ビームライン

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。

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。