「サイクロトロン・ラジオアイソトープセンターの紹介」

～加速器ビームで開拓するサイエンス～

酒見　泰寛

東北大学　サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター

加速器実験実習スクール

「AVFサイクロトロン」を用いて実験を行い、「1.2GeV電子シンクロトロン」を見学します。

KEK大学等連携支援事業（代表：東北大学・理学研究科・田村裕和）では、以下のように、サイクロトロンの ビームを使った原子核・素粒子実験のための学部生向け実習スクールを予定しています。

l 場所：　東北大学サイクロトロンRIセンター（仙台市青葉区） l 時期：　2014年12月下旬～1月上旬ごろ（冬期休暇期間中、あるいは前後の日程） l 内容：　①　サイクロトロンビームの調整、診断。　②　ビームを使った原子核反応の実験 　(放射性元素生成と崩壊粒子測定）。　

③ ビームを用いた素粒子実験の一部を体験。　 　　　　　　④　サイクロトロン、電子シンクロトロン（東北大学電子光理学研究センター）の見学。　　　　を2～3日かけて行います。

l 対象：　加速器と加速器をつかった原子核・素粒子の実験研究に興味のある全国の大学3年生前後の学部生。 l 募集人数：　10名程度。（希望者が多い場合は、選考を行います。） l 参加者は、仙台に3泊4日程度滞在していただきます。旅費、滞在費の大部分を支給する方向で検討しています。

申込み時期と方法：10月になったら、http://cycgw1.cyric.tohoku.ac.jp/~sakemi/cyric2014.html を確認ください。 この実習の詳細と、申込み方法、選考方法を掲載します。申込み締め切りは10月末ごろの予定です。 問い合わせ先：　講師・東北大学・井上壮志　　school2014@cyric.tohoku.ac.jp

加速器研究部公募ヒアリング 5

講師の紹介

電子光理学研究センター： 石川　貴嗣　先生　（１２月２３日〜２８日） サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター： 井上　壮志　先生　（２月２２日〜２６日） KEKサマーチャレンジ：理学研究科 金田　雅司　先生

加速器ビームによる研究：　基礎科学からライフサイエンスまで

放射性元素（RI）生成と加速器

l サイクロトロンからのビームにより、 l 原子核反応を用いて、 l 放射性元素（極端な原子核）を人工的に作り出す

原子核物理が基盤 〜自然界の力と構成物質〜

n  自然界の４つの力 n  重力n  電磁気力n  強い力（核力）n  弱い力（ベータ崩壊）

n  構成物質 n  クオーク（６種類）

n  強い力が働く n  レプトン（６種類）

n  強い力が働かない

n  力を伝えている粒子（ゲージ粒子） n  重力 重力子（未発見）n  電磁気力 光子n  強い力 グルーオンn  弱い力 Ｗ±、Ｚ０

重力 電磁気力 弱い力 強い力

クオーク レプトン

巨大な原子核（ウラン等） アルファ粒子

原子核の基本的性質

p  陽子と中性子は「中間子」を媒介して結合 n  人も「言葉」や「身振り手振り」でコミュニケー

ション p  陽子と中性子は結合するが、陽子と陽子、中性

子と中性子は結合しない n  人も男女はカップルを作る

p  陽子と中性子の数が同数が安定

n  人も男と女は半々 p  多量の陽子・中性子がある場合、陽子２個と中性

子２個からなるアルファ粒子を形成し易い n  人も数人のグループを形成し易い

p  巨大な原子核（多量の陽子・中性子からなる）は自発的に崩壊する n  人も巨大な組織（企業・政党…）は崩壊し易い

陽子 中性子

放射線を目で見る

放射線〜自然のビーム：　　　　 人工的に高品質（エネルギー、粒子）のビームを生成　⇒　加速器

アルファ崩壊〜アルファ線（ヘリウムの原子核）を放出

ビームの分解能

de Broglie wavelength : 入射粒子の波長： 4222 cmE

cp −===

!!"

πλ

q q q

~fm~10-15m

陽子・中性子

Probe Energy Wavelength (m) l 電子顕微鏡 100 keV ~4×10-12 原子

l CYRIC（陽子ビーム） 100 MeV ~3×10-15 原子核

l DESY（e beam） 35 GeV ~3×10-17 核子

l COMPASS@CERN（µ beam） 160 GeV ~7×10-18 核子

広辞苑によれば‥‥ 　加速器の一つ。 　磁場の中で円運動をしているイオンを 　同じ周期の高周波電場によって加速して、 　1千万～数億電子ボルトのエネルギーを 　もつようにする装置。 　放射性同位体の製造や 　原子核の人工破壊に用いる。

加速器 accelerator

粒子 particle

サイクロトロンとは？

例2： 100 MeV 陽子 　　　　‥ 光速の約40% の速さ

例1：光子のエネルギー 　 可視光 ： 数 eV 　 Ｘ線 ： keV = 103 eV 　 γ線　 ： MeV = 106 eV

0+V

+e

ところが‥‥ 電子・陽子の電荷：e = 1.6×10–19 クーロン （電気素量） 　　　　　　　　　　　　　　　‥‥（千京分の１）非常に小さい！

1 eV （電子ボルト） = 1.6×10–19 ジュール 　　= 電荷 e のイオンを１ボルトの電圧で 　　　 加速した時のエネルギー

１ジュール = １ワット・秒 = １クーロン・ボルト （ワット = ボルト・アンペア,　クーロン = アンペア・秒）

最も素直な加速方法 ＝ 高電圧を発生させて 　　直接イオンを加速 ⇒　静電加速器

イオン = 電気を帯びた原子 　　　　　 通常は電子を剥ぎ取られた原子

国際単位 （旧メートル法） 　長さ：メートル、重さ：キログラム、 　時間：秒、エネルギー・熱：ジュール

電流 = 電気の流れ

エネルギーの単位

高周波加速器 ＝ 粒子の通過に同期して 　　電極の極性が反転 　　何度も繰り返し加速

静電加速器で発生できる電圧は 数１０ＭＶ（数千万ボルト）が限界

最も素直な高周波加速器

　線形加速器（ＬＩＮＡＣ） 　　リニアック、ライナック（日本語） 　　リナック（英語）

周期： 数１０～数１００ＭＨｚ

線形加速器

世界最大線形加速器 米国スタンフォード大学線形加速器 　長さ２マイル（３．２ｋｍ）　電極８万個 　最高エネルギー５０ＧｅＶ 　　　　　　　　　　 （５００億電子ボルト）

線形加速器の特徴： • 電子加速に最適 　（制動放射による損失が無い） • 小型器は放射線治療にも応用 　（制動放射Ｘ線を積極的に利用） 　～１０ＭｅＶ（１千万電子ボルト）

e e

X 制動放射

東北大原子核理学研究施設 　３００ＭｅＶ（３億電子ボルト） 　→ １．２ＧｅＶ（１２億電子ボルト）

線形加速器は長い距離・沢山の電極が必要 　　　（電子以外の粒子の加速には不利） もっとコンパクトで高いエネルギーの加速器を！

最も素直な円形加速器

サイクロトロン 　粒子は一様な磁場中を円運動 　一組（または数組）の電極間の高周波電圧で繰り返し加速

磁場を併用 ‥‥ 円形加速器

サイクロトロン

ローレンツ力： F = q υ × B

　q ：電荷， υ ：速度，B ：磁場 　　　　方向は υ → B へ右ねじ

磁場中の荷電粒子の運動

常に υ に垂直な力 à 円運動

電流が磁場から受ける力 ― フレミングの左手の法則

電流 = 運動する荷電粒子（電気を帯びた粒子）

I = υ q

I

B

F

速度に依らず一定　　　

周期：

軌道半径：

質量　　　

22

: 2

!

qBmrT

qBmr

mrmBq

π=

υ

π=

υ=

υ=υ

ローレンツ力と遠心力の釣り合い

（サイクロトロンの等時性）

è 加速途中のエネルギーが異なる粒子も同じ周波数で同時に（沢山）加速できる！ è サイクロトロンはコンパクトで強いビームが得られる加速器 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　放射性同位元素製造に有利

)1@(MeV 100

)(21

21

2

222

===

=υ=

AqAqE

mqBrmE

１億電子ボルト　　　　

　　

加速可能なエネルギーは磁場強度と最大半径で決まる

東北大サイクロトロン（r = 0.93メートル, B = 1.55テスラ）の場合

A : 質量数

鉄心電磁石（常伝導）の 最大磁場～１．５テスラ 　ピップエレキバンＸ 　　　０．１８テスラ １テスラ（国際単位） 　　= １万ガウス

世界最大規模サイクロトロン カナダ・トライアムフ研究所 　直径１６メートル　５００ＭｅＶ（５億電子ボルト） 　１９７４年稼動

新しい大型サイクロトロン ⇒ 超伝導電磁石で強い磁場を発生

　理化学研究所 　２４００ＭｅＶ（２４億電子ボルト）

東北大学　サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター

サイクロトロン本体〜本日　見学

仕様

電磁石系 重量 200 ton

引き出し半径 923 mm

セクター数 4 pair

最大平均磁場 1.96 Tesla

主電磁石電力 230 kW

トリムコイル数 12 pair

高周波系 ディー電極数 2

ディー角度 90 度

周波数 11 ~ 22 MHz

最大ディー電圧 50 kV

最大高周波電力 70 kW × 2

イオン源 負イオン カスプ型

陽イオン （軽・不安定核）

ECR , 10 GHz

陽イオン （重イオン）

ECR , 14 GHz

加速粒子 加速エネルギー （MeV ）

ビーム強度 （ µA ）

陽イオン

陽子 10 ~ 90 50

重陽子 10 ~ 55 50

ヘリウム ３ 20 ~ 144 50

アルファ粒子 20 ~ 110 50

炭素 １２ 20 ~ 336 5 粒子

窒素 １４ 20 ~ 392 5 粒子

酸素 １６ 20 ~ 448 5 粒子

ネオン ２０ 20 ~ 560 5 粒子

硫黄 ３２ 20 ~ 591 3 粒子

アルゴン ４０ 20 ~ 630 3 粒子

クリプトン ８６ 20 ~ 588 3 粒子

ゼノン １２９ 20 ~ 633 1 粒子

負イオン

陽子 10 ~ 50 300

重陽子 10 ~ 25 300

量子ビーム～人工的に生成した放射線ビーム

放射性同位元素の様々な利用による研究開拓 反物質の消失の起源を探る〜原子核物理

反物質（陽電子）を利用した医療診断技術の開発〜ライフサイエンス

RIをレーザーで光格子に閉じ込める〜反物質消失の解明・核物理

不安定核を生成・停止させる〜核構造・元素合成 RIを用いた薬剤創成〜腫瘍診断・治療

反物質 0%

物質 5%

暗黒物質 23%

暗黒  エネルギー

72%

Energy  in  Universe  

見学について

見学場所： ・サイクロトロン本体 ・イオン源 ・ゲルマボール（田村Groupの実験装置） ・レーザー冷却RI装置 ・PET（陽電子放出撮像診断装置） 各見学場所で自由に質問してください。