加速器

I

プロローグ

加速器は粒子加速器ともいい、物理学で、電荷をおびた素粒子やイオンを高いエネルギー状態に加速するのにもちいられる装置。加速器は現在、物理学の研究につかわれるもっとも大型で高価な実験機器となっている。加速器は3つの部分からなる。素粒子やイオン源と、粒子が自由に飛行できる真空に近いまでに減圧された管、粒子を加速するための電場である。

電荷粒子は電場によって加速される。イギリスの科学者コッククロフトとアーネスト・ウォルトンは1932年、大きな電位差の電極を真空にした容器の両端におくことによって、陽子を25万電子ボルト(eV)まで加速することができた。

もうひとつの静電加速器のタイプは、アメリカの物理学者ロバート・バン・デ・グラーフによって開発されたバン・デ・グラーフ加速器である。これはバン・デ・グラーフ起電機と同じ原理をもちいて、電極間の電位差はうごくベルトで電荷をはこぶことによって高めていく仕組みで、15MeV(1500万電子ボルト)まで粒子を加速することができるものもある。

II

線形加速器

高周波の電場をもちいて電子や陽子などの電荷粒子を直線的に加速する加速器は、1920年代から考案されたもので線形加速器、リニアックともよばれる。真空中に中空となった円筒形の電極をいくつか直線状にならべ、となりあった電極には逆向きの位相の高周波電圧をくわえる。電荷粒子は円筒電極の軸方向にはしるが、電極の隙間(すきま)をとおるごとに同方向の電場の作用によって加速される。

線形加速器は、理論的にはいくらでも高エネルギーの粒子に加速することができる。アメリカのSLAC国立加速器研究所の線形加速器(SLC)は、全長が3kmあり、電子や陽電子を50GeV(500億電子ボルト)まで加速することができる。そのほか、線形加速器は素粒子実験のほかに、医療における放射線治療(→ 放射線医学)や工業用の放射線源としても利用されている。また、シンクロトロンの入射器の多くが線形加速器となっている。

III

サイクロトロン

アメリカの物理学者アルネスト・ローレンスは、1930年に円形加速器サイクロトロンを開発して39年のノーベル物理学賞を受賞した。

サイクロトロンは線形加速器を螺旋状(らせんじょう)にまきあげたものに似ていて、たくさんの管のかわりに、中には加速用の電極が入った2つの半円形の真空室があるだけである。それは背中合わせになった大文字Dの形をしているので、ディーとよばれる。強力な電磁石でつくられる磁場によって、ディーの中心部のイオン源から出た電荷粒子は円をえがいて運動する。電荷粒子はディーとディーの間隙を横切るたびに高周波電圧により加速されて、エネルギーをまし、加速器の周辺部のほうへむかって螺旋状に運動半径をましていく。じゅうぶんなエネルギーを獲得すると、電荷粒子は加速器から外にとびだす。

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シンクロサイクロトロン

サイクロトロン内で原子核の電荷粒子が20MeV以上のエネルギーを獲得すると、相対性理論にのっとり、電荷粒子の質量が相当に増加する。そのため、電荷粒子は減速し、ディーの間にくわえられる加速用パルスの位相にずれがおこる。この問題を解決するために、旧ソビエト連邦(ソ連)の物理学者ウラジミール・ベクスレルとアメリカの物理学者エドウィン・マクミランが、周波数変調を利用したシンクロサイクロトロンを開発した。

シンクロサイクロトロンでは、電荷粒子を加速する高周波電圧の周波数を荷電粒子の加速につれて自動的に調節をおこなう。つまり、荷電粒子の質量が増加すると、加速電圧の周波数がわずかに低くなり、荷電粒子と歩調をあわせる(シンクロする)のである。その結果、サイクロトロンよりも加速することができる。しかし、周波数による変調をおこなうために、イオンビームはパルス状となって、連続した荷電粒子の流れをとりだすことができない。また、最大エネルギーがませばますほど、荷電粒子は螺旋運動のための大きな空間を必要とし、装置は大型になる。