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

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
深澤篤 A)、土橋克広 B)、飯島北斗 A)、坂本文人 A)、鮱名

風太郎 A)、上坂浦川順治 C)、肥後泰寿 C)、明本

光生 C)、早野

仁司 C)、松尾A)

健一 D)、栄久晴 D)、山本充 A)、昌志 E)

東京大学大学院工学系研究科附属原子力工学研究施設〒319-1188 茨城県那珂郡東海村白方白根 2-22B)
C)D)

放射線医学総合研究所 〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

高エネルギー加速器研究機構 〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

石川島播磨重工業株式会社E)〒235-8501 神奈川県横浜市磯子区新中原町 1

国立秋田工業高等専門学校 〒011-0923 秋田県秋田市飯島文京町 1-1

概要血管造影等の医療・生命科学応用を目的とした小型硬 X線源のための X バンド加速器におけるビームローディングについて計算を行った。加速器は熱カソード RF ガンと加速管により構成されている。RF ガンにおいてはビームローディングの影響は 0.14MV 加速エネルギーが低下するが、加速管では先頭のバンチが後のバンチより最大 2.9MV大きなエネルギーとなるため、ビーム輸送中の損失によるノイズ放射線源になるとして懸念されることが分かった。

1

はじめに文部科学省のプロジェクト｢先進小型加速器開発｣において、小型硬 X 線源の開発を行っている。これはレーザーと電子ビームの衝突により硬 X 線を発生する装置で、電子加速器に X バンド加速器を選ぶことで装置の小型化を図っている。この装置は血管造影を目標として掲げており、33keV 以上の X 線を発生させ、ヨウ素の K 端を利用することで高コントラスト像を得る。また、医療応用のほかにも、タンパク質の構造解析など生命科学応用にも用いられることが期待されている。
加速器は熱カソード RF ガンと加速管から構成され、一台の 50MW、1µs のクライストロンにより駆動され、それぞれ 10MW、40MW のパワーが供給される。電子銃に熱カソード RF ガンを採用しているため、ビームはマルチバンチとなり、そのマイクロバンチの間隔は入力される RF の周期の 88ps である。したがって、マルチバンチとしての影響が心配されるが、ここではビームローディングに関して計算を行った。

2

3.RF ガン内のビームローディング

2.1

3.5 セル熱カソード RF ガン

ビームは 3.5 セル熱カソード RF ガン(図１)で発生させられる。RF は同軸カプラにより対称性よく入力され [1][2]、加速モードはπモードである。カソードはタングステンで、直径は 3mm である。このキャビティの SUPERFISH による解析の結果を表１にまとめる。

25mm
3mm

Thermionic Cathode
0.7A

0.3A

45mm
図１．X-band3.5 セル熱カソード RF ガンキャビティ
表１．RF ガンキャビティの特性
11.424 GHz共振周波数
Transit Time Factor
0.703
2.46 MΩ
シャントインピーダンス9350
Q値
Wake Loss Paramete
4.72 V/pC

2.2

RF ガン内のビームローディングの計算

RF ガ ン 内 で の ビ ー ム の 振 舞 い を 解 析 す る た め にPARMERA を用いた。また、ビームローディングに関しては、[3]を参考に導いた。カソード電流密度を 20A/cm2 とし、加速位相時のみ流れることを考慮すると、ビーム電流は0.71A となる。入力 RF パワーは 6MW(パルス幅 1.0µs)、導波管との結合度は充填時間を短くするために 2.0 とした(充填時間 87ns)。このとき、カソード上の電界強度はビームローディングがない場合、156MV/m になる。
計算手順は、ビーム電流がキャビティ内の電界強度によって変化するので、あらかじめカソード上でのいくつかの電界強度に対応する電場に対するビームの運動をPARMELA で計算しておく。そして、１バンチ毎に入力される RF、ビームローディングを計算し、次のバンチの電荷量を決定するキャビティ内の電界強度に反映させるということを繰り返すした。
図２にカソードにかかる電界強度と RF ガンからの出力電荷量の関係を示す。カソードに 30MV/m 以上印加されるようなパワーを入力しないと、RF ガンからは電子は出てこない。また、130MV/m 以降では RF ガンから出力されるミクロバンチの電荷量の時間変化を図３に、RF ガンキャ

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ビティ内のビームローディングの様子を図４に示す。ミクロバンチの電荷量は RF が充填されていくに従って増えていき、200ns 程度でほぼ一定になる。ビームローディングもほぼ同様の振舞いを見せ、その効果は安定時の加速電圧をわずかに下げている。

2.3

マイクロバンチ

安定時のマイクロバンチについて、バンチ波形及びエネルギー分布を図５、図６にそれぞれ示す。電荷の多くは先頭に集まっており、エネルギーも先頭のものが高くなっていて最大 3.4MeV となっている。また一周期位相がずれて加速されている電子も見ることができる。
我々のシステムではガンを出た後にαマグネットにて、エネルギー分別を行う。これは、エネルギーがあまりに異なる電子は、ビーム輸送の最中に結局ロスしてしまい、しかも、ノイズ源となってしまうため、ここで余分な電子はあらかじめ落としておくのである。ここでは、3-3.5MeV のものを通過させるとすると、α磁石を通過して加速管に到達できる電荷量は図３に示すとおり 31pC から 18pC に減少し、透過率は 58%である。また、その部分のみのビームパラメータは表２にまとめる。電荷量は 18pC と目標の 20pC間ではやや足りない。また、バンチ長が 6.3ps となっているので、加速管内でのエネルギー広がりを抑制するために、αマグネットでのバンチ圧縮も必要である。

図２．カソード電界と RF ガン出力電荷量

図５．RF ガンからのマイクロバンチの波形
図３．RF ガン出力・加速管入力電荷量の時間変化

図６．マイクロバンチのエネルギー分布
図４．RF ガン内の加速電圧の時間変化

表２．マイクロバンチの 3-3.5MeV の範囲の粒子のパラメータ
電荷量18 pC
エミッタンス(rms)
6.2 πmm.mrad
バンチ長(全幅)
6.3 psThe 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

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加速管内のビームローディング

加速管は高エネルギー加速器研究機構で進められているリニアコライダーの技術を応用して設計されている[4][5]。主なパラメータを表３にまとめる。
入力 RF パワーは 40MW(パルス幅 1µs)、ビームは図２に示すような電荷量が入力されるものとする。ビームローデ
ィングを考慮しない場合には、加速電界は 59MV/m に達する。この加速管は定勾配型として設計されているが、計算を簡単にするため代表的なパラメータを用いて定インピーダンス型として計算する。
その結果が図７である。入力される RF から得られる加速電圧は 41MV であるが、ビームローディングにより2.9MV 低下し、結局加速電圧は 37MV となる。ビームが入り始めるのは、加速管が充填されるのとほぼ同時である。
ビームの先頭の 100ns 程度では、まだビームローディングが増加している最中なので、後のものより高いエネルギーを得ている。我々の設計ではこの後９０度曲げコンプトン散乱実験を行うのであるが、これらの粒子は途中でビームパイプに衝突するなどして強力なノイズ放射線源となってしまう。したがって、このような設計とは異なったエネルギーのバンチが生まれないように RF を整形することでバンチのエネルギーをそろえる必要がある。また 33keV の硬 X 線を発生させるためには、波長が 1µm のレーザーに対して電子のエネルギーは最低 43MeV はなくてはならない。しかし、ガンと加速管をあわせても加速電圧は 41MVしか得ることができない。入力 RF パワーを増やすと加速管内の電界強度が上がり、放電を起こしやすくなってしまうので、進行波加速管を長くすることで対応できないか検討中である。
表３．加速管の主なパラメータ
基本周波数11.424 GHz
加速モード
2π/3 モード
加速管長70 cm
シャント抵抗(平均)94 MΩ/m
減衰定数τ
0.50
充填時間
94 ns

図７．加速管内でのビームローディング

4まとめ

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について計算を行った。RF ガン内においてはビームローディングは 0.14MV の加速エネルギーの低下をもたらし、加速管内においてはビームの先頭のバンチが最大 2.9MV 過加速を受けることが分かった。今後は熱カソードの逆流電子による加熱を考慮に入れた計算を行っていく予定である。

参考文献[1] K. Matsuo, et al., In the Proceedings of the 28th Linear
Accelerator Meeting in Japan, 197 (2003)[2] K. B. Kiewiet, et al., In the Proceedings of EPAC 2000,Vienna, Austria, 1660 (2000)[3] P. B. Wilson, SLAC Technical Report, SLAC-PUB-2884(1982)[4] H. Sakae, In the Proceedings of the 27th Linear Accelerator
Meeting in Japan, 175 (2002)[5] N. Toge, et al., In the Proceedings of the 26th Linear
Accelerator Meeting in Japan, 46 (2001)