サイクロトロン

サイクロトロン：イオンを加速する円形加速器

サイクロトロンは、荷電粒子を円軌道上で加速する粒子加速器の一種です。1931年、アーネスト・ローレンスによって発明されました。小型化を目指した線形加速器の研究から生まれたこの装置は、その後、物理学、医学、そして工学の様々な分野で重要な役割を果たすことになります。

歴史

ローレンスは、ノルウェーの物理学者ロルフ・ヴィデローの論文に着想を得て、当初は線形加速器の開発に取り組んでいました。しかし、当時の技術では高周波電源の制約から装置が大きくなりすぎるという問題がありました。そこで、一様な磁場中を運動する荷電粒子の回転周期が、粒子のエネルギーに依存しないことに着目。学生だったM.S.リヴィングストンと共に小型の実験機を製作しました。

この初期のサイクロトロンは直径わずか10cmでしたが、水素分子イオンを80keVまで加速することに成功しました。その後、直径を拡大し、磁場補正技術を導入することで、陽子を1.22MeVまで加速できるようになりました。1934年には、より実用的な27インチのサイクロトロンが完成。世界初の合成元素であるテクネチウムも、このサイクロトロンを用いた実験によって生成されました。

第二次世界大戦後には、サイクロトロンは世界中で広く利用されるようになり、新たな元素の発見や、基礎科学研究に大きく貢献しました。1939年にはジョセフ・ロートブラットがイギリスでサイクロトロンの研究に関わり、1940年にはエドウィン・マクミランがサイクロトロンを用いてネプツニウムを発見。さらには、より高エネルギーの粒子加速を実現するシンクロトロンの発明にも繋がりました。

原理

サイクロトロンは、強力な電磁石によって生成された磁場を利用して荷電粒子を円軌道上に閉じ込めます。粒子を加速する役割を担うのが、D字型の電極（ディー電極）です。この電極間に交流電場を加えることで、粒子は電極を通過するたびに加速され、軌道半径が徐々に大きくなっていきます。

粒子の回転周期と交流電場の周期が一致するように設計されているため、粒子は常に加速電場のピークに合致して加速されます。この等時性（回転周期がエネルギーに依存しない性質）が、サイクロトロンの大きな特徴です。加速された粒子は、最終的にサイクロトロンの外に取り出され、様々な実験に利用されます。必要に応じて、ターゲットを内部に設置し、サイクロトロン内で直接核反応を起こさせることも可能です。

イオンの入射と出射

イオンは、サイクロトロンの中央部に設置されたイオン源で生成され、インフレクターと呼ばれる電極によって磁場と垂直な方向に射出されます。ディー電極の中心部にあるプラーと呼ばれる電極で最初の加速を受け、円軌道を描いて加速を繰り返します。加速されたイオンは、最終的にデフレクターと呼ばれる電極によって外部に取り出されます。放射性同位体製造の場合は、ターゲットを内部に設置して、サイクロトロン内で直接同位体を生成します。

サイクロトロンの種類

サイクロトロンには、いくつかの種類があります。

古典的サイクロトロン: 最も単純なタイプですが、加速エネルギーの上限が約20MeVと低いです。
AVFサイクロトロン: 方位角方向に磁場を変化させることで、イオンビームの収束性を高め、高エネルギー加速を可能にしています。陽子で90MeV、4Heで140MeV程度の加速が可能です。
シンクロサイクロトロン: イオンの加速に伴い、交流電場の周波数を変化させることで、より高エネルギーの加速を実現します。しかし、連続運転はできません。
リングサイクロトロン: AVFサイクロトロンの発展型で、磁石をリング状に配置することで、非常に高エネルギーの加速が可能です。

日本のサイクロトロン

日本におけるサイクロトロンの歴史は古く、1930年代から研究開発が始まりました。第二次世界大戦中には、理化学研究所や大阪帝国大学などにサイクロトロンが設置されましたが、戦後、GHQによって一部が破壊されました。しかし、その後、再建が進み、現在では医療用など多くのサイクロトロンが稼働しています。特に、PET検査で用いられる短寿命の放射性同位元素の生成には不可欠な存在となっています。

まとめ

サイクロトロンは、その発明以来、科学技術の発展に大きく貢献してきました。現在でも、医療、研究、産業など、様々な分野で活躍しています。今後、さらなる技術革新によって、サイクロトロンの性能向上や新たな応用が期待されます。

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