ビームラインとは：粒子加速器・放射光・中性子実験の通路と役割

素粒子物理学では、ビームラインは粒子加速器における粒子の通り道である。

物質科学、物理学、化学、分子生物学では、粒子加速器からの粒子線、シンクロトロンからの放射光、核破砕源や研究炉からの中性子を利用する実験ステーションにつながるビームラインです。

ビームラインとは何か（拡張定義）

ビームラインは単に「通路」以上の意味を持ちます。加速器や光源から出る粒子や光を目的の実験装置・試料まで届け、必要なエネルギー・位置・時間構造・ビーム品質に整える一連の機器群のことを指します。これには真空配管、磁石、スリットやコリメータ、光学素子、モニタや安全装置、実験用ハッチ（実験ステーション）などが含まれます。

主な構成要素

ビームパイプ／真空系：ビームの散乱を避けるために高真空が必要。真空ポンプやフランジ、ウィンドウがある。
磁気光学素子：ディップール（曲げ磁石）で進路を曲げ、クアドラプール（四極磁石）で集束、セクスタポールやオクタポールで補正を行う。
ビームコリメータ・スリット：ビームサイズや外側の散逸粒子を制御する。
光学系（放射光ビームライン）：ミラー、モノクロメーター、スリット、フォーカシング光学素子で波長選択や集光を行う。
検出器・実験ステーション（エンドステーション）：試料や検出器を配置する場所。粉末回折、分光、イメージング、生物結晶学など用途に応じた装置群。
診断・制御装置：ビーム位置モニタ（BPM）、ビーム電流モニタ、画像モニタ、遠隔制御・データ収集系。
放射線遮蔽・安全装置：シャッター、インターロック、ビームダンプ、遮蔽壁。
冷却・クライオ系：超伝導磁石や高出力標的の冷却。

代表的なビームラインの種類と用途

加速器ビームライン（素粒子実験）：高エネルギー粒子の衝突や散乱実験に用いる。ビームの時間幅やパルス構造、エネルギー選択が重要。
放射光ビームライン（シンクロトロン／フリー電子レーザー）：X線や紫外線を使い、結晶構造解析、XAFS、X線イメージング、時間分解測定などを行う。
中性子ビームライン：構造解析、磁気構造の研究、残留応力測定、材料科学や生物試料の解析に利用。偏極中性子や時間領域計測が可能な設備もある。
医療・産業用ビームライン：がん治療用の陽子線や重粒子線の照射系、半導体検査や材料加工用のビームライン。

設計と運転で重要なポイント

ビーム品質（エミッタンス）と集束：小さなスポットサイズや低発散が要求される実験では、光学設計と精密な磁場制御が必要。
安定性と位置決め：長時間にわたる測定ではビームの位置・強度の安定化が不可欠。環境振動や温度変化対策が行われる。
パルスモードと連続モード：スパレーション（パルス）型源とシンクロトロン（連続に近い）では実験手法が異なる。時間分解測定の設計に影響する。
真空と材料選定：ビーム発生器周辺では二次放射や熱負荷、損傷を考慮した材料選定と冷却設計が必要。
診断と校正：BPM、ビームプロファイルモニタ、標準試料によるキャリブレーションで性能を保証する。

安全と放射線管理

ビームラインは高エネルギー放射線を扱うため、厳格な安全管理が必須です。インターロックシステムで人の侵入を防ぎ、ビーム停止やシャッター閉鎖を自動化します。ビームダンプは未使用ビームを確実に吸収し、遮蔽計算に基づいた建屋設計や監視線量計による継続的モニタリングが行われます。また放射性廃棄物と活性化材の管理も重要です。

代表的な施設と実験例

CERNやKEKなどの加速器施設での素粒子実験。
SPring-8やEuropean Synchrotron Radiation Facility（ESRF）などの放射光施設での結晶構造解析、材料・生体試料の高分解能イメージング。
J-PARCや他のスパレーション中性子源での中性子回折・散乱実験。
医療用陽子線治療の照射ビームラインによる臨床応用。

運用と将来の動向

高輝度化・高安定化、ビームの極性制御や短パルス化、高速検出器との組合せによる時間分解イメージングなどが進んでいます。さらに人工知能を用いたビーム制御や自動調整技術、次世代光源（高強度フリー電子レーザーなど）に対応したビームライン設計が注目されています。

ビームラインは、加速器や光源から得られる「情報」を実験者の手元に正確に届けるための中枢インフラです。設計・建設・運転には物理・工学・安全管理が融合した専門知識が必要であり、多様な分野の研究を支える重要な役割を担っています。

ここでは、シンクロトロンが円形のトラックで、そこからビームラインが分岐している。

ブルックヘブン国立研究所のビームライン。

粒子加速器におけるビームライン

粒子加速器では、ビームラインは通常トンネル内や地下に設置され、セメント製の筐体の中に収納される。ビームラインは通常、円筒形の金属製である。典型的な名称は、ビームパイプ、またはドリフトチューブと呼ばれる空洞部分である。ビームが長い距離を移動するためには、この部分全体が良好な真空状態に保たれていなければならない。

測量とアライメントの担当者は、レーザートラッカーを使用してビームラインセグメントを慎重に調整する。すべてのビームラインはマイクロメートルの公差内になければなりません。アライメントを適切に行うことで、ビームの損失や、ビームがパイプの壁に衝突して二次放射や放射線が発生するのを防ぐことができます。

このビームラインでは、ビームパイプを見ることはできない。しかし、この大きなビームパイプの部分は、レーザーパイプと呼ばれるレーザーでアライメントするためのグリッドシステムで使用されています。このビームラインの長さは約3キロメートルです。

シンクロトロン放射光ビームライン

シンクロトロンについては、ビームラインは放射光のビームを実験端ステーションまで運ぶ装置で、放射光源の蓄積リングの偏向電磁石と挿入光源で発生する放射光を利用する。この種のビームラインの典型的な用途は結晶学である。このほかにも、放射光はさまざまな用途に利用されている。

大規模な放射光研究所には多くのビームラインがあり、それぞれが特定の研究分野に対して最適化されている。その違いは、挿入光源の種類（これによって放射線の強度とスペクトル分布が決まる）、ビーム調整装置、実験ステーションに依存する。現代のシンクロトロンにおける典型的なビームラインは、蓄積リングからエンドステーションまでの長さが25～100m（82フィート～328フィート）あり、数百万ドルの費用がかかることもある。このため、シンクロトロン施設は段階的に建設されることが多く、最初の数本のビームラインは運転開始時に、他のビームラインは資金の許す限り後で追加される。

ビームライン素子は、ハッチと呼ばれる小さな部屋（キャビン）サイズの放射線遮蔽筐体の中にあります。典型的なビームラインは、ビーム調整素子を収納する光学ハッチと、実験を行う実験ハッチの2つのハッチで構成されている。ハッチ間は、ビームが輸送管で移動します。ビームシャッタが開いているときは人がハッチに入ることはできず、放射線がハッチ内に入る可能性がある。ハッチには冗長的なインターロック機能を持つ複雑な安全システムがあり、放射線がオンになったときにハッチ内に人がいないことを確認することができます。また、ビームがオンになっている時に誤ってハッチの扉が開いてしまった場合、安全装置が放射線ビームをシャットダウンさせます。この場合、シンクロトロン内を循環している電子ビームを捨ててビームをオフにする。つまり、ドアを1枚開けると、施設内のすべてのビームラインが停止するのです。

ビームラインでは、蓄積リングとエンドステーションの間で放射光ビームのコンディショニングを行うため、実験者は以下のような素子を使用します。

窓 - ベリリウムなどの金属の薄い板で、ビームのほとんどを透過するが、蓄積リング内の真空を汚染から保護する。
スリット：ビームの物理的な幅と角度の広がりを制御します。
集光ミラー - 平面、曲面、またはトロイダル状の1つまたは複数のミラーで、ビームのコリメート（集光）を補助する。
モノクロメーター - 特定の波長帯を選択し、他の波長を吸収する結晶による回折を利用したデバイスで、様々な波長に調整できる場合もあれば、特定の波長に固定される場合もあります。
スペーシング・チューブ - 光学素子間に適切なスペースを確保し、散乱光を遮蔽する真空維持管
試料ステージ：研究対象の試料を取り付け、操作し、温度や圧力などの様々な外部条件にさらすためのものです。
放射線検出器 - 試料と相互作用した放射線を測定するためのものです。

ビームコンディショニング装置の組み合わせにより、エンドステーションでの熱負荷（ビームによる加熱）、エンドステーションに入射する放射線のスペクトル、ビームの焦点やコリメーションを制御します。ビームから大きな電力を吸収するビームライン上の装置は、水や液体窒素で積極的に冷却する必要があるかもしれない。ビームラインの全長は、通常、超高真空条件下に保たれる。

オーストラリアン・シンクロトロンにおける軟X線ビームラインとエンドステーションの露出した働き

オーストラリア・シンクロトロンにある光診断ビームライン（ODB）ハッチ内部。

中性子ビームライン

中性子施設内の実験ステーションを中性子ビームラインという。表面的には、放射光ビームラインとの違いは、光子の代わりに研究炉や核破砕源からの中性子を使用することで、その大部分は放射光ビームラインである。実験では、通常、研究対象の試料からの中性子散乱を測定する。

質問と回答

Q:ビームラインとは何ですか?

A:ビームラインとは、粒子加速器における粒子の通り道のことです。物質科学、物理学、化学、分子生物学では、粒子加速器からの粒子線、シンクロトロンからの放射光、核破砕源や研究炉からの中性子などを利用した実験ステーションにつながります。

Q: ビームラインではどのような粒子を使うのですか?

A:粒子線加速器、シンクロトロン、核破砕源や研究炉からの粒子が使用されます。

Q: ビームラインはどのようにして実験ステーションにつながるのですか?

A: ビームラインは、粒子加速器、シンクロトロン、核破砕装置、研究用原子炉からの実験用粒子を提供することにより、実験ステーションに繋がります。

Q:ビームラインではどのような実験が行われるのですか?

A: 物質科学、物理学、化学、分子生物学に関する実験が行われています。

Q:実験に必要なエネルギーはどこから来ているのですか?

A: 実験に必要なエネルギーは、主に粒子そのものから得られます。粒子そのものは、粒子加速器、シンクロトロン、核破砕装置、研究用原子炉から供給されます。

Q: ビームラインを使った実験に安全上の問題はないのですか?

A:あります。高エネルギー粒子であるため、安全性に配慮した実験が必要です。