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一般的な話題

次世代の放射光施設で何が出来るでしょうか?

お医者さんにいくと、X線を使って僕らは自分の体の中の情報を知ることができます。

化学や物理の実験室にいくと、X線を使って僕らは分子や原子の情報を知ることができます。

体の調子が悪い時に、何が原因で知ることが重要なように、なにか新しいものを発見した時に、どのようなメカニズムでその事象が起こっているかを知ることはとても重要な知見です。

X線や電子線は研究者にとっては割と身近な存在で、ある程度の大きさの研究所ではそれらを使った装置はとてもよく使われています。

 

ただしそんなX線や電子線ですが、世の中にはとっても”偉い”X線や電子線があります。それを使うと、より詳細に、より正確に、より多彩な条件でいろいろな事がわかるようになります。

その“偉い” X線や電子線を創りだすのが、放射光施設、シンクロトロンです。

 

“偉い”X線とは

ここで偉いというのは、つまり“研究に有用な”という意味です。実験をするには“真っ直ぐで” “強い”X線が欲しいです。

このようなX線のレシピは相対論的効果によって作られます(化学者にはムズカシイ)。電荷粒子が光速に近いくらいの速度で円運動していると、X線などの電磁波が回されている接線方向に飛び出してきます。

このようにして作られたX線を使うと、光の指向性が単一的輝度が強いX線が作られます。

このような装置の事を“シンクロトロン”と言います。

 

しかし、このような施設は容易に作れるものではありません。お金もかかります。壮観とも言えるほどの大きな装置で、世界でも有数です。

イメージ的にはサッカー場くらいの大きさの装置と考えていただければいいと思います。

 

日本、世界のシンクロトロン装置

spring jpg

Spring 8の全体図 (google imageより)

 

日本のシンクロトロン施設として有名なものは兵庫県播磨にあるSpring-8とつくばにある高エネ研(高エネルギー加速器研究機構)です。これらの施設は国内の多くの研究者に利用され、化学の発展に大きく寄与しています。

化学の実験で身近な物から挙げますと、X線の散乱をみて、結晶の構造を調べるX線構造解析やX線の吸収をみてその分子軌道を調べるX線吸収スペクトルなどに利用されています。

ちなみに世界最大のシンクロトロンはスイスにあるLHC(Large Hadron Collider)というもので、そこでしている研究で耳目を引きやすいものとしてはブラックホールが作れるようになるとか、ヒッグス粒子とか、化学者にとってはムズカシイ、少し異次元の研究もしています。そのシンクロトロンの大きさは円周27キロメートルと圧倒的に世界最大。

アメリカではAPS( Advanced Photon Source )や化学者にとってはコーネル大学やカルフォルニア大学バークレー校にほど近いCHESSやBevatronが有名です。

 

 

時代は第3世代から第4世代へ

そのようなシンクロトロンですが、やはり時代を重ねて進歩してきています。

1945年にエドウィンマクミランによって初めてのシンクロトロンが開発されて以降、様々な進化がなされています。

例えばSpring8で使われているのは第3世代と呼ばれるシステムです。加速電子を上手く運転させることにより、強力な光を取り出しています。これで得られる光の輝度、ラボで使われるX線装置のおよそ10の10乗!10時間かかるX線の測定がシンクロトロンを使うと1秒未満で出来るということになります。逆に言うとシンクロトロンで10分かかる測定は普通のラボでは1000年くらいかかるということです。

 

現在、シンクロトロンでつくられる電子ビームを、さらに加速させ、アンジュレーターに通過させることにより、レーザー的な単一波長的でさらにより輝度の強いX線を得るシステムが開発されています。これを第4世代型のシンクロトロンと呼びます。

このようにして得られた強い光を得られると、小さいスケールのみで得られる特殊な反応を得られることはもちろん、将来的には短い時間でおこる反応機構を一歩一歩追うことが出来るようになるかもしれません。

 

近い将来、化学という概念が変わるような発見や、当然のように信じられていた反応機構があっという形で覆されるかもしれません。

 

いやぁ、凄いっすよねぇ。

 

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