概要
シンクロトロンは円形粒子加速器の一種で、荷電粒子が閉じた軌道の周囲を何度も周回しながらエネルギーを増していく装置である。単純なシクロトロンとは異なり、シンクロトロンでは誘導する磁場と加速する電場を同時に調整し、粒子の運動量が増してもビームが同じ軌道をたどるようにする。粒子を非常に高いエネルギーまで加速しつつ、安定した拘束されたビームを維持できることから、シンクロトロンは物理学や関連分野の基盤的な道具となっている。
仕組み
粒子はリングに注入され、RF空洞を何度も通過して短い加速電場のバーストを受ける。リングの周囲には磁石が配置され、ビームを曲げたり集束させたりする。双極磁石は主な曲げ力を与え、四極磁石はビームを横方向に集束させ、高次の磁石は微妙なずれを補正する。粒子がエネルギーを得るにつれて、それに合わせて磁場の強さも増やし、軌道半径がほぼ一定に保たれる。この条件は同期、すなわちシンクロニズムと呼ばれる。
主要な構成要素
- RF空洞: 粒子バンチのタイミングに合わせて加速電場を供給する。
- 曲げ磁石（双極磁石）: ビームを円形軌道へ導き、その曲率を決める。
- 集束磁石（四極磁石と六極磁石）: ビームを細く保ち、光学的誤差を補正する。
- 注入・取出し系: 粒子をリングに加える、または実験や他の装置への搬送のために取り出す。
歴史と発展
加速電場と誘導磁場を同期させる原理は、しばしば位相安定性とも呼ばれ、20世紀半ばに発展して最初の実用的なシンクロトロンへとつながった。この概念と初期の装置建設には複数の物理学者が関わり、第二次世界大戦後の数年間には理論提案や試作的な電子・陽子リングが建設された。これらの初期の発展により、シンクロトロンは、直線型や固定磁場のシクロトロン設計では容易に到達できないエネルギーへ至る道筋として確立された。
用途と重要性
シンクロトロンの役割は大きく二つに分けられる。粒子物理学では、大型シンクロトロンが陽子、電子、イオンを加速し、素粒子や力の本質を探る衝突実験に用いられる。材料科学や生命科学では、いわゆるシンクロトロン放射光源が、電子が磁石によって曲げられるときに放出される強いX線を利用する。これらのX線は、高分解能イメージング、分光、化学・生物構造の研究を可能にする。シンクロトロン施設は、化学、地質学、医学、産業開発の研究を支えている。
特記事項と区別
シンクロトロンは、磁場と電場の同期方法、および非常に高いエネルギーへの適応性によって、蓄積リングやシクロトロンとは区別される。関連する現象であるシンクロトロン放射は、課題であると同時に利点でもある。高エネルギー加速器ではエネルギー損失の原因となる一方、実験にはきわめて明るく波長可変の光子ビームを提供する。加速器の種類や技術についての背景は、加速器の概要、磁気システムに関する 磁石設計、およびRF加速に関する RF空洞とタイミング を参照するとよい。