放射光

放射光について

放射光（ほうしゃこう、英語: Synchrotron Radiation）とは、シンクロトロン放射に由来する電磁波を指します。この「光」という表現は、一般的には可視光に限らず、赤外線からX線、さらには電波からγ線まで、多岐にわたる波長を含みます。放射光は特に、シンクロトロン放射によって生成される電磁波だけを指す用語として用いられています。

シンクロトロン放射の原理

シンクロトロン放射は、高エネルギーの荷電粒子（主に電子）が磁場の中でローレンツ力により軌道を曲げられる際に放出される電磁波のことです。これにより、電子のエネルギーが失われ、その際に高強度の光を放出します。特にシンクロトロンという加速器から放出されたものが有名であり、他の電磁波の生成過程とは異なり、特定の条件下で生成されることが特徴です。

放射光の特性

放射光の最も顕著な特徴は、その優れた指向性です。荷電粒子が光速に近づくと、相対論的効果により、光が放射される方向が特定の角度に集中します。このため、放射光は周囲全体に広がる通常の光源とは異なり、強力で指向性の高い光になります。また、放射光は白色光から成り、極めて高い光度を持ち、パルス状で出力されるほか、フォトン以外の粒子を放出しないという特徴もあります。これらの特性から、放射光は実験において標準的な光源として好まれ、広く利用されています。

放射光施設の役割

放射光の特性を生かして、高度な研究が行われるのが放射光施設（英語: synchrotron radiation facility）です。日本では、例えば和歌山毒入りカレー事件で亜ヒ酸の分析に用いられ、この技術が広く知られることとなりました。

挿入光源とその種類

放射光をより効果的に利用するために用いられる装置が挿入光源（Insertion device）です。大型シンクロトロンの中で、特定の磁場を生成し、荷電粒子の軌道を蛇行させることで放射光を得るシステムです。挿入光源には、アンジュレータとウィグラーという2つのタイプがあります。

• - アンジュレータ: 磁場を交互に配置することで、放射光を生成します。これにより、極めて高い輝度を持つ光を得ることができ、この技術は自由電子レーザーに活用されています。
• - ウィグラー: アンジュレータに比べ、より幅広い波長の放射光を生成します。

歴史的な背景

放射光の理論的予測は1946年に行われ、1947年には初めてシンクロトロンで実際の放射光が観察されました。しかし、当初は過剰エネルギーの損失と見なされていたものが、後に物性研究に積極的に活用されるようになりました。1963年にはアメリカの低エネルギー研究所で本格的な放射光実験が行われ、日本でも翌年に関連する実験が始まりました。

1970年代からは放射光専用のシステムが構築され、1982年には筑波に「フォトンファクトリー」が開設されました。1990年代に入り、アンジュレータを搭載した第3世代のデザインが普及し、2000年代後半からは第4世代の施設の開発に踏み出しています。

放射光の応用

放射光は多岐にわたる科学分野での応用が進んでおり、具体的な技術には以下のものがあります。

• - XAFS: 原子周辺の微細構造を解明する手法で、材料科学や生物学などでの応用が期待されます。
• - 蛍光X線分析: 材料科学や環境科学における元素分析。
• - 光電子分光: 表面や内部の電子状態を調べる方法で、新しい材料開発に貢献しています。
• - X線回折: 結晶構造を分析し、新薬開発に寄与します。

このように、放射光は科学の進展において不可欠な役割を果たし、多様な分野での応用が進められています。

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