เครื่องเร่งอนุภาคแบบสนามคงที่สลับความชัน ( FFA ; หรือเรียกย่อว่าFFAG ) เป็น แนวคิด เครื่องเร่งอนุภาค แบบวงกลม ที่มีลักษณะเฉพาะคือสนามแม่เหล็กที่ไม่ขึ้นกับเวลา ( สนามคงที่เช่นเดียวกับในไซโคลตรอน ) และการใช้การโฟกัสแบบเกรเดียนต์สลับที่แรง (เช่นเดียวกับในซินโครตรอน ) ^{[ 1 ] [ 2 ]}

ในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมทั้งหมด จะใช้สนามแม่เหล็กในการเบี่ยงเบนลำแสงอนุภาค เนื่องจากแรงแม่เหล็กที่จำเป็นในการเบี่ยงเบนลำแสงจะเพิ่มขึ้นตามพลังงานของอนุภาค ดังนั้นเมื่ออนุภาคเร่งความเร็วขึ้น เส้นทางของอนุภาคก็จะขยายใหญ่ขึ้น หรือสนามแม่เหล็กจะต้องเพิ่มขึ้นตามเวลาเพื่อรักษาวงโคจรของอนุภาคให้มีขนาดคงที่ เครื่องเร่งอนุภาคแบบสนามแม่เหล็กคงที่ เช่น ไซโคลตรอนและ FFA ใช้แนวทางแรกและอนุญาตให้เส้นทางของอนุภาคเปลี่ยนแปลงไปตามความเร่ง

เพื่อให้อนุภาคอยู่ในลำแสงอย่างเป็นระเบียบ จำเป็นต้องมีการโฟกัสแบบใดแบบหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในรูปร่างของสนามแม่เหล็ก ในขณะที่รักษาทิศทางโดยรวมของสนามไว้เหมือนเดิม เรียกว่า การโฟกัสแบบอ่อน การโฟกัสแบบแรง หรือการโฟกัสแบบไล่ระดับสลับทิศทาง เกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กที่ชี้ไปในทิศทางตรงกันข้ามสลับกัน การใช้การโฟกัสแบบไล่ระดับสลับทิศทางช่วยให้ได้ลำแสงที่โฟกัสได้แน่นขึ้น และใช้โพรงเร่งอนุภาคที่มีขนาดเล็กลง

FFA ใช้สนามแม่เหล็กคงที่ซึ่งรวมถึงการเปลี่ยนแปลงทิศทางของสนามรอบเส้นรอบวงของวงแหวน ซึ่งหมายความว่าลำแสงจะเปลี่ยนรัศมีตลอดช่วงการเร่งความเร็ว เช่นเดียวกับในไซโคลตรอน แต่จะยังคงโฟกัสได้แน่นกว่า เช่นเดียวกับในซินโครตรอน ดังนั้น FFA จึงรวมเอาแม่เหล็กคงที่ที่มีราคาค่อนข้างถูกเข้ากับการโฟกัสลำแสงที่เพิ่มขึ้นของเครื่องโฟกัสที่แข็งแกร่ง^{[ 3 ]}

แนวคิดเริ่มต้นของ FFA ได้รับการพัฒนาในช่วงทศวรรษ 1950 แต่ไม่ได้มีการสำรวจอย่างจริงจังนอกเหนือจากเครื่องทดสอบเพียงไม่กี่เครื่องจนกระทั่งช่วงกลางทศวรรษ 1980 เพื่อใช้ใน แหล่งกำเนิด นิวตรอนสปัลเลชันเป็นตัวขับสำหรับ เครื่อง เร่งอนุภาค มิวออน^{[ 1 ]}และเพื่อเร่งอนุภาคมิวออนใน โรงงานนิวตริโนตั้งแต่ช่วงกลางทศวรรษ 1990

การฟื้นตัวของการวิจัย FFA มีความแข็งแกร่งเป็นพิเศษในญี่ปุ่น โดยมีการสร้างวงแหวนหลายวง การฟื้นตัวนี้ได้รับแรงกระตุ้นส่วนหนึ่งจากความก้าวหน้าใน โพรง RFและการออกแบบแม่เหล็ก^{[ 4 ]}

แนวคิดเรื่องซิงโครตรอนแบบสลับสนามคงที่ได้รับการพัฒนาขึ้นโดยอิสระในญี่ปุ่นโดยTihiro OhkawaในสหรัฐอเมริกาโดยKeith SymonและในรัสเซียโดยAndrei Kolomenskyต้นแบบแรกสร้างโดยLawrence W. JonesและKent M. Terwilligerที่มหาวิทยาลัยมิชิแกนใช้ การเร่งความเร็ว แบบเบตาตรอนและใช้งานได้ในช่วงต้นปี 1956 ^{[ 5 ]} ในฤดูใบไม้ร่วงปีนั้น ต้นแบบถูกย้ายไปยัง ห้องปฏิบัติการ Midwestern Universities Research Association (MURA) ที่มหาวิทยาลัยวิสคอนซินซึ่งถูกดัดแปลงเป็นซิงโครตรอนอิเล็กตรอน 500 keV ^{[ 6 ]} สิทธิบัตรของ Symon ที่ยื่นในช่วงต้นปี 1956 ใช้คำว่า "FFAG accelerator" และ "FFAG synchrotron" ^{[ 7 ]} Ohkawa ทำงานร่วมกับ Symon และ ทีม MURAเป็นเวลาหลายปีเริ่มตั้งแต่ปี 1955 ^{[ 8 ]}

Donald Kerstซึ่งทำงานร่วมกับ Symon ได้ยื่นจดสิทธิบัตรสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคแบบเกลียว FFA ในช่วงเวลาเดียวกับที่ Symon จดสิทธิบัตรแบบรัศมี^{[ 9 ]} เครื่องเร่งอนุภาคแบบเกลียวขนาดเล็กมากถูกสร้างขึ้นในปี 1957 และเครื่องเร่งอนุภาคแบบรัศมีขนาด 50 MeV ถูกใช้งานในปี 1961 เครื่องสุดท้ายนี้มีพื้นฐานมาจากสิทธิบัตรของ Ohkawa ที่ยื่นจดในปี 1957 สำหรับเครื่องที่มีสมมาตรซึ่งสามารถเร่งอนุภาคที่เหมือนกันพร้อมกันได้ทั้งในลำแสงตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกา^{[ 10 ]}นี่เป็นหนึ่งในเครื่องเร่งอนุภาคแบบลำแสงชนกัน เครื่องแรกๆ แม้ว่าคุณลักษณะนี้จะไม่ได้ถูกนำมาใช้เมื่อนำไปใช้งานจริงในฐานะตัวฉีดสำหรับวงแหวนเก็บ ประจุแทนทาลัส ที่ต่อมาจะกลายเป็นศูนย์รังสีซินโครตรอน [ ^{11 ] ใน} ที่สุดเครื่องขนาด 50 MeV ก็ถูกปลดระวางในช่วงต้นทศวรรษ 1970 ^{[ 12 ]}

MURA ออกแบบโปรตอน FFA 10 GeV และ 12.5 GeV ซึ่งไม่ได้รับการสนับสนุนทางการเงิน^{[ 13 ]}มีการเผยแพร่ การออกแบบที่ย่อส่วนลงสองแบบ แบบหนึ่งสำหรับ 720 MeV ^{[ 14 ]}และอีกแบบหนึ่งสำหรับหัวฉีด 500 MeV ^{[ 15 ]}

เนื่องจากการปิดตัวของ MURA ซึ่งเริ่มต้นในปี 1963 และสิ้นสุดในปี 1967 ^{[ 16 ]}แนวคิด FFA จึงไม่ได้ถูกนำมาใช้ในการออกแบบเครื่องเร่งอนุภาคที่มีอยู่ และด้วยเหตุนี้จึงไม่ได้มีการพูดคุยกันอย่างจริงจังเป็นเวลานาน

ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ฟิล มีดส์ ได้เสนอแนะว่า FFA เหมาะสมและมีข้อดีในฐานะเครื่องเร่งอนุภาคโปรตอนสำหรับแหล่งกำเนิดนิวตรอนสปัลเลชันที่มีความเข้มข้นสูง [ ^{18 ]}ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของโครงการต่างๆ เช่น เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นคู่ขนานอาร์กอนที่^ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอน^{[ 19 ]}และซินโครตรอน คูล เลอร์ที่ศูนย์วิจัยจูลิช^{[ 20 ]}

การประชุมเพื่อสำรวจความเป็นไปได้นี้จัดขึ้นที่ศูนย์วิจัย Jülich ตั้งแต่ปี 1984 ^{[ 21 ]}นอกจากนี้ยังมีการประชุมเชิงปฏิบัติการ ประจำปีจำนวนมาก ที่มุ่งเน้นเรื่องเครื่องเร่งอนุภาค FFA ^{[ 22 ]}ที่CERN , KEK , BNL , TRIUMF , Fermilabและสถาบันวิจัยเครื่องปฏิกรณ์ที่มหาวิทยาลัยเกียวโต [ ^{23 ] ใน}ปี 1992 การประชุม European Particle Accelerator Conference ที่ CERN เกี่ยวข้องกับเครื่องเร่งอนุภาค FFA ^{[ 24 ] [ 25 ]}

FFA โปรตอนตัวแรกถูกสร้างขึ้นสำเร็จในปี พ.ศ. 2543 ^{[ 26 ]}ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของกิจกรรม FFA มากมายในฟิสิกส์พลังงานสูงและการ แพทย์

ด้วยแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดความยาวที่ต้องการของแม่เหล็ก FFA จะแปรผันโดยประมาณตามกำลังสองผกผันของสนามแม่เหล็ก^{[ 27 ]} ในปี 1994 ได้มีการคิดค้นรูปทรงขดลวดที่ให้สนามที่ต้องการโดยไม่ต้องใช้เหล็ก^{[ 28 ]} การออกแบบแม่เหล็กนี้ได้รับการพัฒนาต่อ โดยS. Martin และคณะจากJülich ^{[ 24 ] [ 29 ]}

ในปี 2010 หลังจากการประชุมเชิงปฏิบัติการเกี่ยวกับเครื่องเร่งอนุภาค FFA ในเกียวโตการก่อสร้างเครื่องอิเล็กตรอนที่มีการใช้งานหลากหลาย (EMMA) ก็เสร็จสมบูรณ์ที่ห้องปฏิบัติการ Daresburyในสหราชอาณาจักรนี่เป็นเครื่องเร่งอนุภาค FFA แบบไม่ปรับขนาดเครื่องแรก เครื่องเร่งอนุภาค FFA แบบไม่ปรับขนาดมักมีข้อดีมากกว่าเครื่องเร่งอนุภาค FFA แบบปรับขนาด เนื่องจากไม่ต้องใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่และหนัก และสามารถควบคุมลำแสงได้ดีกว่ามาก^{[ 30 ]}

สนามแม่เหล็กที่จำเป็นสำหรับ FFA นั้นค่อนข้างซับซ้อน การคำนวณสำหรับแม่เหล็กที่ใช้ใน Michigan FFA Mark Ib ซึ่งเป็นเครื่อง 500 keV แบบภาคส่วนรัศมีจากปี 1956 นั้นดำเนินการโดย Frank Cole ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์โดยใช้เครื่องคำนวณเชิงกลที่สร้างโดยFriden ^{[ 6 ]} นี่เป็นขีดจำกัดของสิ่งที่สามารถทำได้โดยปราศจากคอมพิวเตอร์ รูปทรงเรขาคณิตของแม่เหล็กที่ซับซ้อนกว่าของภาคส่วนเกลียวและ FFA แบบไม่ปรับขนาดนั้นต้องการการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่ ซับซ้อน

เครื่อง MURA เป็นเครื่องซิงโครตรอน FFA ที่ปรับขนาดได้ ซึ่งหมายความว่าวงโคจรของโมเมนตัมใดๆ ก็ตามเป็นการขยายภาพของวงโคจรของโมเมนตัมอื่นๆ ในเครื่องดังกล่าว ความถี่ของเบตาตรอนจะคงที่ ดังนั้นจึงไม่มีการข้ามเรโซแนนซ์ที่อาจนำไปสู่การสูญเสียลำแสง^{[ 31 ]}เครื่องจะปรับขนาดได้หากสนามแม่เหล็กระนาบกลางเป็นไปตามเงื่อนไข

${\displaystyle B_{r}=0,\quad B_{\theta }=0,\quad B_{z}=ar^{k}~f(\psi )}$,

ที่ไหน

• ${\displaystyle \psi =N~[\tan ~\zeta ~\ln(r/r_{0})~-~\theta ]}$,
• ${\displaystyle k}$คือดัชนีฟิลด์
• ${\displaystyle N}$คือความเป็นคาบ
• ${\displaystyle \zeta }$คือมุมเกลียว (ซึ่งเท่ากับศูนย์สำหรับเครื่องจักรแบบรัศมี)
• ${\displaystyle r}$รัศมีเฉลี่ย และ
• ${\displaystyle f(\psi )}$เป็นฟังก์ชันที่กำหนดขึ้นเองซึ่งช่วยให้วงโคจรมีเสถียรภาพ

เนื่องจากแม่เหล็ก FFA มีขนาดเล็กกว่าแม่เหล็กไซโคลตรอนที่มีพลังงานเท่ากันมาก ข้อเสียคือเครื่องจักรเหล่านี้มีความไม่เป็นเชิงเส้นสูง ความสัมพันธ์เหล่านี้และอื่นๆ ได้รับการพัฒนาในบทความโดย Frank Cole ^{[ 32 ]}${\displaystyle k>>1}$

แนวคิดในการสร้าง FFA ที่ไม่ปรับขนาดเกิดขึ้นครั้งแรกกับKent TerwilligerและLawrence W. Jonesในช่วงปลายทศวรรษ 1950 ขณะที่พวกเขากำลังคิดหาวิธีเพิ่มความสว่างของลำแสงในบริเวณการชนกันของ FFA ลำแสงชนกันแบบ 2 ทางที่พวกเขากำลังพัฒนาอยู่ แนวคิดนี้มีประโยชน์ทันทีในการออกแบบแม่เหล็กโฟกัสที่ดีขึ้นสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคแบบดั้งเดิม^{[ 6 ]}แต่ไม่ได้นำมาใช้ในการออกแบบ FFA จนกระทั่งอีกหลายทศวรรษต่อมา

หากการเร่งความเร็วเร็วพอ อนุภาคสามารถผ่านเรโซแนนซ์เบตาตรอนได้ก่อนที่จะมีเวลาสะสมจนถึงแอมพลิจูดที่ก่อให้เกิดความเสียหาย ในกรณีนั้น สนามไดโพลสามารถเป็นเชิงเส้นกับรัศมี ทำให้แม่เหล็กมีขนาดเล็กลงและสร้างได้ง่ายขึ้น เครื่อง FFA เชิงเส้นที่ไม่ขึ้นกับสเกลที่เรียกว่า ( EMMA ) (Electron Machine with Many Applications) ซึ่งเป็นเครื่องพิสูจน์หลักการ ได้รับการใช้งานสำเร็จที่ห้องปฏิบัติการ Daresbury ในสหราชอาณาจักร^{[ 33 ] [ 34 ]}

VFFA (Vertical Orbit Excursion FFAs) เป็น FFA ประเภทพิเศษที่จัดเรียงเพื่อให้วงโคจรพลังงานสูงเกิดขึ้นเหนือ (หรือใต้) วงโคจรพลังงานต่ำ แทนที่จะกระจายออกไปในแนวรัศมี วิธีนี้ทำได้โดยใช้สนามโฟกัสเฉียงที่ผลักอนุภาคที่มีความแข็งแกร่ง ของลำแสงสูงกว่า ในแนวตั้งไปยังบริเวณที่มีสนามไดโพลสูงกว่า^{[ 35 ]}

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการออกแบบ VFFA เมื่อเทียบกับการออกแบบ FFA คือ ความยาวของเส้นทางจะคงที่ระหว่างอนุภาคที่มีพลังงานต่างกัน ดังนั้นอนุภาคที่มีพลังงานสัมพัทธภาพจึงเคลื่อนที่ด้วย ความเร็วคงที่ ความคงที่ของคาบการหมุนช่วยให้การทำงานของลำแสงต่อเนื่อง จึงให้ข้อได้เปรียบด้านกำลังเช่นเดียวกับที่ไซโคลตรอนแบบคงที่เหนือกว่าซิงโครไซโคลตรอนเครื่องเร่งอนุภาคแบบคงที่ไม่มีการโฟกัสลำแสงตามแนวยาวแต่สิ่งนี้ไม่ใช่ข้อจำกัดที่สำคัญในเครื่องเร่งอนุภาคที่มีอัตราการเพิ่มกำลังอย่างรวดเร็วซึ่งมักใช้ในการออกแบบ FFA

ข้อเสียเปรียบที่สำคัญ ได้แก่ ข้อเท็จจริงที่ว่า VFFA ต้องการการออกแบบแม่เหล็กที่แปลกใหม่ และในปัจจุบันการออกแบบ VFFA ยังอยู่ในขั้นการจำลอง เท่านั้น ยังไม่ได้ผ่านการทดสอบจริง

เครื่องเร่งอนุภาค FFA มีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ทางการแพทย์เช่นการบำบัดมะเร็ง ด้วยโปรตอน การใช้เป็นแหล่งกำเนิดโปรตอนสำหรับการผลิตนิวตรอนความเข้มสูง การตรวจสอบความปลอดภัยแบบไม่รุกรานสำหรับตู้คอนเทนเนอร์สินค้าปิดสนิท การเร่งอนุภาคมี ออนให้มีพลังงานสูงอย่างรวดเร็วก่อนที่มันจะสลายตัว และการเป็น "เครื่องขยายพลังงาน" สำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบซับคริติคอลที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องเร่งอนุภาค (ADSRs) / เครื่องปฏิกรณ์แบบซับคริติคอลซึ่ง ลำแสง นิวตรอนที่ได้จาก FFA จะขับเคลื่อนเครื่องปฏิกรณ์ฟิสชันที่อยู่ในสภาวะซับคริติ คอลเล็กน้อย เครื่อง ปฏิกรณ์ ADSR ดังกล่าวจะมีความปลอดภัยโดยเนื้อแท้ ไม่มีอันตรายจากการเกิดการลุกลามแบบทวีคูณโดยไม่ตั้งใจ และมีการผลิต กาก ยูเรเนียมทรานส์น้อย มาก ซึ่งมีอายุการใช้งานยาวนานและมีศักยภาพในการแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์

เนื่องจากลำแสงที่เกือบต่อเนื่องและช่วงเวลาการเร่งความเร็วที่น้อยที่สุดสำหรับพลังงานสูง ทำให้ FFA ได้รับความสนใจในฐานะส่วนประกอบที่เป็นไปได้ของเครื่อง เร่งอนุภาคมิวออน ในอนาคต

ในช่วงทศวรรษ 1990 นักวิจัยที่ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์อนุภาค KEK ใกล้โตเกียวเริ่มพัฒนาแนวคิด FFA ซึ่งประสบความสำเร็จด้วยเครื่อง 150 MeV ในปี 2003 เครื่องที่ไม่ปรับขนาดที่เรียกว่า PAMELA เพื่อเร่งทั้งโปรตอนและนิวเคลียสคาร์บอนสำหรับการบำบัดมะเร็งได้รับการออกแบบ^{[ 36 ]}ในขณะเดียวกัน ADSR ที่ทำงานที่ 100 MeV ได้รับการสาธิตในญี่ปุ่นในเดือนมีนาคม 2009 ที่ Kyoto University Critical Assembly (KUCA) ซึ่งบรรลุ "ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ยั่งยืน" ด้วย แท่งควบคุมของ ชุดประกอบวิกฤตที่เสียบเข้าไปในแกนปฏิกรณ์เพื่อลดระดับลงต่ำกว่าจุดวิกฤต

• เครื่องขยายพลังงาน คือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบกึ่งวิกฤตซึ่งอาจใช้ FFA เป็นแหล่งกำเนิดนิวตรอน

• "การกลับมาเกิดใหม่ของ FFAG" . CERN Courier . 28 กรกฎาคม 2547. เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อวันที่ 15 กรกฎาคม 2550. สืบค้นเมื่อ11 เมษายน 2555 .