加速器の歴史を開いたコッククロフト・ワルトン型加速器

加速器の歴史を開いたコッククロフト・ワルトン型加速器

原子核研究の幕開け

20世紀初頭、物質の根源を探る科学の世界では、原子の構造が徐々に明らかになりつつありました。原子の中心には、プラスの電気を帯びた原子核が存在し、その周りをマイナスの電気を帯びた電子が飛び回っているという描像です。しかし、原子核は非常に小さく、その内部構造やそこに働く力は謎に包まれていました。

この謎を解き明かすためには、原子核を構成する粒子を互いに衝突させ、その反応を観測する必要がありました。しかし、原子核はプラスの電気を帯びているため、互いに反発し合って簡単には近づけません。そこで、原子核同士を衝突させるために開発されたのが粒子加速器です。

粒子加速器は、電場や磁場を使って荷電粒子を加速し、高いエネルギー状態を作り出す装置です。1932年、イギリスの物理学者コッククロフトとワルトンは、世界で初めて原子核反応を人工的に起こすことに成功した加速器を開発しました。これは、高電圧発生装置と直線状の加速管を組み合わせた画期的な装置で、彼らはこの功績により1951年にノーベル物理学賞を受賞しました。コッククロフト・ワルトン型加速器の登場は、原子核物理学という新たな学問分野の幕開けを告げるものでした。

コッククロフトとワルトンの発明

1932年、イギリスのケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所において、ジョン・コッククロフトとアーネスト・ワルトンという二人の俊英によって、人類史上初めて原子核反応が人工的に制御され、莫大なエネルギーが取り出せることが実証されました。この偉業は、原子核物理学の夜明けを告げ、その後の原子力開発の礎を築いたと言えるでしょう。彼らは、当時としては画期的な加速器を開発し、陽子を人工的に加速することで、リチウム原子核に衝突させました。その結果、リチウム原子核は二つに分割され、ヘリウム原子核に変換したのです。この時、アインシュタインの有名な式「E=mc²」に従い、莫大なエネルギーが放出されました。この実験は、それまで理論上の存在に過ぎなかった原子力の可能性を現実のものとし、世界に衝撃を与えました。この功績により、二人は1951年にノーベル物理学賞を受賞しました。彼らの開発した加速器は、「コッククロフト・ワルトン型加速器」と名付けられ、現在でも粒子加速器の基本原理として、医療分野や工業分野など幅広く応用されています。

加速の仕組み

加速の仕組みを理解するには、コッククロフト・ワルトン型加速器の構造を知る必要があります。この加速器は、直流電圧を用いて粒子を加速する装置です。しかし、乾電池のように最初から高い直流電圧を得ているわけではありません。家庭用のコンセントから供給される交流電流を、整流器と呼ばれる部品を使って直流電流に変換するところから始まります。
この直流電流は、次にコンデンサーに蓄えられます。コンデンサーとは、電気を溜めておくことができる部品です。コッククロフト・ワルトン型加速器は、コンデンサーと整流器を何段も重ねる構造を持つため、電圧を段階的に上げていくことができます。イメージとしては、階段を一段ずつ上るように電圧が高くなっていくと考えると分かりやすいでしょう。
こうして作り出された高電圧は、加速器の中にある電極に印加されます。電極間に高い電圧がかかると、電場が生じます。この電場によって、プラスの電荷を持った水素イオン（陽子）は、まるで坂道を転がるように加速されていきます。加速された陽子は、原子核の研究など様々な分野で利用されます。コッククロフト・ワルトン型加速器は、大気中で約100万ボルト、絶縁ガスを封入したタンクを用いることで数百万ボルトもの高電圧を得ることができました。

その後の発展と応用

コッククロフト・ワルトン型加速器は、初期の原子核研究において、革新的な役割を果たし、その後の物理学の発展に大きく貢献しました。この加速器は、原子核や素粒子の性質を調べるための重要な装置として、数々の重要な発見を支えてきました。
しかし、科学技術の進歩は目覚ましく、原子核・素粒子物理学の分野では、より高エネルギーの粒子を加速できる、より強力な加速器が求められるようになりました。その結果、線形加速器やサイクロトロンといった、コッククロフト・ワルトン型加速器よりも高いエネルギーを実現できる加速器が登場しました。これらの新型加速器は、より深く物質の根源に迫る研究を可能にし、現代物理学の最先端を拓いてきました。
一方、コッククロフト・ワルトン型加速器は、最先端の研究には使われなくなりましたが、その役割を終えたわけではありません。この加速器は、堅牢な構造を持ち、比較的シンプルな仕組みで動作するため、現在でも様々な分野で活用されています。特に、医療分野における放射線治療や、材料科学分野におけるイオン注入といった分野では、その特性を生かして重要な役割を担っています。小型で扱いやすいという利点から、現在でも様々な研究機関や医療機関で活躍を続けています。

技術革新の礎

– 技術革新の礎

コッククロフト・ワルトン型加速器は、1932年にジョン・コッククロフトとアーネスト・ウォルトンによって開発された画期的な装置でした。これは、高電圧発生装置を用いて陽子を加速し、リチウム原子核に衝突させることで、世界で初めて人工的に原子核反応を誘起することに成功しました。

この発明は、それまでの原子核に関する理解を根本から覆し、原子核や素粒子の世界を探求するための新たな扉を開きました。 コッククロフト・ワルトン型加速器の登場は、現代物理学の幕開けを告げる画期的な出来事だったと言えるでしょう。

さらに、彼らの開発した加速技術は、現代社会においても様々な分野で応用されています。例えば、医療分野では、がん治療などに用いられる放射線治療装置に利用されています。また、工業分野では、材料の分析や非破壊検査などに活用されています。

このように、コッククロフト・ワルトン型加速器は、現代物理学の発展に貢献しただけでなく、私たちの生活にも大きな影響を与えているのです。