日本物理学会第６４回年次大会ビーム物理シンポジウム

２００９年３月２９日

日本物理学会第６４回年次大会ビーム物理シンポジウム
2009年3月29日

５０ｋＷクラシカルマイクロトロンの開発と産業利用
Development of 50 kW output microtron for industrial application
長谷川大祐、山田廣成
D. Hasegawa, H. Yamada（株）光子発生技術研究所
Photon Production Lab. co.

５０ｋＷクラシカルマイクロトロンの開発と産業利用

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みらくるシリーズ

２００９年３月２９日

2003年稼動

入射器はマイクロトロン
2006年稼動

６〜１０ＭｅＶ
外径６５ｃｍ〜２０ＭｅＶ
外径１．３ｍMIRRORCLE 6X (6FIR)
遠赤外線（テラヘルツ光）
による分析利用
２００８年開発完了

MIRRORCL 20SXMIRRORCLE CV4

X線分析利用
EUVリソグラフ

５０ｋＷクラシカルマイクロトロンの開発と産業利用

１〜４ＭｅＶ
外径３０ｃｍ

X線イメージング利用

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マイクロトロンの内部
電子ビーム取出し管

電子銃
（内蔵型）

電子軌道
加速空洞
電子は一様磁場中を周回し、加速空洞で加速、所定のエネルギーに達すると取り出される。
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高品質電子ビーム発生装置
マイクロトロン

６５ｃｍ

３０ｃｍ
マイクロトロン
マイクロトロン
６〜１０ＭｅＶタイプ
６〜１０ＭｅＶタイプ
２０ｃｍ
２０ｃｍ

１３０ｃｍ
マイクロトロン
マイクロトロン
４ＭｅＶタイプ
４ＭｅＶタイプ

マイクロトロン
マイクロトロン
１ＭｅＶタイプ
１ＭｅＶタイプ

５０ｋＷクラシカルマイクロトロンの開発と産業利用

マイクロトロン
マイクロトロン
２０ＭｅＶタイプ
２０ＭｅＶタイプ4

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マイクロトロンの周回条件
各ターンでの電子の周回周期を加速高周波の周期の整数倍にする。
Tn = 2πmn/eB0 , Tn = nTrf

nターン目
電子軌道

2πmn/eB0 = nTrf

周回周期Tnここで、 Tn: nターン目の電子の周期
Trf: 加速高周波の周期
mn: nターン目の電子の質量
B0: 主磁場（一定）mn = n∆m（∆m = ∆E/c2）

Trf = 2π∆m/eB0５０ｋＷクラシカルマイクロトロンの開発と産業利用

電子バンチ

高周波
周期Trf
加速空洞

実際には、単一空洞を用いるため１回に加速できるエネルギーは０．５１１ＭｅＶ（電子の静止エネルギー）またはその２倍の１ＭｅＶ。

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エネルギー選別機能
電子は磁場中を周回し, 加速空洞を通過する毎に∆E = eV sinφ で加速。
φは高周波の位相。同期位相をφsとすると∆Es = eV sinφs となる。

同期位相から外れた電子も同期電子のエネルギーからかけ離れず加速される。

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6日本物理学会第６４回年次大会ビーム物理シンポジウム

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電子銃の電子引き出しの条件
電子銃のカソードは単結晶ＬａＢ６, 直径φ３ｍｍ, 長さ５ｍｍ,εn, RMS = r/2(kT/mc2)1/2 から
T = 1800 K, εn, RMS = 0.41 πmm･mrad

熱電子の放出電流密度Richardson-Dushmanの式

jth = AT2 exp(-φ / kT) から
φ = 2.6 eV, jth = 15.3 A/cm2, Ie = 1.1 A, (A = 120)

空間電荷制限電流密度Child-Langmuirの式

jsc= 2.33x10-6 (V3/2/d2)から

d = 2.5 cm, jth = 15.3 A/cm2, V = 120 kV

V = 1 MV, jsc = 373 A/cm2

５０ｋＷクラシカルマイクロトロンの開発と産業利用

実際には、ΔＥ＝１ＭｅＶ十分な集束力と引き出し電流低エミッタンス

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従来の電子銃との構成の比較
従来の電子銃

1MeVマイクロトロン型電子銃

ハイブリッド加速器マイクロトロンの方がはるかに小型で簡素、低廉化が可能。

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マイクロトロンの特長
加速空洞に電子銃を内蔵
１ＭＶで電子を引き出す

高輝度

磁場で周回しながら加速
ハイブリッドな加速器

小型化

プリバンチャ・加速管・α磁石をひとまとめ

１ＭｅＶの電流は５００ｍＡ
４ＭｅＶで１５０ｍＡに減衰、２０ＭｅＶで１５０ｍＡ
エネルギー分散は１％以下

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エミッタンス測定結果（四極磁石掃引法）、６ＭｅＶマイクロトロン、１００ｍＡ、２０Ｈｚ
Square beam size for Focusing force

Square beam size for Focusing force

12.0

3.0
2

y = 1.7491x - 10.616x + 16.368

2.5

2y = 7.1955x - 48.342x + 82.502

8.0

Square beam size

Square beam size

10.0

6.0
4.0
2.0

2.0
1.5
1.0
0.5

0.0

0.0

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

1.5

2.0

2.5

Focusing force

横方向：
a = 7.196
b = -48.34
c = 82.50

a = 7.196
b = 3.359
c = 82.50

εy = 29.0 mm･mrad

５０ｋＷクラシカルマイクロトロンの開発と産業利用

3.0

3.5

4.0

4.5

Focusing force縦方向：
a = 1.7491
b = -10.616
c = 16.37

a = 1.749
b = 3.035
c = 0.260

εy = 6.4 mm･mrad

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産業・医療分野への利用
重構造物の高精度Ｘ線非破壊検査装置
高エネルギー・低エネルギー分散
焦点サイズ１ｍｍ以下
ハイブリッド電子銃
電子線照射装置
小型・高輝度勿論、みらくるの入射器として５０ｋＷクラシカルマイクロトロンの開発と産業利用

11日本物理学会第６４回年次大会ビーム物理シンポジウム

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重量構造物高精度非破壊検査装置
加速周波数２，８５６ＭＨｚ（弊社比較）・ライナック
６０ｍＡ/ｐｕｌｓｅ
１００ｃｍ・マイクロトロン
１５０ｍＡ/ｐｕｌｓｅ
７０ｃｍ

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装置構成比較

３０ｃｍ

本体以外は高周波源とＤＣ電源のみ。

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電子銃に高電圧のグリッドパルサ電源が必要。
グリッドパルサが不要

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滅菌・殺菌向け
電子線照射装置
６５ｃｍ
１ｍ？ｍ

１０ＭｅＶ
出力５０ｋＷ３ｍ

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５０ｋＷマイクロトロン
基本仕様

６５ｃｍ

加速エネルギー

１０ＭｅＶ

ビーム電流

１５０ｍＡ（パルス）

パルス幅

６ｕｓ

繰り返し数

５，０００ｐｐｓ

平均ビーム電流４ｍＡ

平均ビームパワー

４０ｋＷ（将来５０ｋＷ）

磁石寸法

直径６５ｃｍ加速周波数２，８５６ＭＨｚ

クライストロン出力 ３ＭＷ（最大５ＭＷ）
クライストロン平均 ６０ｋＷ
出力（将来１００ｋＷ化）
クライストロン変換 ６０％以上
効率

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所要電源容量２００ｋＶＡ以下

変換効率４０％以上

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タンデム配置の電子線照射ライン
１０ＭｅＶマイクロトロンを必要に応じ追加
偏向磁石

１０ＭｅＶマイクロトロン

スキャニングホーン

照射室

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16日本物理学会第６４回年次大会ビーム物理シンポジウム

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マイクロトロンの利用分野
みらくるの入射器としてではなく重構造物の高精度Ｘ線非破壊検査装置
ハイブリッド電子銃
滅菌・殺菌用電子線照射装置
加速器に対する産業界のニーズは小型化だけでなく、更に高品質・高性能へと移っています。
弊社のマイクロトロンはこのニーズに充分応えられる性能を持っており、展開が期待されます。

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