ヴァンデグラフ起電機

ヴァンデグラフ起電機

ヴァンデグラフ起電機は、アメリカ人物理学者ロバート・ジェミソン・ヴァン・デ・グラフが1929年に考案した静電発電装置の一種です。電荷を輸送するベルト機構を特徴とし、非常に高い直流電圧を発生させることが可能です。バンデグラフやヴァンデグラーフなど、いくつかの表記が見られます。

仕組み

この装置の基本的な原理は、絶縁性のベルトを用いて電荷を機械的に運び、中空の導体（通常は球形）に蓄積することで電位差を作り出すことにあります。装置は主に以下の要素で構成されます。

ベルト: ゴムや絹などの柔軟で絶縁性の素材で作られた、輪になったベルト。
ローラー: ベルトを回転させるための2つのローラー。通常、一方は接地された装置の下部に、もう一方は高電位となる金属球の内部に設置されます。
くし形電極: 各ローラーの近くに配置された、尖った歯を持つ電極。ベルトに直接触れることなく、静電誘導やコロナ放電を利用して電荷の受け渡しを行います。
金属球: 絶縁性の柱の上に載せられた、電荷を蓄積する中空の導体。通常、球形が採用されます。

電荷発生のプロセスは、ローラーとベルトの摩擦帯電から始まるのが一般的です。例えば、ベルトの裏面が上部のアクリル製ローラーと擦れることで負に帯電し、ローラーは正に帯電します。ベルト上の負電荷は下方へ運ばれる一方、正に帯電したローラーは近くの上部くし形電極に強い電場を形成します。この強い電場により空気分子がイオン化され、生じた陽イオンはくし形電極を経て金属球へと移動し、球から電子を奪います。これにより金属球は正味の正電荷を帯びます。この電荷は導体の表面に分布し、球内部には電場を作りません（ファラデーケージ効果）。そのため、内部のくし形電極での電荷受け渡しプロセスは継続的に行われ、球に電荷が蓄積され続けます。

下部では、下降してきたベルトから電荷（例では負電荷）が下部くし形電極と接地されたローラーを介してグラウンドに送られます。同時に、下部電極でのイオン化によって生じた陽イオンがベルト表面に引き寄せられ、ベルトは正に帯電した状態で上昇します。このようにして、ベルトは常に電荷を輸送し、金属球に充電電流を供給し続けるのです。電荷の蓄積は、コロナ放電やリーク電流によって電荷が失われる速度と充電電流が釣り合うまで続き、到達可能な最大電位が決定されます。最大電位は、金属球の半径や周囲の気体の絶縁耐力によって制限されます。そのため、より高い電位を得るためには、球を大きくし、良好な絶縁環境（例えば加圧された絶縁ガス中）に置くことが有効です。

球形の導体が電荷蓄積に適しているのは、電場が局所的に集中しにくいため、周囲の気体の絶縁破壊（放電）を起こしにくく、高い電位まで上げられるからです。また、電荷を導体の内部から供給する方式であるため、外部電場の影響を受けずに電荷を連続して送り込むことが可能となり、ヴァンデグラフ起電機は広範囲の電位差に対してほぼ一定の電流を供給できる、理想的な電流源に近い特性を持ちます。

歴史

電荷を機械的に運んで高電位を得るという考え方は、19世紀後半のケルヴィン卿の水滴誘導起電機などに遡ることができます。ベルトを用いた起電機自体も、1872年にアウグスト・リーギによって作られており、ヴァンデグラフはこれらの先駆的な研究に触発されたと考えられています。

R・J・ヴァン・デ・グラフはプリンストン大学で、1929年に最初のベルト式静電起電機を試作しました。これは身近な材料を用いた簡素なものでしたが、動作に成功しました。その後改良を重ね、1931年にはアメリカ物理学会で150万ボルトの電圧を達成したと報告し、その単純さと持ち運びやすさを強調しました。特許も取得し、マサチューセッツ工科大学（MIT）に権利が譲渡されています。1933年にはMITの施設に大型の起電機を建設し、700万ボルトに達するなど、初期のヴァンデグラフ起電機は急速に性能を向上させました。

実用的な高電圧発生装置としての地位を確立したのは、ウィスコンシン大学のレイモンド・ハーブによる改良が大きいです。彼は装置全体を加圧された絶縁ガス中に収めることで、空気中での放電による電圧制限を克服しました。また、絶縁性の柱に等電位リングを組み込み、その中に発電ベルトと加速管を配置するという、現在のヴァンデグラフ加速器の基本的な構造を確立しました。第二次世界大戦中には、この技術がマンハッタン計画にも利用されました。

戦後、核物理研究などの需要増加に伴い、ヴァンデグラフ起電機は粒子加速器として発展しました。特に、ヴァン・デ・グラフらが設立したHVEC社や、ハーブが設立したNEC社などが大型装置の開発を牽引しました。安定性や制御性に優れるという利点から、1950年代には陰イオンを高電位ターミナルで陽イオンに変換し、再び加速するというタンデム型加速器が開発され、より高エネルギーの粒子線を生成できるようになりました。その後も絶縁ガス技術の進展などにより性能が向上しましたが、30MV級の超大型機の開発は実現に至らず、スケールアップによる電圧向上には限界があることが示されました。

NEC社が開発したペレトロン加速器は、絶縁ベルトの代わりに金属ペレットを連結したチェーンを用いることで、真空度の悪化を防ぎ、安定した動作を可能にした発展型です。これはヴァンデグラフ方式の原理を受け継ぎつつ、技術的な課題を克服した例と言えます。

粒子加速器としての応用

ヴァンデグラフ起電機は、その発生する高電圧を利用して真空中で亜原子粒子を高速に加速するために使われました。サイクロトロンのような他の加速器と比較して、到達エネルギーは低いものの、生成される粒子ビームのエネルギーが安定しており、エネルギー分解能が高く、ビームの広がりが小さいという利点があります。この特性から、原子核物理学の精密な実験研究に長く用いられてきました。

現在も、タンデム型加速器として核物理学の基礎研究に用いられるほか、以下のような多様な分野で応用されています。

核医学: 高エネルギー粒子やX線発生源として利用されることがあります。
物質分析: 加速器質量分析（AMS）による微量元素の高感度分析などに用いられます。
* 材料科学: イオン注入による材料改質などに利用されます。

現代の利用と展示

物理研究の最前線ではより大型の加速器が主流となりましたが、ヴァンデグラフ起電機はその教育的な価値から、今なお多くの場所で活用されています。科学博物館や科学館では、静電気の原理を実演するための展示物として人気があり、来館者の髪の毛を逆立てたり、目に見える火花放電を起こしたりするデモンストレーションが行われています。学校教育やサイエンスショーでも静電気学の教材として用いられています。

特に、ボストン科学博物館には、ヴァン・デ・グラフ自身が1930年代に製作した、空気絶縁型としては世界最大のヴァンデグラフ起電機が常設展示されており、迫力あるデモンストレーションが披露されています。

他の静電起電機との比較

ウィムズハースト式やボネッティ式といった古典的な静電起電機も存在しますが、ヴァンデグラフ起電機はこれらの装置と比較して、より高い電圧を達成できるという決定的な利点があります。古典的な装置では、高電位電極が露出していることによるコロナ放電や、絶縁性の限界による漏れ電流が早期に電圧を制限してしまうのに対し、ヴァンデグラフ起電機は電荷を大きな球形導体の内部に運び込む構造と、電場集中を防ぐ球形により、これらの電荷損失を効果的に抑えることができます。これが、ヴァンデグラフ起電機が粒子加速器などの高電圧応用において主流となった大きな理由です。

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