事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの
小型高フラックス放射光源・レーザー蓄積装置の研究開発
Development of Compact Laser Super-Cavity for High Flux X-ray
概 要 将来の小型高フラックスX 線源用要素技術開発のために、本プロジェクトによってレーザー蓄積装置と 高輝度電子ビーム源の研究開発を進めている。一方、高エネルギー加速器研究機構・先端加速器試験施設 では１９９７年からミクロンの電子ビーム形状測定を行なうために CW レーザーワイヤー装置開発と超高 輝度偏極ガンマ線生成のためのレーザーコンプトン散乱実験を行っている。現在までの７年間で、レーザ ー蓄積装置については、40mm 長のファブリ・ペロー型光共振器内に入射パワーの 2000 倍以上の 200W 蓄積 を確認して、実用化に必要な高パワー密度化と超安定化の開発研究に目処をつけた。また、レーザーコン プトン散乱実験では、電子ビームとレーザービーム衝突の技術開発を行ない、超高輝度偏極ガンマ線生成
(107photons/collision 以上)を実証した。これはピーク輝度の値で示した場合、1019photons/mm2・mrad2・
sec・0,1%bandwidth 以上になる。これらの要素技術を小型加速器に利用して、高輝度 X 線生成を小型 50MeV
加速器の電子ビームとレーザービームによる衝突で実証する。技術実証装置として、低コスト化、小型化、
省電力化などの観点から、50MeV 高輝度電子線形加速器と YAG パルスレーザー(1064nm)を使う。また、50MeV
小型電子蓄積リング(周長 13.4m)と YAG パルスレーザースパーキャビティによる小型高フラックス放射光
源の設計をほぼ終了した。平成１５年度の最も重要な成果は、高輝度 X 線源の要素技術開発のためにパル
ス蓄積技術開発装置製作を行い、1000 倍以上のパルスレーザー蓄積技術の見通しを得たことである。
Abstract
We are developing Pulsed Laser Super-Cavity for compact high brightness X-ray generator based on Inverse
Compton Scattering with about 50MeV electron beam. The laser Super-cavity increases the laser power and stably
makes small laser beam size at the collision point with the electron beam. A Fabry-Perot cavity as the Super-cavity
has been tested at the KEK-ATF (Accelerator Test Facility) and experiments on the increase of the enhancement factor demonstrated the stable control of 5µm waist size with 200W CW green laser. On the other hand, we are also developing the technique on the high brilliance X-ray generation. Recent results indicate the possibility of the
application to K-edge digital subtraction angiography as the compact high flux X-ray source. Therefore, we have
designed a compact 50MeV electron storage ring which has the circumference of 13.4m and enough energy
acceptance (about 6%), and are developing a pulse stacking technology with 42cm Fabry-Perot cavity for quasi-CW
laser Inverse Compton Scattering.
１．はじめに
X 線は医療、生命科学、材料科学など広い分野で利用されている。例えば医療関係では、 定期検診や、非切開手術での人体透視、癌細胞への直接照射による治療などさまざま
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの な用途がある。しかし放射線障害の問題は避けて通れず、医療現場ではこれを含めた さまざまな患者への負担の低減は大きな問題である。現状の臨床医療では X 線管が用 いられる。X 線管では、50keV 程度の電子ビームのタングステンターゲットでの制動 放射によりX 線が生成される。この X 線は広いエネルギー分布を持っており、使用目 的によっては患者に無駄に放射線を浴びさせる結果になる。 心筋梗塞の治療には、動的な冠動脈の造影が欠かせない。患者の太股の動脈または頸 動脈からカテーテルを挿入して心臓の冠動脈まで到達させ、ヨウ素(I)を含む血管造影 剤を数回カテーテルを通して注入する。一回で数十秒間、全体で15 分から 2 時間の間 に血管像をオンラインで可視化し、ステントと呼ばれるステンレスメッシュをカテー テルによって挿入し、バルーンで拡張させて血管を広げる。ここで注意しなければな らないのは、ヨウ素(I)の K エッジが 33.169keV であり、その前後での X 線吸収の断面 積が5.4 倍程度増加することである。従って、ブロードなエネルギースペクトルをもつ 制動放射 X 線（実際には金属板のフィルターを併用）を用いた現在のシステムでは、 造影に寄与するエネルギーのX 線量に比べて人体全体に吸収される X 線が多くなって しまい、治療中の患者への大量の放射線被爆を余儀無くされる。また、大量の造影剤 を冠動脈に注入する必要があり、患者への負担も増大する。 一方、他の高性能 X 線源として、電子貯蔵リングからのシンクロトロン放射(SR)光が ある。国内外にさまざまな規模の放射光施設が建設され、生命科学や物質科学では広 く利用されている。放射光施設の特徴としては、高輝度、高強度で安定性も高く、分 光装置により高強度の単色光を得られる等があげられる。この単色化された放射光を 血管造影に用いれば、33keV の X 線強度が強いので、造影剤投入は手首静脈から行な うことが可能となり、患者への負担は軽くなる。また、33keV の単色に近い X 線のみ が患者に照射されるので、被曝線量も抑制できる。つまり、わずかな放射線量と造影 剤での可視化が可能になり、患者への負担を低減させることが可能となる。 高エネルギー加速器研究機構では筑波大学医学部との共同で、KEK-AR（蓄積リング） のアンジュレータービームラインで心臓冠動脈の診断のみの動的血管造影を行なって いる。33keV, 1011 photons/s の X 線を約 10x10cm2の範囲に照射し、33 shots/s の像を
得ている。残念なことに、放射光施設は一般的に高額巨大な装置であり、一般の大学 の研究室や病院においそれと導入できるものではない。しかし、もしこのような33keV 単色 X 線源が小型化できて、一般病院や大学・企業等に設置可能となれば、その検査 や研究産業等への応用の活路も広がるのではないか。 GeV 程度のエネルギーの電子貯蔵リングで生成できる X 線に相当するようなエネルギ ーのX 線を生成可能な超小型の硬 X 線源を実現するための方策として、大強度のレー ザー光と電子ビームを衝突させて逆Compton 散乱により高エネルギーX 線を得る方法 （レーザーアンジュレーター放射光源）がある。この方法では、電子ビームのエネル ギーが低くても高いエネルギーの X 線を生成できるため、非常にコンパクトなシステ ムを構成することが可能になる。
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの 本研究テーマであるレーザー蓄積装置は大強度のレーザー光を安定に生成するものであ り、その技術を高度化することによって実用化の目処を要素技術実証実験により示すこと が本研究開発の目的である。第２章でレーザー蓄積装置の概要と研究計画について述べる。 第３章では、高品質電子ビームが本研究開発に必要なので、その開発状況について述べる。 第４章で電子ビームとレーザービームを衝突させて、効率良く X 線生成を行なう小型シス テムについて検討案を報告する。第５章は本研究の波及効果について報告する。最後に総 括として平成１５年度研究開発結果と平成１６年度研究開発目標を述べる。 2.レーザー蓄積装置
Laser Compton Scattering による X 線生成量の定量的な評価は４章で報告する。本開発 テーマのレーザー蓄積装置（Optical Super Cavity）は Laser Power 増幅及び衝突点レ ーザーサイズ絞込みを実現するものである。X 線生成量を増やすことと小型化を考慮す ると高効率高出力 Mode Lock YAG レーザーを使用することになる。図１は小型 50MeV 電子蓄積リングとスーパーキャビティーに蓄積されたレーザーパルスの衝突により高 輝度 X 線生成を行う概念図である。
図 1.Schematic Layout of Compact X-ray Generator
1997 年から Optical Cavity として最も簡単な Fabry-Perot Resonator による基礎開 発を開始した。現在、電子ビーム診断用に使用している長さ 40mm の２台のレーザー蓄 積装置では、入射連続レーザーパワーの 2000 倍以上のレーザーパワー蓄積に成功して
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの いる。図２はパルスレーザー蓄積実験を行うために光学台の上に組んだ装置構成を示し ている。この装置の基礎実験によりキャビティ内レーザーパワー690W(1.9µJ/pulse)を 達成した。図３に反射率 99.9%以上を使った場合の蓄積パルスレーザーの減衰パワー測 定から得られた Preliminary な結果を示す。この結果から増幅率 1000 倍以上が可能で ある見通しを得たといえる。今後は電子ビームとレーザーの衝突点でのレーザービーム サイズの最小化とフィードバックによるレーザーパワー増幅率の安定化技術を実用化 レベルまで発展させる。 図２. パルスレーザー蓄積実験用装置構成
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの 本先進小型加速器計画のサブプロジェクトとして、1000 倍（反射率 99.9%）以上を目 標に新しいパルスレーザー蓄積技術の原理証明実験を 2003 年度末に行い成功した。本 高フラックス硬 X 線源開発では YAG レーザー(1064nm)を使用しているので、ミラーの反 射率を 99.99%以上にすることは容易であるが、レーザービームサイズ制御性とレーザー パルス蓄積を優先しているので、反射率 99.9%で実用化技術開発を行うことになる。パ ルス YAG レーザーの衝突点のパラメーターとして表 1 の値を設計値とする。 目標 357MHz Pulsed YAG レーザー 6 W-7psec(16.8nJ/pulse)
増幅率 103倍 衝突点のレーザーサイズ 20µm(r.m.s.) 衝突点のレーザーピークパワー密度 0.16 TW/cm2-sec(16.8µJ/pulse) 表 1. Pulse YAG レーザーの条件とレーザー蓄積装置の目標 平成１６年度中に本パルスレーザー蓄積装置を試験加速器(ATF)に組み入れて、高輝 度ガンマー線生成実験を試みる予定である。 3. 高品質電子ビーム源開発 約50MeV 小型電子線形加速器からの高品質電子ビームとレーザー衝突により、硬 X 線 生成試験を行なうので、電子ビームの品質は衝突点で 30µm まで絞れる低エミッタンス ビームでなければならない。よって、ビームエミッタンスの改善やエネルギー分散の縮 小などの要求に最も適した電子銃を新規に作製することが自然である。結論から言えば、 今回の要求に最も適した電子銃は、フォトカソード RF 電子銃である。 その理由を以下に列挙する。 １. DC 電子銃に比べ RF 電子銃はその加速勾配を非常に高くできるので、空間電荷効果 によるビームエミッタンスの劣化を抑制できる。 ２. 通常のバンチング過程が省略でき、入射部のビームラインを大幅に短縮できる。 ３. RF の加速位相と同期した電子放出が要求されるので、レーザーによる RF との同期 を可能にできるフォトカソードが有利である。 ４. レーザーによる光電子放出を利用すると、psec オーダーの電子バンチ発生が容易 であり、マルチバンチ運転にも移行できる。 ５. ビームを短パルスで発生できるため、後段の加速位相に容易にマッチングし、ビ ーム透過率が格段によくなる。 ６. 電子銃自身が RF による動作になるため、後段の RF との同期が容易に行え、加速 器の運転が単純になる。 以上のような理由で現在、世界の複数の研究施設でも、加速器入射部にフォトカソー ド RF 電子銃が採用されている。フォトカソード RF 電子銃を開発する際に重要な構成要 素は、フォトカソード、レーザー、RF 空洞である。 フォトカソードとして、現在有効性が認められているものには、Cu、Mg などの金属と、
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの
Cs2Te などの薄膜材料の 2 種類がある。量子効率からすると、Mg が 0.1%に対し、Cs2Te
は 20%という報告もあり圧倒的に高いが、カソード寿命が短く、真空度にも大きく依存 し、Te と Cs の蒸着が必要で取り扱いが難しい。しかし、DESY の TTF や CERN の CTF が、 Cs2Te カソードを採用した RF 電子銃で、引出電荷量、安定度、寿命の点でよい成果をあ げている。現在のところ、量子効率や寿命などを考慮すると、Cs2Te が最も有力である。 ビームエミッタンスに関しても、通常の DC 熱電子銃が数 10πmmmrad であるのに対し、 フォトカソード RF 電子銃は数πmmmrad が達成されている。少なくとも 5πmmmrad は実現 可能である。レーザーの励起光は、Nd:YAG や Nd:YLF などのモードロック半導体レーザ ーの 4 倍高調波である紫外光が使用されていて、高繰り返し、高出力、高安定化へ開発 が進んでいる。RF 空洞は、BNL の 1.6cell の成功から、このタイプの空洞が広く作製さ れるようになり、日本でも KEK で製作した実績がある。数 MW の入力は無理なく行える 範囲であり、加速勾配も安定して 100MV/m 以上が達成されている。安定性を重視して、 加速電界を下げても 5MeV 程度の電子ビームを得ることは現実的である。そこで要素開 発装置の試験も行えるようにフォトカソード RF 電子銃試験装置を製作した。本計画の フォトカソード RF 電子銃の開発目標を表２に示す。平成１６年度中に 3m S-band 加速 管を追加して、電子ビームのエネルギーを 50MeV 以上にする予定である。 目標 カソード Cs2Te レーザー Nd:YVO4 RF 空洞（周波数） 1.6cell(2.856MHz) バンチあたりの電荷量 5nC バンチ幅 6psec(r.m.s.) バンチ間隔 2.8ns バンチ数 100 bunches/pulse 規格化エミッタンス 5πmmmrad 加速エネルギー 5MeV 以上 表２. フォトカソード RF 電子銃の開発目標 製作したフォトカソード RF 電子銃試験装置の写真と概略図を図４に示す。真空中で RF 空洞にフォトカソードを装着できるロードロックシステムが RF 電子銃の上流に配置 されている。この装置の運転は２００４年７月から行うことで準備を進めている。この 装置のフォトカソード RF 空洞の加速電場は、Frequency Perturbation 法により行った 測定結果から空洞入力パワー8.5MW の場合、図５に示す予測値になる。Full Cell と Half Cell の結合度を Tuner で調整することにより、カソード面上での加速電場を変えること ができる。このことにより空間電荷効果と高周波の横電場によるエミッタンス増大の研 究を行うことが可能になり、目的としている大強度低エミッタンス電子ビーム生成の見 通しを得たいと考えている。また、電子ビームのバンチ長を短くする研究を実験とシミ ュレーションで行っているが、収束用ソレノイド電磁石の効果を取り扱う方法がまだ不
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの 十分な状況にあると思われる。今後は測定系を充実させて、ビームパラメーター間の相 関測定を行うことにより、最適運転条件を見出す予定である。 図４. フォトカソード RF 電子銃試験装置 図 5. 8.5MW の高周波パワーを Full Cell 空洞に入力した場合の縦方向電場強度予測 フォトカソード RF 電子銃試作装置で得られた実験結果を図６に示す。レーザー装置の 運転条件、高周波パワーの入力位相条件等により生成できる電子ビームの品質が変わるの で、常に最適条件を維持できるように装置の状態診断と安定化が重要である。カソード面 上でのレーザーサイズは直径 2mm(FWHM)以上、レーザー入射と高周波の位相が 30 度から 40 度程度の条件にして、大強度電子ビーム生成を行うのが良いようである。ここでの位相は 光電子ビームが発生した後、ハーフ空洞内の電場は強くなる場合のものである。これによ って、光電子バンチの後続部分がより高い加速電界を感じることになる。
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの 図６. フォトカソード RF 電子銃試作装置による最近の結果 4. X 線生成装置 レーザーと電子ビームの衝突角を 90 度にしておけば、CW Laser を使用しても衝突角は一 意的に 90 度になっている。一方、90 度以外の衝突角θを選んだ場合、CW Laser の使用では レーザーと電子ビームの衝突角はθと(1-θ)になり、前方 X 線スペクトラムに二つのピークが あらわれる。Pulse Laser を使用した場合は、衝突タイミング調整により一つにできる。ま た、X 線生成量および高エネルギーX 線生成に関して正面衝突の場合が最も効率の良いもの になる。ここではパルスレーザーと電子ビームが正面衝突する場合について、実験で得ら れた結果を示す。我々は高輝度偏極ガンマ線を生成して、偏極陽電子生成の原理証明実験 を１９９９年から行っている。この一連の実験でレーザービームと電子ビームの衝突技術 の高度化を行った。実験装置の配置を図７に示す。３連の電子ビームおよびレーザービー ムの位置・ビーム形状測定装置を設置することにより、効率良くガンマ線生成を行うこと ができた。２００３年度に一回の衝突で 107photons/collision 以上生成できるようにレー ザー装置の最適化を行った。図８は今までに測定した一回の衝突で超前方に発生している ガンマ線数を示している。分布が拡がっているのは、電子ビーム及びレーザーの軌道変動 と強度変動によるものである。この強度変動はレーザー蓄積装置を使用すれば 10%以下にで きる。ここで得られた衝突技術を２００４年度中に行う X 線生成実験に取り入れる。 線形加速器からの電子ビームとレーザーの衝突では、生成できる X 線やガンマ線は高々 108photons/sec 程度である。そこで我々は超小型電子蓄積リングとレーザーパルスの多重
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの 回衝突による高輝度 X 線生成を提案した。ここでは要素技術開発と先進小型リングの設計 で得られた成果を報告する。 図７. レーザー逆コンプトン用衝突実験装置 図８. 衝突実験で測定した偏極ガンマ線強度分布
リング中の電子ビームのパラメーターは Radiative Laser Cooling の効果を取り入れ て求めなければならない。表３は電子リングとレーザー蓄積装置のパラメーターを示す。 このビームパラメーターを使って、X 線生成量を計算する。ここでレーザービームと電 子ビームはガウス分布していると仮定している。 まず、超小型リングの設計結果について述べる。この設計はウクライナの研究者との 協力で得られたものである。リング全体の構成を図９に示す。４台の９０度偏向電磁 石を使用して、大型のテーブルの上に全てを設置することで、アライメントが容易で 加速器全体を大型車に載せることが可能になる。図１０にラティス、図１１に粒子ト
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの
Parameter Value Circumference 13.436m
Beam Energy 40-82MeV Betatron tunes νx, νy 3.187; 2.131 Momentum Compaction (1.0-8.0) x10-2 RF-acceptance >5% RF Frequency 714MHz RF voltage 0.4MV Harmonics number 36 Number of circulating electron bunches 2; 4; 8; 16; 32
Electron bunch charge 2nC Electron bunch current 45mA Stacked laser flash energy into optical cavity 0.5mJ
Collision angle, degrees 10;150(170;30) Scattered photon energy(Nd-YAG laser 1.164eV, 2.328eV) 0.25-200keV
Scattered photon intensity Up to 1013/sec 表３.電子リングとレーザー蓄積装置のパラメーター
図９. 周長 13.46m の超小型蓄積リング
( Ring layout. BM, Q, S are the bending magnets, quadrupole and sextupole lenses, correspondingly; SO are the combined magnet with sextupole and octupole fields;
Kicker is the injection kicker-magnet; RFC is the RF-cavity.)
ラッキングによる運動量アクセプタンス（±2.5％）を示す。高品質電子ビームは今開 発中のS-band 電子線形加速器から供給できる。この線形加速器の全長も５m 以内にで きるので、全てを一台の大型テーブルに設置できる。蓄積リングのビーム性能に合わ せた電子ビームを線形加速器から供給できるので、Top-Up Injection が可能になり常に
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの 一定電流のビームを蓄積した状態が維持できる。今後は、電磁石の設置および磁場エ ラー、レーザーの不安定性、入射電子ビームの種々の不安定性を取り入れたシミュレ ーションを２００４年度に行い、報告書としてまとめるつもりである。 図１０.リングラティス
(Left Figure:Horizontal(1) and vertical(2) amplitude functions at half lattice. At IP βx=4cm, βy=5cm, Right Figure:Linear(1) and second order(2) dispersions at half lattice.)
図１１. 運動量アクセプタンス
（Separatrix of longitudinal motion. Electron beam energy E0=82MeV, RF voltage
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの 衝突点近傍の設計とX 線取出しコリメーター設計を行ったので、その概要を説明する。 図１２に示すように４極電磁石内にレーザー蓄積空洞装置を入れることにより、電子及び レーザーの衝突点でのビームサイズを小さくできる。また、衝突角をレーザーパルスのタ イミング調整により４種類選べるようにした。1064nm 及びその２倍高調波の 532nm レー ザーを使用すれば、30 to 120keV、6 to 16keV、0.25keV to 1keV、53keV to 223keV の X 線を高輝度発生できることになる。X 線取出しコリメーター設計では電子ビームのエネル ギー拡がり0.5%と軌道拡がりを含めたシュミレーションの結果、簡単な X 線取出しコリメ ーターにより1%エネルギー幅の X 線を取り出すことが可能であることを確認した。この設 計報告書は、さらに検討を行い平成１６年度中に提出するようにしたい。
図１２.衝突点近傍の設計図 (Left: Interaction point region. Collision angles are 10° and 150°（170°and 30°）、Right: Final quadrupole doubles with optical cavities.)
5.波及効果
前節の検討報告から医療診断装置への利用が可能であり、動的血管造影写真（アンジ オ）を測定できることになる。結論でも述べているように、このことは本計画の最重要 課題である。ここでは高フラックス小型硬 X 線放射光源の利用方法について、アンジオ も含めて再度簡単に報告する。
アンジオはヨウ素等を血管に注入して、ヨウ素の X-ray の K-edge 吸収(33keV)を利用 した鮮明な X 線写真測定方法である。心臓等の測定では 10cmx10cm の X 線乾板へ人の心 臓を通過させて、数ミリ秒の間に 109の光子を照射しなければならない。Laser Compton 散乱からの X 線は電子ビームの方向に主に放射され、準単色性の性質を持っているので、 診断設備としてコンパクトなものが設計できる。 本硬 X 線光源は 2.8nsec 間隔で時間幅 10psec 以下の準連続光源であるので、物質構 造や物質の時間的な変化を高い分解能で調べることができる。また、電子リングの運 転モードを単バンチ運転にすれば 50.4nsec 間隔での物質構造変化を調べる研究にも利 用できる。さらに短パルスレーザーの併用により、コンパクトで高効率なポンププロ ーブ実験にも利用できると考えられる。 医療診断装置として考えているのは高輝度硬 X 線源による動的血管造影写真測定装 置（アンジオ）である。第４章で述べられているように、レーザー蓄積技術と電子蓄
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの 積リングの加速器先端技術を使えば、アンジオに必要な高輝度硬 X 線源を作ることが できる。この先進小型加速器製作で期待できる波及効果としての技術開発の内容を以 下に列挙する。 １. マルチバンチフォトカソード RF 電子銃の開発により、電子線形加速器の運転およ び電子リングへのビーム入射において、ビーム損失がほとんど発生しない加速器システ ムを実現できる。これは電子線形加速器の運転効率を飛躍的に上げることになり、装置 の維持管理運転が楽になることを意味している。
２. Radiative Laser Cooling により、低エネルギー電子リング(50MeV 以下)で問題に なっているバンチ内散乱効果(Intrabeam Scattering Effect)を緩和できれば、超小型 電子蓄積リングの開発へと本技術を展開できる。 ３. レーザーパルス蓄積実験は別の目的で行なわれた事例があるが、この開発も本計画 の重要研究開発項目になっている。この技術開発の原理証明実験は成功したので、本計 画で目標としている硬 X 線の輝度は 1021以上になることが期待できる。 ４. 電子ビームとレーザービームの衝突時間を 100fsec の精度で制御できれば、レー ザービームのパルス長を 10psec 以下で衝突させることができる。これはレーザーのピ ークパワーを１０倍にでき、発生 X 線量が１０倍になることを意味している。超短パ ルス、高繰り返しの高輝度硬 X 線源を実現できることになる。
５．総括
本研究開発の平成１５年度における成果は、レーザー蓄積装置としての第１期目標の パワー増幅率 2000 倍以上を得る技術を 300mW-CW レーザー発生装置で確認したことと、 レーザーと電子ビームの衝突技術を高度化したことである。また、アンジオに応用でき る先進小型加速器システムの設計をほぼ終了したことも付け加えることができる。平成 １６年度の目標は以下のようになる。 １. Pulse Stacking の原理証明実験をモードロックレーザー発振器を使って行なったの で、パワー増幅率１０００倍を目標にレーザー調整技術を高める。これらの実験結 果からレーザーの安定性に関する知見を得る。 ２. 高周波光電子銃の性能を徹底的に研究して、安定した大強度電子ビーム源を実現す る。 ３. 小型線形電子加速器を製作して、開発された要素技術の総合的な評価を行う。 ４. 超小型電子蓄積リングの設計を完成させる。 以上の総合実験に関する装置等は平成１６年度中に整備する。実験結果が得られるの は平成１６年 12 月ごろになると思われる。一方、レーザー逆コンプトン散乱による X 線生成の準備として 50MeV S-band Linac を平成１7 年７月までに完成させる。電子ビーム源として、マルチバンチ Photo-Cathode RF Gun の試作を終了した。以下の 目標で秋までに結果を出し、改良した実機用のマルチバンチ Photo-Cathode RF Gun を 製作する。
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの 1. 100 bunches/pulse 運転を可能にする。 2. 各電子バンチの規格化エミッタンスは 5πmmmrad 以下にする。 3. 電子バンチ強度変動を 10%以内にする。 4. エネルギー拡がりは 1%(FWHM)以下にする。 5. バンチ間の時間間隔は 2.8nsec まで調整できるようにする。 6. バンチ当たりの電荷量は 5nC とする。
開発スタッフ
責任者 ： 浦川 順治（高エネルギー加速器研究機構） 担当者 ： 谷口敬、照沼信浩（以上 高エネルギー加速器研究機構）、上坂充（東 京大学）、高野幹男、酒井いずみ（以上 放射線医学総合研究所）、田辺裕美、山崎良雄（以 上 核燃料サイクル機構）、平野耕一郎、野村昌弘（以上 加速器エンジニアリング株式会 社）、福田将史（東京都立大学大学院）、KEK-ATF Group（高エネルギー加速器研究機構）参考文献（２００３年度中の発表および掲載論文）
[1]. X-band リニアックを用いた小型硬 X 線源―ビームライン全体の設計、開発の現状― Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 30-Auguest 1, 2003,Tokai, Japan)、土橋克広、上坂充、深沢篤、飯島北斗、今井貴之、坂本文人、えび名風太 郎、浦川順治、肥後寿泰、明本光生、早野仁司
[2]. 逆コンプトン散乱による高輝度軟 X 線発生、 Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 30-Auguest 1, 2003, Tokai, Japan)、上山大輔、丑田 公規、浦川順治、柏木茂、黒田隆之助、長澤章雄、濱義昌、早野仁司、樋爪健太郎、鷲尾 方一
[3]. X-band リニアックを用いた小型硬 X 線源の高性能化―減速管導入ビームラインの設計 ―、Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 30-Auguest 1,
2003, Tokai, Japan)、今井貴之、上坂充、土橋克広、深沢篤、飯島北斗、坂本文人、えび 名風太郎、浦川順治、肥後寿泰、明本光生、早野仁司
[4]. X-band 熱カソード RF ガンにおけるビームローディング、Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 30-Auguest 1, 2003, Tokai, Japan)、深沢篤、 今井貴之、坂本文人、えび名風太郎、上坂充、土橋克広、飯島北斗、浦川順治、肥後寿泰、 明本光生、早野仁司、松尾健一、栄久晴
[5]. ATF における Cs-Te フォトカーソードによる電子ビーム生成、Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 30-Auguest 1, 2003, Tokai, Japan)、照沼信浩、 長谷川豪志、栗木雅夫、早野仁司、浦川順治、中西彊、奥見正治、酒井いずみ、高野幹男、 野村昌弘、平野耕一郎、山崎良雄、黒田隆之助、鷲尾方一
[6]. Multi-bunch beam generation by Photo-cathode RF gun, Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 30-Auguest 1, 2003, Tokai, Japan), M.Kuriki,
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの
K.Hirano, R.Kuroda, M.Matsuda, T.Nakanishi, M.Nomura, S.Okumi, I.Sakai, M.Takano, N.Terunuma, K.Hasegawa, H.Hayano, J.Urakawa, Y.Yamazaki, M.Washio and ATF collaboration
[7]. X バンド高周波電子銃の開発、Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 30-Auguest 1, 2003, Tokai, Japan)、松尾健一、山本顕義、栄久晴、山本昌志、 今井貴之、上坂充、土橋克広、山田聡、肥後寿泰、浦川順治
[8]. X バンドリニアックを用いた小型硬 X 線源の 50MW クライストロン用パルス電源、 Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 30-Auguest 1, 2003,
Tokai, Japan)、明本光生、浦川順治、早野仁司、肥後寿泰、土橋克広、飯島北斗、上坂充、 深沢篤、今井貴之
[9]. 医療用 X-band リニアックのための高分解能ビームモニターの研究、Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 30-Auguest 1, 2003, Tokai, Japan)、
坂本文人、今井貴之、飯島北斗、深沢篤、上田徹、渡部貴宏、上坂充、土橋克広、浦川順 治、肥後寿泰、明本光生、早野仁司
[10]. 逆コンプトン散乱による高フラックス X 線発生のためのレーザーパルス蓄積法の開 発、Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 30-Auguest 1,
2003, Tokai, Japan)、野村昌弘、平野耕一郎、高野幹男、酒井いずみ、本田洋介、山崎良 雄、浦川順治
[11]. RF 電子銃のビームトランスポート、The 14th Symposium on Accelerator Science and
Technology, Tsukuba, Japan, November 2003, 山崎良雄、平野耕一郎、野村昌弘、高野幹 男、武藤俊哉、荒木栄、栗木雅夫、照沼信浩、早野仁司、浦川順治
[12]. Multi-bunch generation by Photo-cathode RF gun, The 14th Symposium on
Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003, M.Kuriki, K.Hirano, R.Kuroda, M.Matsuda, T.Nakanishi, M.Nomura, S.Okumi, I.Sakai, M.Takano, N.Terunuma, K.Hasegawa. H.Hayano, J.Urakawa, Y.Yamazaki, M.Washi, and ATF collaboration
[13]. First Results of the Caesium Telluride Photo-Cathode for ATF RF-Gun, The 14th
Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003, N.Terunuma, M.Kuriki, H.Hayano, J.Urakawa, M.Nomura, K.Hirano, Y.Yamazaki, M.Takano, T.Nakanishi, S.Okumi, M.Washio, R.Kuroda
[14]. 小型硬 X 線源のための X バンドライナックにおけるビームローディング、The 14th
Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003、 深沢篤、土橋克広、飯島北斗、坂本文人、えび名風太郎、上坂充、浦川順治、肥後寿泰、 明本光生、早野仁司、松尾健一、栄久晴、山本昌志
[15]. マルチバンチフォトカソード RF 電子銃のテストベンチ、The 14th Symposium on
Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003、平野耕一郎、野 村昌弘、高野幹男、山崎良雄、武藤俊哉、荒木栄、照沼信浩、栗木雅夫、明本光生、早野
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの
仁司、浦川順治
[16]. X バンド線形加速器を用いた小型硬 X 線源―X バンドクライストロンエージングと 減速用ビームライン設計の状況―、The 14th Symposium on Accelerator Science and
Technology, Tsukuba, Japan, November 2003、土橋克広、上坂充、飯島北斗、今井貴之、 深沢篤、坂本文人、えび名風太郎、浦川順治、明本光生、肥後寿泰、早野仁司
[17]. X バンド高周波電子銃のカップラー設計、The 14th Symposium on Accelerator
Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003、徳永千恵子、山本昌志、石田 大典、松尾健一、山本顕義、栄久晴、今井貴之、深沢篤、上坂充、土橋克広、山田聡、肥 後寿泰、浦川順治 [18]. 動的血管造影用小型硬 X 線源の開発 III―X バンド RF 源試験の現状―、日本物理学 会２００３年秋季大会、土橋克広、明本光生、えび名風太郎、深沢篤、早野仁司、肥後寿 泰、飯島北斗、今井貴之、坂本文人、上坂充、浦川順治 [19]. 動的血管造影用小型硬 X 線源の高性能化―減速管導入ビームラインの設計―、日本 物理学会２００３年秋季大会、今井貴之、上坂充、飯島北斗、深沢篤、坂本文人、えび名 風太郎、土橋克広、浦川順治、肥後寿泰、明本光生、早野仁司 [20]. 経静脈血管造影用小型硬 X 線源の RF システム、日本原子力学会２００３年秋の大 会、上坂充、深沢篤、土橋克広、明本光生、肥後寿泰、浦川順治、早野仁司 [21]. 医療用 X-band リニアックにおけるエミッタンス測定用高分解能ビームモニター、日 本原子力学会２００３年秋の大会、坂本文人、今井貴之、飯島北斗、深沢篤、上田徹、渡 部貴宏、上坂充、土橋克広、浦川順治、肥後寿泰、明本光生、早野仁司 [22]. レーザーコンプトン散乱を用いた卓上軟Ｘ線源の開発、日本物理学会第５９回年次 大会、黒田隆之助、柏木茂、長澤章雄、上山大輔、樋爪健太郎、鷲尾方一、丑田公規、早 野仁司、浦川順治 [23]. フォトカソード RF 電子銃のバンチ圧縮、日本物理学会第５９回年次大会、平野耕一 郎、野村昌弘、高野幹男、山崎良雄、武藤俊哉、荒木栄、照沼信浩、栗木雅夫、明本光生、 早野仁司、浦川順治 [24]. 最先端加速器科学、第４６回放射線化学討論会、基調講演、浦川順治 [25]. “回折放射光による非破壊的ビーム診断”浦川順治、浜津良輔、武藤俊哉、物理学 会誌、５８巻弟８号、pp.611-615、２００３年 [26] “レーザーワイヤーモニターの開発”本田洋介、浦川順治、阪井寛志、笹尾登、物理 学会誌、５９巻弟１号、pp.19-25、２００４年
[27]. "Achievement of Ultra-low Emittance Beam in the ATF Damping Ring", Physical Review Letters, Vol.92, No.5, 054602-1 (2004), Y.Honda, K.Kubo et al.
[28]. "Polarimetry of Short-Pulse Gamma Rays Produced through Inverse Compton Scattering of Circularly Polarized Laser Beams", Physical Review Letters, Vol.91, No.16, 164801-1 (2003) , M.Fukuda, T. Aoki, K. Dobashi, T. Hirose, T. Iimura, Y. Kurihara, T. Okugi, T. Omori,I. Sakai, J. Urakawa, and M.Washio
事 業 課 題 小型硬X 線放射光源（レーザーアンジュレーター放射光源）の製作 開 発 項 目 高フラックス放射光源―レーザー蓄積装置に関するもの
damping ring operated in multibunch modes", PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS - ACCELERATORS AND BEAMS,VOLUME 6, 092802 (2003), Yosuke Honda, Noboru Sasao, Sakae Araki, Hitoshi Hayano, Yasuo Higashi, Kiyoshi Kubo, Toshiyuki Okugi, Takashi Taniguchi,Nobuhiro Terunuma, Junji Urakawa, Yoshio Yamazaki, Koichiro Hirano, Masahiro Nomura, Mikio Takano, and Hiroshi Sakai
[30]. "Production of high brightness γ rays through backscattering of laser photons on high-energy electrons", Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams, 6, 091001(2003), I.Sakai, T.Aoki, K.Dobashi, M.Fukuda, A.Higurashi, T.Hirose, T.Iimura, Y.Kurihara, T.Okugi, T.Omori, J.Urakawa, M.Washio, and K.Yokoya
[31]. “Electron beam cooling by laser”, to be published in Nucl. Instr. And Meth., J.Urakawa, K.Kubo, N.Terunuma, T.Taniguchi, Y.Yamazaki, K.Hirano, M.Nomura, I.Sakai, M.Takano, N.Sasao, Y.Honda, A.Noda, E.Bulyak, P.Gladkikh, A.Mytsykov, Z.Zelinsky, F.Zimmermann
[32]. “R&D Results on Laser-Compton photon beam generation”, to be published as a report of AIP Conference Proceedings in 2004 for International Symposium on Portable Synchrotron Light Sources and Advanced Application, Junji Urakawa, Mashahiro Nomura and Mikio Takano
