ガウスの加速器（強力型）
The Gauss Rifle
A Magnetic Linear Accelerator

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全体図(小)

概要

YPC(横浜物理サークル)の例会などですっかりおなじみになったガウスの加速器を、「より強力に」「展示品として使えるよう」に改良しデザインしなおしました。

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製作・著作
手嶋靜 (shizuka@ichiya.com)
http://iruka.la.coocan.jp/craft/Bunbun/index.html

目次

経緯
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2
制作方法
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3
材料
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3
工具類
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 4
工作のポイント
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5
工作の手順
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6
レールをつくる
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6
側面カバーをつくる
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 7
完成図
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 8
まとめ
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 9
使い方
・・・・・・・・・・・・・・・・・10
参考資料
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目次

  1. 経緯
  2. 製作方法
  3. 完成図
  4. まとめ

経緯

祭典のポスター

「2006年の青少年のための科学の祭典in岩国」の展示品として、ガウス加速器を作ろうという話になって、手持ちの材料で展示品として効果的な形にしようと色々と工夫しました。

主な改善点は、以下のとおり

会場での実演
写真は私ではありません。

以上の検討から完成図のような形になりました。最も重要な改良点は途切れた形にしたこと。なお、以下の「説明」に使用した画像は、見やすいようにshadeデータを使用しています。

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制作方法

材料

比較的入手しやすいものばかりだと思います。同じものを作成しようとして地方で入手し難いものがある場合は、当方までご連絡ください。

ネオジム磁石
直径15mm、厚さ10mmの円筒形のもの・・・・４個
鋼球
玉軸受用鋼球、直径15mmのもの・・・・・１３個
鋼球とネオジム磁石は同じ径であること!!
レール
Ｖレールと呼ばれるアルミ製のレール２mのもの・・・１本
溝が中心にあるもの。
レールの断面図レールの断面図
板
900mm×200mm×15mmの板、ここでは表面をプリント板で覆った板を使用する。
アクリル板
厚さ3mmのもの（もう少し厚くても良い。）
アクリルパイプ・アクリル補強棒・接着剤
アクリルのパイプ：内径7mm、外形10mm
21mm（レールの幅）に切断して、ボルトで締め付ける部分のスペーサーに使用する。
アクリル補強棒：4mm
接着部分の補強に使用する三角柱
その他の金物など
  • 八万ロック：保管時や運搬時に固定するため。
  • ステンレスボルト・ナット・スプリング・ワッシャ
    M6×40,ワッシャはできるだけ広いものを使う。
  • 両面テープ：アクリル強力タイプ→ボンドSSテープ(コニシ株式会社)
  • すきま用テープ→すきま用テープ:セメダイン
  • 18-8ステンレスの木ビス(2.8mm×16mm)
  • 説明ラベル

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工具類

いくつか特殊な工具もありますが、ない場合でも工夫すれば手持ちのものでよいでしょう。

折り曲げ器
折り曲げ器
カーテンレールの折り曲げ器を使用。直径２０cm程度の円筒形のものを代用しても良い。
昇降盤（丸鋸盤）
アクリル用のチップソーを使用する。アクリル板用は厚さが薄く刃数が多い。刃のすくい角／横すくい角とも０度で、逃げ角も小さい。ない場合はアルミ用でもゆっくり使えば代用可能です。設備がない場合はプラスチック加工業者か看板屋に依頼して大まかなサイズだけは切断してもらう。
ミニ丸鋸盤
ミニ丸鋸盤
趣味用の小さなものに超硬刃をつけて使用しました。切断した後にカエリがでるためアルミ板の薄いものを台に取り付けておくと良い。
ミニ切断機
切断機
アクリルパイプや補強材を切断するのに使用した。金切鋸で切っても良いがその場合はヤスリで仕上げる必要がある。
ボール盤
アクリルへの穴あけはボール盤がないとむつかしい。特に鉄鋼ドリルをそのまま使用する場合は必須。回転数を最も低速にして使用する。
アクリル用ドリル刃
手持ちの鉄鋼用のドリル刃を研ぎなおして使用した。詳しい説明
皿座ぐり用ドリル刃
NT:メントリドリル
エヌティツール株式会社の面取りドリルを使用した。Ｖレールに木ビス用の座を掘るために使用した。
鉄鋼ドリルの先端を９０度に研ぎなおしても使えるでしょう。その場合すくい角を０にすること。
ヤスリ
単目、あるいは製材用のものを使うこと。
その他
  • 注射器：アクリル用の接着剤を流し込むのに使用。
  • ドライバー，スパナなど

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工作のポイント

レールの選択

多くのＶレールはＶ溝が偏心していますが、ここでは中心に溝があるタイプを使用します。また、Ｖレールを曲げるときは、できれば図のような専用の折り曲げ器を使うほうが良いですが、ない場合は直径が25cm程度の丈夫な円筒形のものに巻きつけて折り曲げる。

通常のアルミVレールの断面(溝が中心ではない)
通常のものは溝が偏っている。

中心型アルミVレールの断面(溝が中心にある)
これは中心に溝がある。

通常のVレールは溝が中心にはない（偏心）ので、中心にあるものを使用する。

アクリル板への穴あけ

ドリルの刃先アクリル板へ通常の鉄鋼用のドリルで穴をあけると欠けてしまうので、アクリル専用錐か鉄鋼ドリルの先端を右図のように研ぎなおして穴をあける。

すくい角  ケガキ部分
アクリルのように欠けやすいプラスチックは穴あけ完了直前にすくい角のために急激にドリルが進んで裏面が欠けてしまう。そこですくい角をゼロにして、周囲をケガキ用に高くする。

アクリルの接着

展示品として使用するので乱暴な取り扱いでの破損を防ぐため、できるだけ補強材を併用して補強する。

緩衝について

レールに鋼球が高速で衝突すると大きな衝撃が加わるので、衝撃がアクリル板に加わらないようにレールは固定しない。それでもレールと直接接触する可能性のある場所はクッション層のあるスキマテープや両面テープを用いる。

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工作の手順

レールをつくる。

粘着テープ

伸びの少ないテープが良い。今回はダイヤテックス株式会社の梱包用パイオランクロス粘着テープを細く切って、数回巻いて余分な部分を切り取っています。

グループの間隔

鋼球３個とネオジム磁石でつくられたグループの間隔は、鋼球３個ないし４個程度が良いようです。

固定ビスの位置

ネオジム磁石と鋼球が接する部分の下には球が接触しえない部分があるので、そこに穴をあけてビスで固定する。
それぞれの磁石の両脇で球の触れない位置に穴をあけてネジ止めする。それぞれの磁石の両脇で球の触れない位置に穴をあけてネジ止めする。

レールと加速器

レールを予定した形に曲げて、実際にガウス加速器を組み立てて動作確認をしておく。

クロソイド曲線で レールの半分くらいを直径約35cm程度のループになるように曲げる。３時の方向までのカーブはクロソイド曲線のように次第に曲率が大きくなるように曲げる。

レールの直線部にネオジム磁石を丈夫な粘着テープ[粘着テープ]参照で１０cm間隔[グループの間隔]参照で固定し、ガウスの加速器をセットして実際に動作させて最適なカーブを決定しておく。

レールは台に強力な両面テープで固定すると同時に、ネオジム磁石周辺は磁石に吸着した鋼球をはがす作業などで大きな力が加わるため、その前後をビスの頭が出ないように皿錐で座ぐりしてビスで台にしっかり固定する。[固定ビスの位置]参照

加速器

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側面カバーをつくる

レールを台に固定したら、鋼球の飛び出し防止のためにループ両脇にそれに合わせてアクリル板で図のようなカバーを作ります。レールの周囲の要所要所に支えをつくっておく。

カバー

スペーサ
ボルトでカバーを固定するときの支えになるスペーサを取り付ける。

なお、今回はループの背後にキー付の収納ボックスも作っておいた。

加速器加速器

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完成図

ガウス加速器
正面から

３面図
三面図(画像をクリックすると大きな画像)

ガウス加速器部分
加速器部分の拡大図

ループ部分
ループ部分の拡大図

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まとめ

ガウスの加速器自体はすでに発祥地のアメリカや日本でいくつかの変形が紹介されていますが、いずれも演示用であって展示品として使えるものは、ほとんどありません。今回の製作目的が「科学の祭典」での多数の来場者への展示が目的でしたので、その目的にそうように改良しました。もちろん、演示や遊びにも使えなければなりません。

高速なガウス加速器を展示品とする場合に最大の障害となるのが、「発射された球がコースから飛び出さないようにすること。」ですが、単純にループにして側面を覆っただけでは、

などの問題は解決できません。そこで、ループを最下端の手前で切断することでこれらの問題が解決できました。

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使い方

ガウス加速器の最終段のみ使用から、段数を徐々に増やして４段とも使用することで加速器の効果をわかりやすく示すことができます。またガウス加速器の初期状態を色々と変化させて加速効果の違いを確認できます。

基本的な使い方
４個のネオジム磁石それぞれに３個ずつ鋼球をつけて、端から衝突させる。
○○○●　　○○○●　　○○○●　　○○○●　←◎ ⇒○○○●←○　○○●○　　○○●○　　○○●◎ ⇒○○○●○　　○○●○　　○○●○　　○○●◎
最も発射される鋼球の速度が早い状態で、ループを数回（多分３回）旋回して戻る。
加速器１段
最もループに近いネオジム磁石に３個の鋼球をつけて、それに鋼球を衝突させる。
○○○●　←◎　　○●　　　　　●　　　　　● ⇒←○　○○●◎○　　　　　●　　　　　● ⇒○○○●◎　　　　●　　　　　●　　　　　●
ガウス加速器１個の場合の能力を確認する。
加速器２段
ループから一つ目と二つ目のに近いネオジム磁石にそれぞれ３個の鋼球をつけて、それに鋼球を衝突させる。
○○○●　　○○○●　←◎　　　●　　　　　● ⇒○○○●○←○　○○●◎　　　　　●　　　　　● ⇒○○○●○　　○○○●◎　　　　●　　　　　●
ガウス加速器２個の場合の能力を確認する。同様に３個の場合もできます。
出力側の球の個数を色々と変えてみる。
ネオジム磁石の出力側に置く球の個数を色々変えてみる。
　○○●　　○○○●　　　○○●　　　○○●　←◎ ⇒　○○●　←○　○●○　　　○●○　　　○●◎ ⇒　○○●○　　　○●○　　　○●○　　　○●◎
出力側に２個の鋼球を置いた場合は？
出力の方向を変更する。
逆向きに鋼球を並べて向かって右側に出力させてみる。
◎→　　　●○○○　　　●○○○　　　●○○○　　　● ⇒　◎●○○　　　○●○○　○→　●○○○　　　●○○○ ⇒◎●　　　　　○●○○　　○●○○　　　○●○○○
出力側に２個の鋼球を置いた場合は？

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参考資料

ネット上の資料

例会速報　2004/01/10 県立港北高校
YPC homepage--横浜物理サークルの例会報告です。この後も何度も横浜物理サークルの例会で報告されている。
第２１８回サークル例会
こちらはStrayCats [のらねこ学会]--岐阜物理サークルで紹介されたもの。
Gauss Rifle
英文：Science Toys You Can Make With Your Kids のThe Gauss Rifle:A Magnetic Linear Acceleratorとして写真入で紹介されています。
FYSIKbasen - Gauss riffel
デンマーク語で書かれていますが、ポテンシャルエネルギーの図解など図だけ見ても良いでしょう。

製作依頼など

このページを公開以来、製作依頼の問合せがありましたが、このページは、皆さんで工夫されながらより良いものを作られるように作成しました。

人材や設備・工具などがなくて製作が困難な場合に限って製作を引き受ける場合もあります。その場合２週間程度の日数と４万円程度の費用がかかります。材料が入手できない場合は、材料のみの販売もできますのでお問合せください。

  1. iruka.lacoocan.jp
  2. 科学のトップ
First Published
2006-10-25
Last Modified
2006-11-27 18:14:46 (JST)
© Shizuka Teshima 2006 - 2010 All Rights Reserved mailto:office@ichiya.com

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