The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

阪大産研電子ライナックの現状
田川精一、加藤龍好、柏木茂、楊金峰、古澤孝弘、関修平、佐伯昭紀、山本保、末峰昌二、誉田義英、木村徳雄、吉田陽一、磯山悟朗
大阪大学産業科学研究所 〒567-0047 大阪府茨木市美穂ヶ丘 8-1

概要
阪大産研ではここ数年で、量子ビーム科学研究を行う組織、設備、施設の拡充整備が行われ、量子ビームによる研究を行う環境整備が進んでいる。量子ビーム科学研
究部門という研究組織と放射線実験所という研究支援組織で行ってきた量子ビーム科学関連の研究は量子ビーム科学研究部門とナノ量子ビーム科学部門の２研究部門と加速器量子ビーム実験室という支援組織の連携体制で行うこととなった。量子ビーム発生源、量子ビームを用いた測定系、量子ビームを用いた超微細加工設備などの量子ビーム関係の研究設備の充実も進行中である。また、空調、冷却水、クリーンルームなどの研究施設関連の設備の充実も進んだ。
産研における量子ビーム設備の全体像は常設のポス
ターで紹介するが、本稿では量子ビーム発生源の中の電子ライナック本体に絞って、平成 14 年度に行われた共同利用の状況､保守状況、平成 14 度から 15 年度にかけて行ってきているＬバンドライナックの改良と新たに設置が認められた、レーザーフォトカソードＲＦガンを備えた S バンドライナックについて概要を述べる。これらの整備により、量子ビーム科学の研究の飛躍とナノテクノロジー関連研究が更に進展することが期待されている。

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はじめに認められ、前年度から今年度にかけて装置の改良・製作を行ってきた。
放射線実験所が有していたＬバンド､Ｓバンドの２台の電子ライナック（以下、ライナックという）は、産業科学研究所附属産業科学ナノテクノロジーセンター加速器量子ビーム実験室の装置となり、現在、加速器量子ビーム実験室員により運転、保守・管理されている。ライ
ナックを用いた研究テーマも、ナノテクノロジー（広い意味での）関連研究が主となり、ナノ量子ビーム科学部
門、量子ビーム科学研究部門、加速器量子ビーム実験室が中心となって行っている。共同利用も歴史的な経緯も踏まえて行うことになっており、加速器量子ビーム実験室員と連携して行うことになる[1]。
平成 14 年度はナノテクノロジー関連の研究をより一層発展させる目的で､Ｌバンド電子ライナックの改良や新しいライナックの設置が認められ､ライナックの高性能化が行われた。このため、平成 14 年度はＬバンド電子ライナックを用いた共同利用は前半で終了し、その後は装置の建設に伴う作業を行った。Ｓバンド電子ライナックも現在設置されている部屋に、新たにＲＦガン付Ｓバンドライナックを設置する都合上、Ｌバンド電子ライナックと同様、前半で運転を停止し、後半はクライストロンの移動や新たなライナックの設置作業に入った。
以下では２台のライナックの現状報告と､Ｌバンドライナックにおける改造の概要､新たに設置されたレーザーフォトカソードＲＦガンを備えたＳバンドライナックについて紹介する。

阪大産研ではここ数年で、量子ビーム科学研究を行う組織、設備、施設の拡充整備が進み、量子ビームによる2 電子ライナックの状況研究を行う環境整備が進んでいる。
平成 14 年度に放射線実験所と高次インターマテリアル
研究センターは発展的に解消して、新たに産業科学研究
2.1 Ｌバンド電子ライナック
所附属産業科学ナノテクノロジーセンターが設置された。
Ｌバンドライナックには電子ビームのパルス幅により、これまで２台の電子ライナックとコバルト６０線源など定常モード、過度モード、シングルバンチモードの３つを維持管理してきた研究支援組織の放射線実験所は､産業の運転モードがあり、実験に対し適当なモードを選ぶこ
科学ナノテクノロジーセンターのナノ量子ビーム科学部とができるようになっているが、過度モード、シングル門（３分野構成）という研究部門となった。加速器の維バンチモードでの利用が主である。
持管理はナノ量子ビーム科学部門（２分野）と量子ビー装置改造前の平成 13 年度におけるＬバンドライナック
ム科学研究部門（３分野）の２部門の全職員と他の２研の年間運転時間は、約2300 時間であり、パルスラジオリ究部門の２分野からの応援を得て、加速器量子ビーム実シスを用いた研究、極超短時間パルスビームの生成、及験室という組織で行うこととなった。
びＦＥＬ等放射光の研究に利用された。ナノ秒からピコ量子ビーム発生源、量子ビームを用いた測定系、量子秒にかけてのパルスラジオリシスに関する年間共同利用
ビームを用いた超微細加工設備などの量子ビーム関係の件数は、32 件中、25 件有り、主な利用方法となっていた。
研究設備や空調、冷却水、クリーンルームなどの研究施中でも極超短パルスビーム生成に関しては、磁気パルス設関連の設備の充実もここ数年で大きく進んだ。量子圧縮や時間補正システムの導入により、時間分解能がサビーム発生源としては加速器、電子線露光装置、収束イブピコ秒域でのパルスラジオリシス実験が可能となり、オンビーム、陽電子源、レーザーなどの整備が進んでいこれを用いた放射線化学初期過程に関する実験も行われる。特に、加速器ではＬバンド電子ライナックの高性能るようになった。しかし、電子ビームの時間的再現性に化やＲＦ電子銃を持つＳバンド電子ライナックの設置がThe 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

限界があり、これ以上の分解能を得るには電子ライナッ
め、これまで用いてきた 20 MW と 5 MW の 2 台のクライクの性能向上が必要であった。平成 14 年度には前述したストロン装置を廃し、新たに導入された 30 MW クライス
ように、Ｌバンドライナックの性能向上のための改造がトロンと高安定なパルスモジュレータにＲＦ源を１本化認められた。このため、平成 14 年度は前期のみ共同利用した。これに伴い、ＲＦ電力伝送路に、バンチャー系(PB,が行われ、後期からは装置の改造に着手した。このため、 B)へＲＦ電力を分岐・制御するための電力分割器と可変
平成 14 年度に共同利用に供された運転時間は 1500 時間減衰器を追加した。また、これまでサブハーモニックバ程度であり、共同利用件数は 25 件であった。
ンチャー（SHB）は、電源から供給されるＲＦ電力のパ保守については､定期的な作業を月に 2 日程度行い、夏ルス長が短いため、空洞内の加速電場が安定な領域で使季には長期の保守を行ってきた。長期の保守期間中には、 用することができなかったため、この SHB 電源を長パル
ライナック全体の整備点検と劣化した個所の交換（電子ス電力が供給できるものに更新した。さらに、これらＲ銃陰極等）と立ち上げ作業を行ってきている。
Ｆ電力を受ける加速空洞に温度安定度±0.03 ℃という高安定な冷却水を供給できる新しい冷却水システムを導入
2.2 Ｓバンド電子ライナックした。また、これら更新機器を統括制御するために、産業分野で実績のあるプログラマブル・ロジック・コント
Ｓバンドライナックの年間運転時間は､平成 13 年度はローラ(PLC)を主体とした計算機制御システムを一部に導約 1100 時間であり、平成 14 年度は後述するように、Ｒ入した。また電磁石電源類やプリバンチャー系の可変減Ｆ電子銃付Ｓバンドライナックの設置工事があったこと、衰器と位相器、計算機制御システムと同じ PLC をベース及び故障により、約 250 時間であった。Ｓバンド電子ラにしたライナック施設の安全系インターロックシステム
イナックは、これまで運転時間の殆どが低速陽電子の発などを更新した。
生に利用されてきた｡
Ｓバンド電子ライナックで生成される陽電子ビームは、
4 レーザーフォトカソードＲＦ電子銃を電子ビームと同様に、パルス幅約 2μｓ、繰返し 30 Ｈｚのパルスビームであるが、陽電子ビームの主たる利用が用いたＳバンド電子ライナック
陽電子寿命測定であるため、一度蓄積した後再びパルス化し短パルスビームを得ている。このときの仕様は、時4.1 はじめに間分解能約 290 ps、係数率は約 1000 である。このパルス
パルスラジオリシスにおける時間分解能の向上と利用陽電子ビームを用いて、ポリスチレン誘導体薄膜でのポ実験の拡大を目指してレーザーフォトカソードＲＦ電子ジトロニウム消滅過程に関する研究や、ＬＢ膜の構造評銃と新しい S バンドライナックを導入した。クライスト
価など、主として高分子材料における自由体積に関するロンはこれまでと同じ PV3035（三菱電機）で、ＲＦ電力研究に利用されてきている。
保守に関連しては、毎年数箇所の故障が生じているが、 伝送路も一部従来の S バンドライナックと共用しており、運転はこれまで陽電子発生用に利用されてきたＳバンド
Ｌバンド電子ライナックと違い、共同利用が限られていライナックと、利用時に切り替えて行う。新たに設置しるため、定期的な保守作業は行わずに、故障の都度修理た S バンドライナックを図 2 に示す。
し、実験を行ってきている。
レーザーフォトカソードＲＦ電子銃から発生した低エミッタンス電子線パルスをＲＦ電子銃下流に設置された
3
L バンド電子ライナックの高性能化
ライナックのＲＦ位相を調整することによってエネル
産業科学ナノテクノロジーセンターにおけるナノテクギーモジュレーション化し、最後に磁気パルス圧縮法をノロジー関連の研究を推進するために、L バンドライ用いてフェムト秒までパルス圧縮する。本装置では､従来ナックを改修する予算が認められ、高性能化のための改の L-バンドライナックを比べ、本システムでは電子線パ造が行われた。Ｌバンドライナックのブロック図を図 1
ルス長が数十フェムト秒までに圧縮でき、低エミッタンに示す。改造の主な目的は、フェムト秒の時間領域で起スのため高輝度になるため、高 S/N 光吸収分光の実現がきる超高速現象を解明するためにライナックの動作を高期待できる。またパルスラジオリシスの性能向上のため度に安定化し、高い精度で再現することである。そのたに、電子線パルスの発生、加速および圧縮を高精度で制108 MHz

EGSHB∆t～5ns216 MHz

SHBSHB∆t～3.5ns ∆t～2ns
図11.3 GHz

PB

B

∆t～0.5ns

Ｌバンドライナックのブロック図

1.3 GHz

Accel. Tube∆t～20ps(～90 nC)

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図2

レーザーフォトカソードＲＦ電子銃を用いたフェムト秒ライナックとパルスラジオリシス御する必要がある。このため高速 PLC を用いた制御システムを導入した。また、冷却水システムとクライストロンシステムを安定化するための改善も行った。

4.4

パルス圧縮部

電子パルス圧縮は、45°偏向磁石 2 台と四極電磁石 4台と構成された磁気パルス圧縮システムを用いて行われ
4.2 電子銃部ている（図 2）。これまで磁気パルス圧縮法を用いて L-バ
電子銃には住友重機械製の BNL－GunVI タイプのレーンドライナックから発生した電子パルス圧縮実験を行っザーフォトカソードを用いている。この加速空洞は S-バ
た結果では、-バンドライナックから発生したエネルギーンドの 1.6 セルと採用され、電子発生用のフォトカソー
19.1 MeV、規格化エミッタンス 100 mm-mrad、パルス幅ドの材質は無酸素銅である。フォトカソードの光源とし6.6 ps の電子パルスを 850 fs が得られているが[2]､本シスては、全固体ピコ秒レーザーを用いた。本ＲＦ電子銃でテムでは、レーザーフォトカソードＲＦ電子銃を利用しは、レーザー入射角度 70°の入射ポートが取り付けられているため、L-バンドライナックに比べてビームのエているが、レーザー光をそのままに入射するとカソードミッタスが 1/100 まで改善でき、シミュレーション結果面でのレーザー光形状が楕円になり、発生した電子ビーからは電子パルスの圧縮を数十フェムト秒まで可能であムの形状も楕円になり、エミッタンス増大の原因になる。 ることが示された。
そのエミッタンス増大を避けるために、本システムではＲＦ電子銃下流の真空チェンバーに光反射用のプリズム5 まとめを設置し、図 2 に示すようなカソード面に対して垂直の平成 14 年度はＬバンドライナックの高性能化が認めらレーザー照射方法を採用した。
れ､冷却水や電源部等が高性能のものに更新された。これによりパルス安定度が改善され､データの収集に大きく寄4.3 加速管部与するものと期待される。また、新たにレーザーフォト加速管は三菱重工製の長さ 2 ｍの S バンド進行波型をカソードＲＦガンを備えたＳバンドライナックも設置さ採用した。加速管とＲＦ電子銃には、同一クライストロれ､これまで以上の超高速反応過程も研究できる環境とンから 2 分配されたＲＦがそれぞれ供給される。加速管なった。これらを用いた利用研究は本年度から行われるとＲＦ電子銃に供給されるＲＦピークパワーはそれぞれ予定であり､多くの成果が得られるものと期待される。
25 MW と 10 MW であり、ＲＦパルス幅は 4 µs となっている。運転繰り返しは 10 Hz である。電子加速エネル
参考文献
ギーは最大 20 MeV である。ＲＦの位相調整は、ハイパワーＲＦ伝送ラインに取り付けたフェーズシフターを用[1] Y. Yoshida, et al.,
“阪大産研 L バンド及びＳバンド
thいて行う。そのＲＦ位相調整により電子パルスがエネル
ラ イ ナ ッ ク の 現 状 ”, Proceedings of the 27 Linear
ギーモジュレーション化される。電子ビームを安定化さ
Accelerator Meeting in Japan, Kyoto, Aug. 7-9, 2002.
せるためには、クライストロンのＲＦ出力を安定化する[2] T. Kozawa, Y. Mizutani, K. Yokoyama, S. Okuda, Y.
必要がある。そのため、本クライストロンのパルス電源
Yoshida and S. Tagawa, “Measurement of Far-Infraredには、PFN を 10 段にし、充電電源を安定化させることに
Subpicosecond Coherent Radiation for Pulse Radiolysis”,
より出力パルス電圧の安定度を 0.2 ％以内に抑えた。
Nucl. Instrum. Meth., A429 (1999) 471-475.