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成 月 日 独立行 法人日本原子力研究開発機構 大学共 利用機関法人高エネルギー 速器研究機構 国立大学法人広島大学 国立大学法人 古屋大学
次世代 源用 陰極直流電子銃 keV 大電流ビー 生成 成
独立行 法人日本原子力研究開発機構 理事長 鈴木篤之、以下 原子力機構 量子ビー 応用研 究部門の西森信行研究副主幹 大学共 利用機関法人高エネ 速器研究機構 機構長 鈴 木厚人 速器研究施設 山本将博助教 国立大学法人広島大学 学長 浅原利正 端物質科 学研究科 栗木雅夫教授及び国立大学法人 屋大学 総長 濵 道成 工学研究科 桑原真人 助教 共 研究 プ 世界 駆け 500keV 大電流ビ 生成 陰極直流電 子銃
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開発しました こ 放射性核種 非破壊分析 可能 す 大強度γ線
「)
源や 生 体細胞 高分解能イ ン 持続可能 社会実現 た 合成や触媒 研究 おけ 新た
し 高輝度 短パ X 線源 次世代 源へ道 開 ました
次世代Ｘ線放射 源や自由電子 開発 目的 したエネ 回収型 ニア 。ERL)
」)
研究 共 研究 プや 米国 ドイ 中国 進 います こ 源 実現す 500keV 以上 エネ 持 高品質ビ 大電流 生成す 陰極直流電子銃 開発 必須 さ 「0 年以上世界 開発 進 ました 成 至 いませ した 共 研究 プ 「009 年 独自 多段セ 管 用い 500kV
4)
電圧印 世界 初 成 しました そ 後 ビ 生成用 速電極 設置 伴い発生した暗電流
5)
問題 進 展 阻ま ました 独自技術 解決し 今回 500keV 電子ビ 「mA いう大電流 生 成す こ 成 しました こ ERL 型次世代放射 源 実現 可能 ました
本研究 成果 第 」0 回 PF ンポ ウ 第 【8 回日本物理学会年次大会 発表さ 共 Phとsical Revieて Special Topics – Acceleraっor and Beams 誌へ論文投稿さ 予定 す 本研
究 一部 文部科学省 量子ビ 基盤技術開発プ す
発表のポイント
z
世界 駆けて次世代 源用 陰極直流電子銃 の keV 大電流ビー 生成 成z
次世代 源実現 、 射性核種の非破壊分析技術、生体細胞の高分解能イ ージング技術、持続可能 社会実現のための 合成や触媒研究の進展 期待
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研究開発 背景
蓄積 ン 型Ｘ線 源やＸ線自由電子 ー ー X位E１
【)
現 放射 源 広 利用 い 一方 実験 精密化 迅速化や新 利用分 開拓 目的 既存 源 超 え 輝度や強度 持 世代放射 源 研究開発 進 原子力機構。JAEA) 高
ー 速器研究機構。KEK) 中心 共同研究 ープ ー回 型 ッ E７１
」)
注目 用い 世代放射 源 開発 取 組 い E７１ 超伝 速器 い ー回 行い 大電流 高品質 電子 ー 連続的 速
装置
超伝 速器 用い 世代放射 源 E７１ 高繰 返 X位E１ 提案 い 世代放射 源 実現 高品質 電子 ー 連続的 大電流 供給 理想 的 電子銃 開発 課題 電子 ー 品質 表 ッ ン ー 発散 角 積 空間電荷効果
】)
劣化 抑制 世代 源 高輝度性能 満 電 子銃 性能 口 ー500ずeV 以 均電流 1mA 以 必要
研究成果 内容
共同研究 ープ 高品質 ッ ン 電子 ー 大電流 発生 1 示 半 体 陰極 備え 直流電子銃
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開発 ー ー 半 体 陰極 照射 電 子 ー 生成 陰極 陽極間 電 電子 ー 速 速 ー 500ずeV 以 電子銃 射後 空間電荷効果 ー 品質 ッ ン 劣化 抑制
陰極‐陽極間隔 素早 速 射前 品質劣化抑制 要
高品質 ー 生成条件 満 1 示 う ッ 管 500ずV端子 接続 ー 電極 陰極 支え 構造 高品質 ー 生成 必要不可 構造 そ 電子銃 高 速電 化 阻 大 要因 そ 理由 速電 昇 共
ー 電極 陰極 電界放 電子
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発生 周 容器面 間 放電 引 起
500kV 陰極直流電子銃 ー ー 照射 陰極 端部 陰極 電子 発生 500kV 端子 ー 電極 接続 陰極 接地 陽極間 電 電子 ー
速 真空 ンプ 速 ャップ う う 配置 い
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従 高品質 ー 生成 必要不可 基本構造 変え 放電問題 解決
課題 い
最初 課題 ー 電極 電界放 電子問題 解決 従来型 単 ッ 管 ー 電極 発生 電界放 電子 直接 ッ 衝撃 ャー ッ
プ 放電や 極端 場合 ッ 管 破損 至 あ 共同研究 ー
プ 自 多段 ッ 管 1 提案 各段 電極 延び 金属性 ー ン
ッ 電界放 電子 防御 「00重 世界 初 ー 電極
状態 500ずV 安定 印 成
電子 ー 生成 目的 陰極 ー 電極 接続 陰極 電界放 電子 起因 新 問題 発生 そ 電子銃容器面 微細粉塵 放電 帯電 陰極 固着 暗電流
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発生 問題 放射線発生 伴う 害 暗電流 除去 電子銃装置 1ヶ 程度 ッ そ 後 電 印 試験中 再び 暗電流 発生 問題 解決 500ずV 印 達成 い わ 微細 粉塵 完全除去 解決 理想的 電子銃容器 体積 大 い 断念 得
例 い暗電流問題 解決 微細粉塵 帯電 理解 必要 あ
微細粉塵 直接帯電 電界放 電流 共同研究 ー
プ う 仮説 立 「 示 う 陰極 電界放 電子 電子銃容器
衝突 発生 ン化 陰極 衝撃 「 電子 発生
放電 連鎖 起 結果 電界放 電流 微細粉塵 帯電
大 放電 成長 いう説 仮説 基 発生 抑制 そ
ン化 防 夫 行い 発生 抑制 「右 示 う 陰極 陽極 周 非蒸発型 ッ ー ンプ 覆う 自 ンプ配置 採用 ン化
電子銃容器表面 プ 発生 考え そ 容器表面 電界
半分 陽極-陰極間距離 最適化 「 右 陰極 曲率半 最適化
陰極 電界放 電子 影響 対策 電界放 電子 電子銃容器面 放 そ ン 化 引 起 放電 連鎖 経 大放電 発生 大放電 電子銃容器内面 微細粉塵
帯電 陰極 固着 暗電流発生 原因 対策 右 示 う 1) 陰極 陽極 間距離d 広 電子銃容器内面 電界 放 ン化 抑制 2) 陰極 陽
極間 ンプ 放 強力排気
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陰極表面 電界 減少 1割程度 ー 品質 悪化 い う 注意 自 夫 共同研究 ープ 暗電流問題 解決 ー 生成可能 条件 安定 500ずV 高電 印 達成
電子 ー 生成試験 結果 」 示 青線 電子銃 速電 赤線 ー 電流 表 ー ー 速電 ずV 素電荷 e 掛 単 ずeV 表 ー ー照射 500ずeV ー 生成 時間 黒矢印 示 陰極電子銃 ー 電 流 入射 ー ー ワー 比例 ワー減衰器 調整 共 階段状 電流 変化
ー500ずeV 電子 ー 最大 「mA 生成 成 電子銃高電 電源 容 不足 「mA 以 ー 生成 至 ー180ずeV 10mA ー 生成 成 い 後 共同研究 ープ 電源改造後 500ずeV-10mA 同 時達成 挑戦 予定
成果 波及効果
陰極型 直流電子銃 米国 ーソン研究所 い 1重重「 初 提案 以来 「0 以 世界 開発 進 い 高電 放電問題 いう大 壁 阻
ー 」50ずeV 以 留 い 共同研究 ープ 多段 ッ 管技術 提案
「00重 世界 初 500ずV 安定 電 印 成 技術成 波及効果 大 全世界 陰極直流電子銃 多段 ッ 管 採用 至 い 回 速電極 設置 伴う暗電流 発生 そ 問題解決 通 共同研究 ープ 新 習得 技術 知見 世界 陰極直流電子銃開発 い 再び利用 行 考え
回 500ずeV 以 ー 持 高品質 ー 大電流 発生可能 陰極直流電子銃 開発 世代放射 源 実現 一歩近 将来的 放射性廃棄物や使用済原 子炉燃料 含 放射性核種 非破壊分析 目指 大強度γ線
「)
源 研究開発や 世代 Ｘ線放射 源 実現 生体細胞 高分解能 ー ン 技術 合成や触媒 代表
不均一 非 衡解放系 ッ
重)
いう新 い研究分 開拓 通 持続可 能 社会実現 貢献 期
共同研究 ープ 本電子銃 高 ー 速器研究機構 開発中 世代放射 源試 験 速器 止E７１ 組 込 超伝 速器 接続 4 参照 「01」 4 総合運 転 世代放射 源 実証試験 行う予定
陰極直流電子銃 生成 ー 電流 赤 電子銃 速電 青 時間 関数 プ ッ ー ー 速電 kV 素電荷 e 積 keV 表 黒矢印 示 ー ー照射時 500keV ー 生成 500keV電子 ー 電流 最大2mA あ 2mA 以 高電 電源 容 不足 点線 う 速電 減少 494keV ー い
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高 ー 速器研究機構 建設中 世代 源試験 速器cERL 500kV 陰極直流電子銃 超伝 速器 世代 源 必要 開発要素装置群 構成 い ー ー蓄積装置 相対論的 電子 ー ンプ ン散乱 高輝度Ｘ線 γ線源 利用 計画 い
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用語説明
陰極直流電子銃
半 体や金属 表面 ー ー 照射 時 表面 飛び 電子 直流電界 引
装置 陰極電子銃 電子 時間構造 ー ー 制御 運動
ー そ 電子 生成 熱陰極電子銃 ン 熱 電
子 引 電子 ー 大 熱運動 う 比 ッ ン
電子 ー 生成 利点 あ E７１ 陰極直流電子銃 半 体 あ 低ぐA囲
化 用い
γ線
ン 線 可視 線や紫外線 同様 電磁波 一種 波 波長 ー 。1 10 1「 乗分 一) ー 100 万電子 以 電磁波 指 ー 高い
物質 透過 能力 強 ー ン ン治療 放射性滅菌等 利用 い 可視 波長 」80～】50 ー 。1 10 重 乗分 一) ー 1.】～」.」 電子 程度
ー回 型 ッ E７１
超伝 速器 用い 電子 高周波 速 高 ー電子 ー 放射 発生 利用
後 同一 速器 減速器 動作 電子 ー ー 高周波 ー
回 後続電子 速 再利用 技術 あ 高周波 動作 超伝 速器
電子 入射 ン 選ぶ 速 減速 可能 あ 利用 い
ずV ずeV
ずV。 ) ずeV 電子 電子 ー ー 速電 ずV 素電 荷 e 積 あ 単 ずeV
暗電流
ー 電流 何 外部制御 ン ー 生成 対 暗電流 高電
印 陰極 発生 不必要 微弱電流 電界放 電子
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起因 電流 あ 電 共 指数関数的 増大 ー ン 異 方向 発生 真空容器 衝撃
放射線 発生 真空度劣化 原因 X位E１
電子 ー 用い 生成 Ｘ線領域 ー ー あ 10低eV 程度 速 電子 ー 発生 ン ュ ー ー放射 自由電子 ー ー相互作用 ー ン 増幅
数桁以 増倍 高輝度 Ｘ線 生成 装置 あ 日本 理研播磨 ８A（１A
「011 運転 開始 利用実験 供 い 空間電荷効果
電子 ー 多数 電子 塊 あ 電荷 持 電子 互い 発 空間電 荷力 働 空間電荷効果 強 働 ー 飛行 従 徐々 発散 大
ー ッ ン 大 現象 起 電子 高い ー 速
空間電荷効果 弱 ッ ン 増大 抑 電界放 電子
物体 表面 強い電界 時 表面 引 電子 表面 微 あ
付着物 あ 局所的 多数 電界放 電子 生 不均一 非 衡解放系 ッ
気相や溶液中 均一系 対 固液界面や固気界面 不均一系 いう 絶え ーや物質 流入 流 あ 系 非 衡開放系 び 生 例 あ 生 現象 あ 合成 水 二酸化炭素 応 酸素 糖 作 そ 触媒 要
働 果 合成 初期過程 あ 触媒 水 酸化還元 応 そ 界面 起
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応 ッ 詳細 未 解明 い い 高輝度 秒Ｘ線 生成
世代 源 用い そ 応機構 詳細 理解 近 注目 い 人 合成
研究開発 極 要 あ
