず粒子は力を受けない。筒の長さと印加する高周波の周波数をうまく調整してやると、筒の中を通る粒子がギャップを通過するたびに加速するように調整することが可能である。
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この方式でエネルギーの大きなものを作ろうとすると加速器の長さを長くしなければならない。当然加速器が大きくなれば技術的にも敷地の点でも困難は増す。したがって従来の線形加速器の加速エネルギーは数百MeV程度までであって、それ以上のエネルギーを必要とするときはサイクロトロンやシンクロトロンが用いられてきた。この場合シンクロトロンの入射器として線形加速器が用いられることが多い。

しかしながら21世紀に入って高エネルギー実験の最前線に挑戦する新しい線形加速器の建造が期待されるようになった。これは電子を加速する際にシンクロトロンを用いるとシンクロトロン輻射の影響でせいぜい十数GeVのエネルギーを達成するのがやっとであるという壁に突き当たったからである。いっぽう線形加速器は文字どおりまっすぐで加速粒子を曲げる必要が無いためシンクロトロン輻射の影響を考える必要が無く、加速器自体の物理的な長ささえ確保できればより高エネルギーまで加速することが可能である。

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2009年06月13日 11:14に投稿されたエントリーのページです。

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