Transcript 講義ファイル(PowerPoint,音声付)のダウンロード

高エネルギー加速器科学研究科共通専門科目
「高エネルギー加速器科学セミナーＩ」
高エネルギー加速器科学導入
12 April 2006
鎌田進
加速器・自然科学・人間生活
原子核・素粒子研究
CP非保存
ニュートリノ振動
ヒッグス粒子
量子ビームについて
原子力エネルギー関連
ミュオン核融合
核融合炉材研究
幅広い分野の自然科学研究
放射光利用
陽電子・ミュオン・中性子利用
医療・産業・加速器開発
X線診断
粒子線ガン治療
非破壊検査
レーザー加速
原子核・素粒子研究
平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第２−２表より
原子力エネルギー関連
平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第２−２表より
巾広い分野の自然科学研究
平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第２−２表より
医療・産業・加速器開発
平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第２−２表より
平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第２−３表より
加速器に関係したノ
ーベル賞
平成１６年４月原子力委員会
「加速器の現状と将来」第１−１表より
加速器前史
RöntgenによるX線の発見
Rutherfordの散乱実験
Wilhelm Conrad Röntgen
ヴィルヘルム・コンラート・レントゲン（Wilhelm Conrad Röntgen、
1845年3月27日 - 1923年2月10日）は、ドイツの物理学者。1895年にX線
の発見を報告し、この功績により、1901年、第1回ノーベル物理学賞を受
賞した。
1895年11月5日、ヴュルツブルク大学においてクルックス管を用いて陰極
線の研究をしていたレントゲンは、シアン化白金バリウムを発光させる
放射線の発生に偶然気付く。 この放射線は陰極線のように磁気を受けて
も曲がらないことから、レントゲンは新しい放射線の存在を確信し、こ
れをX線と名付けた。7週間の昼夜を分かたぬ実験の末、同年12月28日に
は早くも論文を発表する。後年この発見の時何を考えたか質問されたレ
ントゲンは、「考えはしなかった。ただ実験をした。」と答えたという。
X線の正体は1912年まで謎のままであったが、透過性の高いX線の発見は
ただちに医学に応用されたため（X線写真）、この功績に対し1901年最
初のノーベル賞が贈られる。その後、科学の発展は万人に寄与すべきで
あると考えたレントゲンは、X線に関し特許等によって個人的に経済的利
益を得ようとは一切せず、1923年ドイツの破滅的インフレの中、無一文
でこの世を去る。彼はX線のことを｢レントゲン｣と呼ばれることを不快に
思っていたらしい。
2004年には、原子番号111の元素に彼の名前にちなんだRöntgeniumとい
う名称がつけられた。
Crookes tube
Röntgens Frau
Anna Bertha
Röntgen夫人の掌のＸ線像
Wilhelm Conrad Röntgen
ヴィルヘルム・コンラート・レントゲン（Wilhelm Conrad Röntgen、
1845年3月27日 - 1923年2月10日）は、ドイツの物理学者。1895年にX線
の発見を報告し、この功績により、1901年、第1回ノーベル物理学賞を受
賞した。
1895年11月5日、ヴュルツブルク大学においてクルックス管を用いて陰極
線の研究をしていたレントゲンは、シアン化白金バリウムを発光させる
放射線の発生に偶然気付く。 この放射線は陰極線のように磁気を受けて
も曲がらないことから、レントゲンは新しい放射線の存在を確信し、こ
れをX線と名付けた。7週間の昼夜を分かたぬ実験の末、同年12月28日に
は早くも論文を発表する。後年この発見の時何を考えたか質問されたレ
ントゲンは、「考えはしなかった。ただ実験をした。」と答えたという。
X線の正体は1912年まで謎のままであったが、透過性の高いX線の発見は
ただちに医学に応用されたため（X線写真）、この功績に対し1901年最
初のノーベル賞が贈られる。その後、科学の発展は万人に寄与すべきで
あると考えたレントゲンは、X線に関し特許等によって個人的に経済的利
益を得ようとは一切せず、1923年ドイツの破滅的インフレの中、無一文
でこの世を去る。彼はX線のことを｢レントゲン｣と呼ばれることを不快に
思っていたらしい。
2004年には、原子番号111の元素に彼の名前にちなんだRöntgeniumとい
う名称がつけられた。
Ernest Rutherford
1871年‐ニュージーランドで生まれる。1889年‐クライストチャーチのカンタベリー・カ
レッジへ進学。 鉄の磁化に関する論文で理学の学士号を取る。1895年‐奨学金を得てキ
ャヴェンディッシュ研究所の研究員となる。トムソンの指導のもと気体の電気伝導の研
究を始める。
1898年‐ウランから二種類の放射線（α線とβ線）が出ていることを発見。1900年‐γ線が
電磁波であることを示す。ソディと共同でラジウム、トリウム、アクチニウムの研究を
始め、放射性元素が互いに移り変わると考えるようになる。「半減期」の概念を作る。
これは後に岩石の年代測定に用いられるようになる。1902年‐元素が放射線を放出する
と別の元素に変わるという放射性元素変換説を提唱。
1907年-ガイガーと共同でα粒子の計数に成功。これは後にガイガー‐ミュラー計数管と
して実用化される。
1908年-α線をガラス管に集め、放電スペクトルを調べることでα線がヘリウム原子核で
あることを発見。この年、「元素の崩壊および放射性物質の性質に関する研究」により
ノーベル化学賞を受賞。
1911年‐ガイガー、マースデンとともにα線の散乱実験を行い、原子核を発見。この実験
結果に基づいてラザフォードの原子模型を発表。
1919年‐α線を窒素原子に衝突させ、原子核の人工変換に成功。
1920年‐中性子の存在を予言。中性子は教え子のチャドウィックが1932年に発見し、そ
れによりノーベル物理学賞を受賞している。また重水素の存在も予言。
1937年‐ロンドンで死去。66歳。
1997年‐原子番号104の元素がラザホージウム（Rutherfordium）と名づけられる。
Radium A = Po218
加速器の登場
X線管
300KeV electron 1920~1930
1920年代後半 共鳴加速 by Rolf Wideroe
静電加速器
Robert Van de Graaff 1940年 4MeV到達 戦後もTandem, Peletronなど
Cockcroft and Walton 1932年 原子核の人工変換
Cyclotron
1930年代 Ernest Lawrence inspired by Wideroe’s work
M.Stanley Livingston 経験的に垂直磁場半径と共に減少が必要
Robert Wilson 軌道方程式の入った初の論文（１９３８）
H.A.Bethe and M.E.Rose Cyclotron加速エネルギーの相対論的限界 20MeV
Betatron
2MeV電子加速 by Donald Kerst at the University of Illinois (as in the cyclotron case, Wideroe had a notebook sketch,
but did nothing with it) Robert Serverと共に入射収束に関する論文
Kerst expressed his focusing in terms of the relative (negative) magnetic-field gradient n = -r(dB/dr) /B and derived
the condition 0 < n < 1, where 0 < n described the decrease of field with radius needed for vertical focusing and n < 1
described the necessity for the field to decrease at a less rapid rate than the centrifugal-force term, in order to have
horizontal focusing. Kerst actually did much more in his 1941 paper, discussing injection, adiabatic damping and
space-charge effects in detail.
20MeV X線用 鋳造物検査、医療。 後年、リニアックに取って代わられる。戦後 80MeV建設、1950年には究極
の300MeV。 この技術的背景には当時、電磁誘導は高周波より簡単な技術であったことがある。
Wideroe the first cyclic linear accelerator using a geometry that had been proposed by Ising
静電加速器
Robert Van de Graaff
1932年、Cockcroft & Walton, 600kV加速陽子によるLi標的衝撃でα粒子発
生（初の人工核変換）。トンネル効果に助けられた by Gamov。
1919, 電圧増倍回路by Heinrich Greinacher
John Cockcroft, Ernest Rutherford, and E.T.S. Walton.
Cyclotron
A pair of "Dee" electrodes with loops of
coolant pipes on their surface at the
Lawrence Hall of Science.
Diagram of cyclotron operation
from Lawrence's 1934 patent.
相対論効果による周回等時性の破れが
Cyclotron加速の限界
Synchrocyclotron
A synchrocyclotron is a cyclotron in which the frequency of the
driving RF electric field is varied to compensate for the mass gain
of the accelerated particles as their velocity begins to approach
the speed of light. This is in contrast to the classical cyclotron,
where the frequency was held constant.
Isochronous cyclotron
Isochronous cyclotrons maintain a constant RF driving frequency
and compensate for the relativistic mass gain of the accelerated
particles by increasing the magnetic field with radius. Isochronous
cyclotrons are capable of producing much greater beam current
than synchrocyclotrons.
Betatron
Professor Donald Kerst built the world's first magnetic induction accelerator at the University of
Illinois in 1940. After the new machine was referred to variously as a "rheotron," an "inductron," a
"Super-X-Ray Machine," and a "cosmic ray machine" in early press releases, a departmental
contest was held to name it. Kerst settled on "betatron." The original betatron is now on display at
the Smithsonian Institution.
偏向磁石のビーム収束
B
B⦿
median plane
偏向磁場には
水平収束効果が有る
垂直方向の収束は
樽型磁場から
第２次世界大戦後の加速器の発展
位相安定原理からSynchrotron加速器
Edwin McMillan (USA)
synchrocyclotron and synchrotron
Vladimir Veksler (Soviet Union)
synchrocyclotron, "phasetron" and synchrotron, "synchrophasetron,"
Synchrotron放射光源
A 70-MeV synchrotron at General Electric was used by John Blewett to show the existence of synchrotron radiation.
(弱収束)Synchrotron加速器の隆盛
Cosmotron Bevatron ZGS SynchroPhasetron
強収束原理のSynchrotron登場
AGS CPS Fermi-MainRing KEK-PS SPS
衝突型貯蔵リング
ADA ADONE DORIS SPEAR CESR
ISR SPPS (SSC) LHC
PEP PETRA TRISTAN LEP PEPII.... KEKB
線形加速器
SLAC
衝突型線形加速器
SLC, (ILC)
高ルミノシティ加速器
素粒子反応の数を稼ぐ
超伝導技術の展開
Synchrotron放射光源の展開
PF SPring-8 TESLA -FEL LCLS....
エドウィン・マクミラン(Edwin Mattison McMillan , 1907年9月18日 - 1991年9月7
日)アメリカカリフォルニア州レドンド・ビーチ出身の化学者、物理学者。カリフ
ォルニア工科大学で1928年に学士号を取得、1929年に修士号を得た。さらに1932
年、プリンストン大学で博士号を取得した。1934年、カリフォルニア大学バーク
レー校のバークレー放射研究所の職員となった。1940年にサイクロトロンを用い
てウラン239からネプツニウムを得た。第二次世界大戦においては、レーダーやソ
ナー、核兵器の研究に携わる。1945年、サイクロトロンを改良したシンクロトロ
ンの着想を得た。1946年、同校の教授。1947年、アメリカ科学アカデミーの会員
となる。1951年、超ウラン元素の発見のかどでノーベル化学賞をグレン・シーボ
ーグとともに得た。1954年、ローレンス放射研究所の副所長となり、1958年に所
長となった。その後、その職を1973年まで続けることとなる。1968年から1971年
までアメリカ科学アカデミーの議長となった。エル・セリートで没。
米国アルゴンヌ国立研究所に設置
されたZero Gradient Synchrotron
の水素泡箱で観測された史上初の
ニュートリノ（1970年11月13日）。
ニュートリノは電荷を持たず泡箱
に軌跡を残さない。写真右手中央
の黒い影の右側で三つの軌跡が突
然始っている。この位置でニュー
トリノが陽子に衝突した。同時に
生成したミュー粒子は非常に見分
けにくいがほぼ直線状に軌跡を残
している。短い軌跡は陽子。
強収束原理の発見
Alternating Gradient Focusing
CosmotronとAGSの磁石断面
Cosmotron 3.3GeV to
AGS 33GeV
加速器における重要な物理概念
保存力としての静電場
Cyclotron等時性と相対論的限界
ビーム収束
端部効果とAG focusing
ビームのエミッタンス
Liouvilleの定理
多重入射
アディアバティック減衰
平衡エミッタンス
ビーム冷却
シンクロトロン放射
放射減衰と量子励起
コヒーレント放射
集団的ビーム不安定現象
空間電荷効果
真空壁ビーム相互作用
ビームビーム相互作用
いま重要な加速器の例
陽子シンクロトロン
J-PARC
リング型放射光源
PF、SPring-8
貯蔵衝突型加速器
KEKB、LHC
線形衝突型加速器
ILC
線形加速器放射光源
ERL、X線-FEL
素粒子反応の新天地
を拓く能力の目安
Livingston
chart
衝突型加速器は固定標的加速器
のエネルギーに換算
コライダー加速器のフロンティア
生出勝宣物理学会ビーム物理領域創成記念シンポ講演より
放射光源性能の
指標は
輝度(Brightness)
APS Webページより
輝度は
加速器だけでは
決まらない
挿入光源の役割
SPring-8 Webページより
加速器計画に纏わる社会学的側面
学問分野推進の動機
Manhattan計画の論功行賞
米国における高エネルギー物理学の隆盛
原爆研究との関連
米国占領軍による理研、阪大のサイクロトロン破壊
欧州復活からEUへ
CERN創設
冷戦構造
米ソ加速器建設競争
冷戦終結とSSC中止
中東和平とSesame計画
学問研究分野の相互協力
TRISTAN計画とフォトンファクトリー
Linear ColliderとＸ線FEL
参考文献
Particle Accelerators: Brief History, M.S.Livingston,
Harvard 1968
O CAMELOT ! A Memoir of the MURA Years, F.T.Cole
1994
Particle Accelerators, M.S.Livingston & J.P.Blewett,
McGraw-Hill 1962
Theory of Cyclic Accelerators, A.A.Kolomensky &
A.N.Lebedev, North-Holland 1962