粒子ビームを一括で測定できるようになった

・粒子ビームの6つのパラメータすべてを測定することができる新しい方法が開発されました。

・科学者が効率的で高出力の粒子加速器を作りやすくなります。

粒子加速器は、電磁場を用いて荷電粒子や中性粒子を光速近くまで加速する装置です。高エネルギー物理学研究、がん治療などの分野で利用されています。粒子線は何十年にもわたって研究され、改良されてきました。現在開発されている数多くのアプリケーションは、現在の装置の100倍もの強度が必要とされています。

しかし、ハドロン線形加速器における粒子ビームの分布を正確に予測することは非常に困難です。一度に全ての特性を把握することができず、既存および将来の加速器の設計や最適化には限界があるのです。

このたび、テネシー大学とオークリッジ国立研究所の研究チームが、粒子ビームの包括的な測定に初めて成功しました。これにより、粒子ビームを生成するために必要な技術や装置を最適化し、その効率を高め、さらに強力なビームの生成を可能にすることが期待されます。

粒子ビームを表す6つのパラメータ

１・ビーム断面における粒子の水平位置。

２・ビーム断面における粒子の垂直方向の位置。

３・水平方向への粒子の運動量。

４・垂直方向への粒子の運動量。

５・粒子のエネルギー。

６・検出器への到達時間によって測定される粒子の位置。

高周波四重極は水素イオンの加速成分であり、ビーム構造の一部です | 研究者からの提供

したがって、ビームの条件を満たすには、合計6つの座標（6次元分布）が必要です。 これまでの研究では、これらのパラメータのうち4つを一度に測定することができました。研究者は、すべてのパラメータが互いに独立であるという仮説に基づいて測定していました。

本研究では、オークリッジにある加速器型中性子発生装置「スパレーション・ニュートロン・ソース」のマイナス水素イオンビームを調査しました。

この新しい技術は、ビームラインに沿って設置された6つの調整可能なスリットを利用します。どのスリットも、パラメータ値が狭い範囲にある粒子のみを入れることができます。エネルギー測定用スリットでは、磁場を用いてビームを偏向させます。エネルギー測定スリットでは、磁場でビームを方向転換させ、特定のエネルギー範囲にある粒子のみを通過させることができます。

6Dエミッタンス・コンプリートスキャンの原理 | 研究者からの提供

この手法により、6つのパラメータごとに異なるスリットを徐々に移動していくことができます。スリットの終点で、粒子検出器はゆっくりと6次元分布の画像を生成します。32時間以内に、6次元の座標空間全体で550万以上のデータ点を収集しました。

この6つのパラメータは本当に独立しているのか？

粒子のエネルギー分布は、ビーム断面内の粒子の位置で変わる可能性があります。この6次元空間における関係を発見することは、これまで非常に困難でした。今回、研究者は低次元データを解析することで、今あるエネルギーと位置の関係を発見しました。

また研究者の間で、スキャンする対象が少ないと、より短時間で済むという考えもありました。5次元のスキャンを4時間で行っていました。

さらに、もう一つ、線型加速器内にある電子群の縦方向の特性を調べる有望な技術（現在開発中）があります。

どのように使うのか?

6次元の完全な測定が可能になったので、現実的なビームパラメータを正確にシミュレートすることができるようになりました。これにより、既存の装置の精度が向上し、効率的で高出力の加速器を開発することができます。