平成２２年度成果報告書

委託業務成果報告書
量子ビーム基盤技術開発プログラム「超伝導加速による次世代小型高輝度光子ビーム源の開発」

平成２３年８月１５日

高エネルギー加速器研究機構
量子ビーム次世代ビーム技術開発グループ編集

本報告書は、文部科学省の科学技術試験研究委託事業による委託業務として、高エネルギー加速器研究機構が幹事機関として実施した平成２２年度「超伝導加速による次世代小型高輝度
光子ビーム源の開発」の成果を取りまとめたものです。参画機
関の成果も含みます。

目次

１． 委託事業の目的…………………………………………………………………………………………1

２． 平成２２年度の事業計画… ……………………………………………………………………………1

３． 実施体制と役割分担… …………………………………………………………………………………5

４． 委員会 ・ 会議 ・ 打合せ ・ 研究会………………………………………………………………………7

５． 平成２２年度研究成果報告
A． 新フォトカソード開発 東大、 上坂研…………………………………………………………… 10
新フォトカソード : 可視光カソード試運転
B． カソード、 RF Gun 開発 広大、 栗木研……………………………………………………… 18
大強度高品質電子源開発
C． 高圧 DC Gun 開発と入射部超伝導空洞開発
日立ハイテクノロジーズ、 小瀬グループ、 原機構、 羽島グループ
C-1. 直流高電圧要素開発……………………………………………………………………… 25
C-2. 直流高圧電子源の開発…………………………………………………………………… 34
C-3. 直流高圧電子源と組み合わせて使用する CW 超伝導加速空洞の研究開発… ……… 44
D． パルスレーザー蓄積装置開発 広大、 高橋研………………………………………………… 50
パルスレーザー蓄積装置開発
E． パルス超伝導空洞開発 KEK、 早野グループ………………………………………………… 56
パルス超伝導空洞の開発
F． CW 超伝導空洞開発 KEK、 古屋グループ…………………………………………………… 66
CW 超伝導加速空洞技術の開発
G． 高周波超伝導空洞用入力カプラーの開発 東大、 中村研…………………………………… 78
H． 小型 1.3GHz 高周波源開発 KEK、 福田グループ… ………………………………………… 91
I． X 線検出装置の実用化開発 KEK、 幅グループ……………………………………………… 96
X 線検出装置の実用化開発
J． X 線測定および利用研究 早稲田、 鷲尾研……………………………………………………100
X 線測定および利用研究

K． 電子ビーム ・ レーザー衝突技術の開発 （システム統合化） とプロジェクトの総合的推進 KEK、 照沼グループ、 浦川グループ… ……………………109

６． 学会誌 ・ 雑誌等における論文掲載… ………………………………………………………………121

７． Acknowledgments… …………………………………………………………………………………138

１．委託業務の目的
超伝導高周波加速器技術とレーザーパルス蓄積技術の融合によって、ポスト
ゲノム時代の生命科学研究、ナノ構造解析、創薬、医療診断、マイクロリソグ
ラフィへの利用を画期的に飛躍させる軟Ｘ線 から硬Ｘ線領域の小型高輝度Ｘ線発生装置（10m × 6m 程度）を実現する。本装置実現のために、高品質大強度電子ビーム生成装置、大強度・高電界超伝導高周波加速装置、高品質短パル
ス大強度レーザー蓄積装置、ミクロン精度での電子ビーム軌道制御技術及び、
レーザー光路精密調整といった技術の実用化を図る。よって、超伝導高周波加速器技術を使った5 nm～0.025 nm 波長領域の小型高輝度Ｘ線発生装置の開発とその実用化に必要な基幹技術の確立を行うことを目的とする。
2009年度から以上の目的に大強度安定化に必要な次の技術開発を加える。500～750kV数十mAの高電圧DC電子源開発、高性能光L-band RF Gun開発、小型高信
頼性L-band高周波源開発および３次元４枚ミラーリング光蓄積装置開発を行う。
これにより、生成するＸ線輝度を100倍以上高くすると同時に、レーザー光の偏光を高速で制御することによってのみ可能な世界でも特筆すべき高速可変偏光
小型軟Ｘ線源を実現し、「軟Ｘ線領域における円二色性光源」として実用化を図る。
このため、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構、国立大学法人東京大学、独立行政法人日本原子力研究開発機構、国立大学法人広島大学、
学校法人早稲田大学、東芝電子管デバイス株式会社及び株式会社日立ハイテク
ノロジーズと共同で業務を行う。
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構では、超伝導加速空洞開発および小型高輝度光子ビーム源装置に関するシステム統合化研究開発を実施する。

２．平成２２年度の事業計画
A. 新フォトカソード開発
高周波電子銃で動作できる高効率高寿命カソード開発のために、本年度はカートリッジ交換システムの開発を行う。カートリッジ交換システムは酸素や水分に弱いカソードを高真空内で交換できる機構である。可視光で駆動可能なアンチモンを用いたマルチアルカリカソードの設計と試作を行い、効率並びに寿命を詳細に検討する。
B. 大強度高品質電子源の開発
ＫＥＫ、原子力機構、東大、阪大などと共同で大強度高品質電子源の開発に取り組む。広島大学では極高真空によるカソード評価装置を構築し、多くのサンプルについて表面処理や活性化の条件などによる陰極の系統的な研究を行う。
また、RF 電子銃による大強度高品質電子ビーム発生のため、既存の RF 電子銃の長パルス化に取り組むとともに、その研究をもとに長パルス運転のための RF 電子銃空洞の最適化設計を行う。

1

C. 高圧 DC Gun 開発と入射部超伝導空洞開発
C-1. 直流高電圧要素開発（高電圧試験装置の設計と製作）
750kV 印加可能な電子銃の実現に必要な要素技術として、耐電圧および暗電流特性に優れた電極、セラミックの研究開発に着手する。今年度は、高電圧試験
装置の設計と製作を行う。
C-2. 直流高圧電子源のための高電圧発生装置の開発
前年度までの業務で製作した装置を用いて、光陰極表面の洗浄・活性化試験、引き続いて電子ビーム発生試験を進める。光陰極の長寿命化に必要な真空排気系の増強を行う。
C-3. 直流高圧電子源と組み合わせて使用する CW 超伝導加速空洞の研究開発
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構と連携して、直流高圧電子源と組み合わせて使用するCW超伝導加速空洞の開発を進め、前年までに試作した空洞の性能試験を行い、CW型超伝導加速空洞モジュールの製作に必要な知見を得る。
D. レーザー蓄積装置の開発
2009 年に引き続き、ＫＥＫにおける光子ビーム生成のためのレーザー蓄積装置の設計を継続する。また、同装置のための、リング型蓄積装置を念頭においたデジタルフィードバックシステムの研究を推進する。
E. パルス超伝導加速空洞技術の開発
パルス運転用超伝導加速空洞製作技術を高度化するために、表面処理条件を工夫した超伝導空洞を試作して、その性能測定を系統的に行うことによって、高性能超伝導空洞製作が行える条件を調べる。2009年度も超伝導加速空洞製作に関する表面処理方法の有用な知見を得たので、製作コスト削減に向けた空洞製作を行う。2010年度に2空洞の性能を確認して超伝導加速システムを完成さる計画であるが、その性能試験を電子ビーム加速によって行える環境を整備する。
また、製作コスト削減方法の検討資料を作成する。
F. CW超伝導加速空洞技術の開発
CW超伝導加速空洞製作技術を高度化するために、CW運転に合わせた条件で超伝導空洞を試作して、その性能測定を系統的に行うことによって、高性能超伝
導空洞製作が行える条件を調べる。この空洞製作技術の系統的な開発研究を
2009年から2011年まで行うことによって、CW超伝導加速空洞の製品化の見通しを得るのが目的であるが、2010年度は超伝導空洞モジュールの試作に向けて具体的な検討を行う。また、日本原子力研究開発機構と連携して試作した直流高圧電子源と組み合わせて使用するCW超伝導加速空洞の空洞試験の準備を整える。
G. 高周波超伝導空洞用入力カプラーのためのセラミック窓の開発
高周波超伝導空洞用入力カプラーにおけるセラミック窓は、超伝導空洞内の超高真空と大気とを分けることはもちろんのこと、超伝導空洞内の性能を劣化させる粉塵混入の抑制や機械的にカプラー本体を支える役目として非常に重要なコンポーネントの一つであるが、大電力パワー投入下ではセラミック窓からの発熱や劣化などが問題となる。特に極低温下の超伝導空洞への入熱を抑え、なおかつ安定に電力を供給することが入力カプラーの開発としては必須である。本年度の主な目標は、大電力パワー入力状態においてセラミック窓の発熱を軽減することとセラミック窓の表面での放電を抑えることを実験的に検討

2

することにある。大電力投入下にてセラミック窓の性能評価試験を行うとともに、放電、発熱等に関して問題点を抽出する。入力カプラーはクライオモジュール内の真空中にて設置されることとなるため、セラミック窓等は断熱槽で覆い、なおかつ低温状態を保持することが重要であり、最終的にはその状況下におけるセラミック窓の基本性能を評価する。
H. 小型1.3GHz高周波源開発
安定な高周波源であるクライストロンを低電圧駆動・三極管化・マルチビー
ムクライストロンの技術を使って小型化設計を試みる。また、エネルギー回収型コレクターでさらに省エネルギー化を計った装置設計を行う。モジュレータ
電源の小型化も行い、システムの小型化、省エネルギー化を実現し、製品システム化がスムーズに行えるように高信頼性化を目指す。2010年度に本試験装置を組み立て、必要な性能試験を行えるように準備する。そして2011年度に実用試験装置を製作する。
I. X線検出装置の実用化開発
軟X線から硬X線検出装置の評価を行い、本課題装置に利用する場合の問題点を抽出する。X線検出装置を試作して、X線測定実験を行い、どのような測定上の問題があるかを整理する。2010年度は、Ｘ線検出装置の性能とイメージング
測定における問題点を調べる。
J. X 線の検出装置（時間分解及び空間分解）の設計及び試作を実施する。
具体的には、比較的低エネルギーの X 線の計測システムを開発するための基
礎的な検討と、実験的な検証を実施する。一方スペクトロメータ開発の一環で、汎用性の高いブラッグ反射を利用したシステムの予備的な試験を実施する。こ
れらの結果を元に、次年度以降に実施するエネルギー分割測定に必要な X 線のフラックスの下限値の確認を行うとともにエネルギー分解能等の評価方法について検討する。
I-1. X線検出システムの設計
I-2. 試作装置の作製
I-3. 検出試験
K. 電子ビーム・レーザ衝突技術の開発（システム統合化）とプロジェクトの総合的推進
高周波電子源を使って、今までの300nC/300nsec電子ビーム生成実績を向上するために、新しい電子源を製作する。また、5MeV大強度電子ビームとレーザーパルスを高繰り返しで衝突させて、レーザー逆コンプトン散乱で軟X線生成実験を行えるように装置を改造する。2010年度に３次元４枚ミラーリング光蓄積装置を試作する。この光蓄積装置で2011年度に生成軟Ｘ線を使った実用試験を行えるように、実験装置の改造を進める。2008年～2011年間で電子ビーム・レー
ザー衝突実験によって、本提案課題装置で将来必要となる安全システム・制御
システム等の技術蓄積を行うために、2010年度も基礎実験を行う。
プロジェクト全体の連携を密としつつ円滑に運営していくため、研究開発運
営委員会や技術検討会の開催等、参画各機関の連携・調整に当たる。特に、プロジェクト全体の進捗状況を確認しつつ計画の合理化を検討し、必要に応じて調査或いは外部有識者を招聘して意見を聞くなど、プロジェクトの推進に努力
3する。
2009年度から「高電圧DC電子源開発」の拡充計画として高安定高電圧電源開発を株式会社日立ハイテクノロジーズが担当したので、日本原子力研究開発機
構と日立ハイテクノロジーズ間の研究開発調整を高エネルギー加速器研究機構
が行い、2012年度までに500～750kV数十mA以上の電子ビーム生成実証試験を遂行できるように研究開発を纏める。また、広島大学と研究協力機関大阪大学産業総合研究所が「高性能光L-band RF Gun開発」を行ている。これについても
L-band RF Gun性能実験設備を所有する高エネルギー加速器研究機構が研究開発の調整と纏めを行う。
プロジェクトで得られた成果については、国内外において積極的に公表し、併せて超伝導加速空洞やその周辺機器の最先端知見を得ることで、今後の展開
に資する。

4

３．実施体制と役割分担
業務主任者
役職・氏名 高エネルギー加速器研究機構加速器研究施設教授 浦川順治
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構では、超伝導加速空洞開発および小型高輝度光子ビーム源装置に関するシステム統合化研究開発を
実施する。
業
務
項
目
①-A パルス超伝導加速空洞技術の開発

実

施

場

所

担

当

責

任 者

加速器研究施設教授
つくば市大穂１－１
高エネルギー加速器研究 早野 仁司
機構、超伝導リニアック試
験棟(STF)①-B CW超伝導加速空洞技 東カウンターホール
加速器研究施設教授
術の開発
古屋 貴章
②電子ビーム・レーザー つくば市大穂１－１
衝突技術の開発（システ 高エネルギー加速器研究
ム統合化）機構、先端加速器試験棟

加速器研究施設准教授
照沼 信浩

(ATF)
③X線検出装置の実用化 つくば市大穂１－１
素粒子原子核研究所教授
開発
高エネルギー加速器研究 幅 淳二機構、先端加速器試験棟(ATF)④小型高信頼性 L-band 高 つくば市大穂１－１
加速器研究施設教授
周波源開発
高エネルギー加速器研究 福田 茂樹
機構、超伝導リニアック試
験棟(STF)⑤プロジェクトの総合的 つくば市大穂１－１
加速器研究施設教授
高エネルギー加速器研究 浦川 順治
推進機構、２号館４階次世代量子ビームプロジェクト推
進室

国立大学法人東京大学では、小型高輝度光子ビーム源装置の新フォトカソード開発及び高周波超伝導空洞用入力カプラーの開発を実施する。
業務項
目
実 施 場 所
担 当 責 任 者
① 新フォトカソード開 茨城県那珂郡東海村白方 工学系研究科原子力専攻
白根2-22、工学系研究科原 教授 上坂 充
発子力専攻
② 高周波超伝導空洞用入 千葉県柏市柏の葉５－１
力カプラーのためのセラ －５
ミック窓の開発
東京大学物性研究所

物性研究所
准教授 中村典雄

国立大学法人広島大学では、レーザー蓄積装置および大強度高品質電子源に関わる研究開発を実施する。

5

業
務
項
目
実 施 場 所
①レーザー蓄積装置の開 東広島市鏡山１－３－１
広島大学大学院先端物質
発科学研究科

担 当 責 任 者
大学院先端物質科学研究科・准教授 高橋 徹

②大強度高品質電子源の 東広島市鏡山１－３－１
開発
広島大学大学院先端物質科学研究科

大学院先端物質科学研究科・教授 栗木雅夫
飯島北斗(平成 21 年 7 月 1日から)

独立行政法人日本原子力研究開発機構では、直流高圧電子源に関わる研究開発を実施する。また、直流高圧電子源と組み合わせて使用するCW超伝導
加速空洞について、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構と連携して研究開発を実施する。
研

究

項

目

担当機関等

研究担当者

１．直流高圧電子源開発 日本原子力研究開発機構

羽島良一(1) 直流高圧電子源の日本原子力研究開発機構

永井良治

の開発

日本原子力研究開発機構

西森信行(2) 直流高圧電子源と日本原子力研究開発機構

飯島北斗(平成 21 年 6 月 30

組み合わせて使用する
CW 超伝導加速空洞の研日まで)
日本原子力研究開発機構

沢村勝

究開発

株式会社日立ハイテクノロジーズでは、高電圧ＤＣ電子源に関わる研究開発を実施する。
業務
項目
高電圧ＤＣ電子源開発

実 施 場 所
東京都港区西新橋一丁目
２４番１４号株式会社日立ハイテクノ
ロジーズ、研究開発本部

担 当 責 任 者
主管技師・小瀬 洋一

学校法人早稲田大学では、Ｘ線発生総合試験において、次の項目について、高い精度でX線のエネルギー及び角度分布等の計測を可能とする以下のシステムの開発を実施する。
①汎用ブラッグ反射を用いたスペクトロメータシステム開発②高分解能半導体 X 線スペクトロメータ③円筒面多層膜ミラーと二次元位置検出器を組み合わせた２次元スペクトロ
メータ
業
務
項
X線検出器の開発

目

実 施 場 所
担 当 責 任 者
東京都新宿区大久保3丁目 理工学術院教授・鷲尾方一4番1号
学校法人 早稲田大学

6４．委員会・会議・打合せ・研究会
研究会
2010/11/12-13:第四回フォトカソード研究会（広島大学先端物質科学研究科）
2011/1/11-12:第 8 回高輝度・高周波電子銃研究会（広島大学、東広島キャンパ
ス）
STF 量子ビーム打合せ
2010.11.17
2010.12.01
2010.12.15
2011.01.05
2011.01.26
2011.02.16
2011.03.02

KEK 1 号館談話室
KEK 1 号館談話室
KEK 1 号館談話室
KEK 1 号館談話室
KEK 1 号館談話室
KEK 1 号館談話室
KEK 1 号館談話室

X 線検出器打合せ
2010.12.02

第四回量子ビーム PJ・X 線検出器検討会

KEK2 号館会議室中

定例レーザー蓄積技術打ち合わせ
2010.04.27
2010.06.11
2010.09.01
2010.09.15
2010.12.17
2011.02.22

量子ビームレーザー打ち合わせ
量子ビームレーザー打ち合わせ
量子ビームレーザー打ち合わせ
量子ビームレーザー打ち合わせ
量子ビームレーザー打ち合わせ
量子ビームレーザー打ち合わせ

早稲田大学 55 号館 2F
広島大学
KEK 研究本館会議室 2
KEK1 号館談話室 2
KEK1 号館談話室 2
広島大学

定例 LUCX Meeting2010.04.01
2010.04.08
2010.04.15
2010.04.22
2010.05.06
2010.05.13
2010.05.20
2010.06.03
2010.06.10
2010.06.17
2010.06.24
2010.07.08
2010.07.15
2010.07.29
2010.08.12
2010.08.26
2010.09.02
2010.09.09

小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ

7

2010.09.16
2010.09.30
2010.10.07
2010.10.14
2010.10.28
2010.11.11
2010.11.18
2010.11.25
2010.12.02
2010.12.09
2010.12.16
2011.01.06
2011.01.27
2011.02.03
2011.02.10
2011.02.17
2011.02.24
2011.03.03
2011.03.10

小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ

定例電子銃打ち合わせ
1. 2010/4/12：第 22 回高輝度電子源開発グループ会合（ビデオ接続）
2. 2010/5/17:第 23 回高輝度電子源開発グループ会合（ビデオ接続）
3. 2010/6/17:第 24 回高輝度電子源開発グループ会合（ビデオ接続）
4. 2010/7/22：第 25 回高輝度電子源開発グループ会合（ビデオ接続）
5. 2010/8/4:第 26 回高輝度電子源開発グループ会合（日本加速器学会インフォーマルミーティングとして開催）
6. 2010/9/6:第 27 回高輝度電子源開発グループ会合（ビデオ接続）
7. 2010/10/18：第 28 回高輝度電子源開発グループ会合（ビデオ接続）
8. 2010/11/29:第 29 回高輝度電子源開発グループ会合（ビデオ接続）
9. 2011/1/13:第 30 回高輝度電子源開発グループ会合（ビデオ接続）
10.2011/2/18:第 31 回高輝度電子源開発グループ会合（ビデオ接続）
定例 L-band RF 電子銃開発グループ会合
1.2010/4/1 : 第 19 回L-band Rf電子銃開発グループ会合（ビデオおよびイ
ンターネット接続）
2.2010/5/14:第 20 回L-band Rf電子銃開発グループ会合（ビデオおよびイン
ターネット接続）
3.2010/6/15:第 21 回L-band Rf電子銃開発グループ会合（ビデオおよびイン
ターネット接続）
4.2010/7/20:第 22 回L-band Rf電子銃開発グループ会合（ビデオおよびイン
ターネット接続）5.2010/8/25:第 23 回L-band Rf電子銃開発グループ会合（ビデオおよびイン
ターネット接続）86.2010/9/28:第 24 回L-band Rf電子銃開発グループ会合（ビデオおよびイン
ターネット接続）7.2010/10/26:第 25 回L-band Rf電子銃開発グループ会合（ビデオおよびイン
ターネット接続）
8.2010/12/8:第 26 回L-band Rf電子銃開発グループ会合（ビデオおよびイン
ターネット接続）9.2011/1/11:第 27 回L-band Rf電子銃開発グループ会合（ビデオおよびイン
ターネット接続）10.2011/2/23:第 28 回L-band Rf電子銃開発グループ会合（ビデオおよびイン
ターネット接続）9５．平成２２年度研究成果報告
A. 新フォトカソード:可視光カソード試運転
New Photocathode Development
概 要
電子線形加速器カートリッジ式フォトカソード高周波電子銃に使用されているレーザー駆動高輝度高周波電子源に関する研究開発が行われているが、端板改良により熱問題に対する周波数の安定化を実現し高精度なビーム発生を目指し電子線形加速器使用後カートリッジの表面分析を行っている。高周波電子銃において、反射波の乱れ及びビームエネルギー低下等の問題について、冷却管付き端板の電子銃加速空洞における電磁熱解析により反射波の改善、ビームエ
ネルギーの向上、飽和電荷量の増加等が見られ、電子銃の電磁熱由来の問題を解決することができ電子銃の性能向上に繋がったと言える。
１．本研究の背景
低エミッタンスかつサブピコ秒からフェムト秒の極短パルス電子ビームを生成可能なフォトカソード高周波(RF)電子銃はリニアコライダーや次世代放射光源である X 線 FEL へ利用されており、極短時間現象解明のためのポンプ＆プロ
ーブ実験用の電子銃としても有用である。電子ビーム発生用ポンプレーザーと現象測定用プローブレーザーに同光源を用い高精度の同期が可能になる。高周波の空洞印加により陰極表面に約 100 MV/m 程度の高電場を印加するでき電子源
から放出された電子を相対論的領域まで加速しサブピコ秒からフェムト秒の超短パルスかつ低エミッタンスの電子ビームを発生させる。フォトカソード RF 電子銃は駆動レーザーを共振空洞内のカソード面に入射させることにより光電子を発生させ高周波電場にて加速し電子パルスビームを発生させる。東京大学原子力専攻ライナック研究施設に設置されている S-band の 18MeV Linac (18L)ではサブピコ秒からフェムト秒時間領域の現象、特に放射線誘起反応初期過程の解明を目的としたポンプ＆プローブ方式の高時間分解能パルスラジオリシスシ
ステムが構築されておりカートリッジ型フォトカソード高周波電子銃が使用されている。本研究施設では 0.3 TW チタンサファイアレーザー(基本波 800 nm)の３倍高調波(266 nm,4.6 eV)をフォトカソード励起用レーザーとして用いてきたが 3 倍高調波への変換効率は本施設では約２％程度でありシステムの安定化・小型化の観点から可視光領域である２倍高調波で駆動可能なフォトカソー
ドの開発が必要である。本研究では、長時間運転可能なカソード開発を目指し
可視光レーザー駆動可能性のある Na2KSb に注目し高周波電子銃におけるビーム
特性試験を行っている。
2．高輝度光陰極高周波電子銃新端板ビーム発生実験結果
空洞に導波管からマイクロ波を供給した際、空洞に入射マイクロ波パルスと同じ電力が満たされるまでは時間がかかる。そのため空洞からの反射波はパルスの供給の始めに極大になり空洞内に電力が蓄積するに従い減少しパルスの終

10

4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10

Reflect Wave(mV)

Reflect Wave(mV)

わりに極大化する。高周波を 2µs、10pps 印加で運転しているが、図 1 に高周波の出力の違いによる反射波形、図2に旧端版の高周波印加前後の周波数変化を示す。Na2 KSbカソードは高周波電子銃のような開放系高周波場における使用例が無いため高周波電子銃における挙動を確認するための特性試験を行う必要がある。しかし高周波の反射波が 0 にならず蓄積電力量が約 50%に留まり加速管後のエネルギーが設計値 22MeV より低い 20.8MeV であり、高周波電子銃の電場が約 70%である為、飽和電荷量が 3.1nC である。高周波印加時、空洞内に流れる壁
電流によって生じるジュール熱による乱れと予測できる。端板部分の温度上昇が大きく(+11.421℃)端板部分に冷却部が必要なことがわかる。高周波印加による温度上昇が原因で空洞容積が大きくなり共振周波数に 156kHz のずれが生じている。現在 18L のＱ値は 8500 であるため共振周波数の半値半幅は 165kHz であり空洞内蓄積電力 52%、空洞内電場強度 72%である。

-1

0

1

2

3

4

Time(μs)

0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90

-1

0

1

2

3

4

Time(μs)(a) 高周波出力 0.7MW(b) 高周波出力 7MW
図1. 反射波の乱れ: 高周波電力が蓄積されないと反射波が0にならない(a) 高周波印加前(b) 高周波印加後
図2. 旧端板の高周波印加前後の周波数変化
カートリッジ式交換システム導入端板を作製の際、図3に示すように交換シ
ステム接続部および高周波電子銃空洞接続部に強い負荷がかかるため全体的にSUS が多くなるよう設計された。SUS は銅に比べ熱伝導率が小さく熱伝導率の大きい物質で端板構成することが望ましいと考えられ新端板に追加する冷却効果を十分に得るため銅部分比率が多くなるように設計した。銅割合増加により冷11却管を端板の外壁に通す単純な形で十分な冷却効果が期待でき、表 1 及び図 4に示すように高周波印加前後の周波数変化に改善が見られた。

(a) エージング中(b) ビーム試験中
図 3. エージング中及びビーム試験中における陰極表面での放電の様子。カソードプラグにそって放電が見られる。

表1. 新端板の高周波印加前後の周波数変化

旧端板
新端板

高周波印加前[MHz]
2855.937
2855.937

高周波印加後[MHz]
2855.781
2855.906

差
[kHz]
156
31

(a) 高周波印加前(b) 高周波印加後
図4. 新端板の高周波印加前後の周波数変化
3. Na2KSbのビーム試験後フォトカソード表面分析
3.1 Na2KSb光電面半導体材料について
光電子増倍管光電面に使用される Na2KSb はバンドギャップ 1.0 eV、仕事関数
2.0[eV]の半導体材料であり金属系光陰極や Cs-Te 光陰極と比べて小さい特徴を持ち、Ti;Sa レーザーの 2 倍高調波(400 nm,3.1 eV)でも駆動可能と期待されて12

いる[1]。オフライン試験において 500 nm 帯の入射光に対して 10%以上の高い量
子効率を有することが報告されている[2-3]。また、バンドギャップや仕事関数だけでなく、表面吸着物質や耐真空度、表面粗さ、ナノ薄膜の微小領域硬さ、弾性率、レーザー照射耐性等も重要なパラメーターであると考えられるため、これらのパラメーターについて一つずつ十分に検討する必要がある。現在、使用可能な基礎データは存在しないか、限定的である場合も多く実験により取得検討する必要がある。図 5 に主要なフォトカソード光電面材料について物性をまとめる。電子線形加速器にて使用される光電面に必要な材料特性パラメータ
ーは多岐にわたり一括りにするのは困難であるが、バンドギャップや仕事関数
は主要なパラメーターであると考えられる。また、表面粗さも重要なパラメー
ターであると考えられ材料学的なアプローチが必要と考えられる。そのため、ナノ薄膜に関する表面粗さ、微小硬さ及び弾性率についてレーザー顕微鏡とナノインデンターにより今回測定を行った。

高ピーク電流エミッタンス

応答波長(QE=10%)[nm]○< 約 900

QE

安定

GaAs 超格子

○

○
(ERL)

Sb 系

○

○

○

< 約 600

Cs2Te 系○○○

< 約 550

Cu/Mg 系○○

Diamond 系◎○○

図5. フォトカソード光電面材料特性比較:Na2KSbは比較的仕事関数が小さく電子放出に有利な特性を有する可能性がある
3.2. レーザー顕微鏡による表面観察と表面粗さ測定
ビーム発生に表面粗さが重要なパラメーターの一つであるため、Na 2 KSb フォ
トカソード表面についてレーザー顕微鏡による観察を行い JIS-B0601 に基づく
表面粗さ分析を行った。表 2 及び図 6 に示すように Cs2Te カソード表面に深さ約20µm 程度の黒い穴が局所的に形成されていることが観察され、Na2KSb カソード
表面については表面粗さが比較的小さいことが明らかになった。
表 2. Na2KSb と Cs2Te の Ra(算術平均粗さ)比較

Cs2Teカソード
Na2KSbカソード

Ra (算術平均粗さ)
[µm]
5.559
0.677

13

クレーター
(20µm程度)
点在なし

(a) Na2KSbカソード(b) Cs2Teカソード
図6. 光電面レーザー顕微鏡像 Na2KSb表面よりCs2Te表面の起伏が大きい

4. ナノインデンター試験
400

Na2KSb_01_0.2mN
Na2KSb_01_0.5mN
Na2KSb_01_1mN
Na2KSb_02_0.2mN
Na2KSb_02_0.5mN
Cs2Te_0.2mN
Cs2Te_0.5mN
Cs2Te_1mN

1200
換算ビッカース硬さ(HV*)

見かけの弾性率(GPa)

300

1400

200

100

1000
800
600
400
200

0

0

0

0.05

0.1

0.15
押込み深さ(μm)

0.2

0.25

0.3

0

0.05

0.1

0.15

押込み深さ [um](a) 見かけの弾性率と押し込み深さ(b) 換算ビッカース硬さと押し込み深さ
図7. (a)見かけの弾性率と(b)換算ビッカース硬さの押し込み深さ依存性
ナノオーダー光電面半導体薄膜の破壊力学的物性値を調査する目的で、
ISO-14577-1に基づく超微小硬度計による見かけの弾性率及び換算ビッカース
硬さと押し込み深さの関係を測定した[4]。押しこみ弾性率は押しこみ硬さの接線の傾きから求めることができ弾性率に相当すると定義される。押し込み深さ14

は 5-50 nm 程度とし 0.5 mN 荷重一定試験を行い、押込み深さは Na2KSb で 50 nm
程度、Cs2Te で 50-100nm 程度とした。図 7、8 に示すように Na2KSb は Cs2Te より硬い可能性があり、使用前後での Na2KSb の硬さに大きな差は見られないが、使用後 Na2KSb 硬さのばらつきが大きくなる可能性がある。

(a) 光学顕微鏡による表面観察結果(b)光学顕微鏡による表面観察結果(Cs2Te)(Na2KSb)
図 8. 光学顕微鏡による表面観察結果 (a) Na2KSb、(b) Cs2Te

15

5. MBEチャンバー作製について
日本原子力研究開発機構 ERL グループ所有 MBE 装置の立ち上げ及び調整を行っており、図 9 に示すように真空度の高度化、リークチェック、ベーキング、
成膜装置調整、測定系調整、ヒーターアッセンブリ、クヌーセンセル等の設置
調整等を行っている。

(a) MBE装置外観:
中央がMBE成膜チャンバー本体、右側円柱部分がサブリメーション
ポンプ部分(b) チャンバー内部:
中央金色部分が膜厚計ヘッド、
中央右寄り銀色直方体部分がヒーターアッセンブリ(c) MBE成膜チャンバー本体:
中央ポートがエクストラクションゲージ、
中央左側ポートが膜厚計導入ポート
及びその冷却系(d) クヌーセンセル外観:
Cs及びNa等のアルカリ原子ビームを超高真空中にて発生させる

図9. MBE装置立ち上げの様子(a) MBE装置外観、(b) チャンバー内部、(c) MBE チャンバー本体、 (d) クヌーセンセル外観
6. まとめ高周波電子銃において反射波の乱れ・ビームエネルギーの低下等の問題について冷却管付き端板を電子銃加速空洞における電磁熱解析にもとづいて設計・製作しインストールを行い、反射波の改善、ビームエネルギーの向上、飽和電16荷量の増加等が見られ電子銃の電磁熱由来の問題をほぼ解決することができたと言える。カードリッジ式光陰極高周波電子銃を用い可視光領域レーザー駆動
可能なNa2KSb光陰極の試験を行い可視光レーザーで2nCの電子バンチ発生に成功したが、量子効率低下が紫外領域のそれに比べて大きく実用的レベルを目指すために23年度はアンチモンベース陰極製膜用MBE装置を用い陰極劣化のメカ
ニズム検討を行っている。Na2KSbフォトカソード表面についてレーザー顕微鏡による観察を行いJIS-B0601に基づく表面粗さ分析を行い表面に深さ約20µm程
度の黒い穴が局所的に形成されていることが明らかになった。使用済みカート
リッジ薄膜のナノインデンテーション試験を行い、Cs2TeはNa2KSbより弾性率が小さい可能性がありCs2TeはNa2KSbより軟かい可能性があることがわかった。インデンテーション試験結果よりCs2Teは表面がナノオーダーの範囲で表面粗さが大きい可能性があり、Na2KSbは使用後表面粗さが増大する可能性がある。
7．平成23年度の予定
現在、日本原子力研究開発機構 ERL グループ所有 MBE 装置の立ち上げを行っており、来年度は ERL グループと共同で高周波電子銃において駆動可能なアン
チモンベースのフォトカソード開発を行う予定である。
開発スタッフ
責任者：上坂 充（東京大学大学院工学系研究科原子力専攻）
担当者：作美 明、上田 徹、神戸浩多（東京大学大学院工学系研究科原子力専攻）
参考文献[1] C. Travier et al. Nucl. Instr. And Meth. In Phys. Res. A340(1994)26-39[2] 冨澤、フォトカソード研究会資料2009[3] 浜松ホトニクス報告書 2004
[4] ISO14577 Instrumented indentation test for hardness and materials
2010 年度中の発表および掲載
学会での報告(1) Y. Nakazono, K. Miyoshi, T. Ueda and M. Uesaka, IPAC10, 京都国際会
議場(2) 中園祥央、三好邦博、上田徹、上坂充、「Electromagnetic heat design ofS-band Linac」、第6回日本加速器学会年会2010(3) 中園祥央、三好邦博、上田徹、上坂充、「Electromagnetic heat design ofS-band Linac」、高輝度高周波電子銃研究会2011(4) 中園祥央、三好邦博、上田徹、上坂充、「フォトカソード高周波電子銃における可視光駆動と熱問題」、日本原子力学会2011春の年会、福井大学

17

B. 大強度高品質電子源開発
Development of High Brightness Electron Source
概 要
超伝導高周波加速技術を使った 5nm-0.025nm 波長領域の小型高輝度 X 線発生装置の開発とその実用化に必要な基盤技術の確立を行うことが本事業の目的である。小型 X 線発生装置ができれば大型放射光発生装置で行っているポストゲ
ノム次世代の生命科学研究、超精密マイクロリソグラフィ、ナノ超微細構造研
究等が研究室レベルで行うことができる。目標は軟 X 線(250eV)から硬 X 線(50keV) ま で の 高 品 質 光 子 ビ ー ム 生 成 に つ い て 、
1017photon/sec.mrad2.mm2.0.1%bw 以上のピーク輝度を小型装置で開発することである。本課題では本装置に必要な電子源として、光陰極 RF 電子銃および DC
電子銃用カソードの高度化を目指す。
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。研究の進展は発生する X 線の輝度、時間構造、スペクトラムなどに制限されており、研究の裾野を広げるためにも小型でかつ高輝度 X 線発生が可能な装置が望まれる。
本研究は電子ビームとレーザーとのコンプトン散乱により、短パルスでかつ準単色 X 線を幅広い波長領域で発生可能な小型システム開発をめざすものである。
本課題ではそのうち、システムで重要な役割を果たす電子源である光電陰極 RF
電子銃および DC 電子銃開発を行う。システム全体の運転モードとしてパルスモード(パルス長 1ms、繰返し 5Hz)と CW モード(連続運転)が仮定されている。RF
電子銃と DC 電子銃は各々パルスモードと CW モードに最適な電子銃である。電子ビームの平均電流において、CW モードはパルスモードに比べ 600 倍程度と有利であるが、技術的にはより挑戦的であり、各々の運転モードにおける実証を段階的に行っている。
2.光電陰極RF電子銃開発
本課題では加速高周波との同期、および 1ms という長いパルスでの運転を考慮し、駆動周波数として L-band(1.3GHz)を選択した。
現在、KEK、FNAL(Fermi National
Laboratory, 米国)、大阪大学（研究協力機関）、広島大学が共同して、1.3GHz の L-band RF 電子銃
開発を進めている。2009 年度までに、電子銃用 RF 空洞の製作、周波数調整、最終ろう付けを経て、
図１.RF 入力試験で観測された暗電流.
大 気 中 で の 目 標 周 波 数
横軸は空洞内の軸上電場。●は空洞洗1300.16MHz （ 真 空 で の 周 波 数
浄前、●は空洞洗浄後の結果を表す。
1300MHz に相当）に対して、最終18

的に 1300.19MHz と充分に近い周波数へと合わせ込むことができている。
2010 年度は、KEK の STF に RF 電子銃を設置し、実際に RF 電子銃の空洞に出力の大きい高周波を入力し、その安定性等を評価する大パワーRF 試験をおこなった。最終的な目標は入力 RF のピークパワーにして 3.7MW、空洞内の軸上の加速電場にして 43MV/m である。2010 年 6 月の時点で、ピークパワー1.7MW、電場にして 29.2MV/m までの RF を投入することに成功した。RF パワー試験における第一の課題は、安定した RF 入力である。表面に荒れや汚れなどがある場合、大パワーの RF を空洞内に入力すると内部で放電を生じ、真空度の急激な悪化とともに入力 RF のほぼ全てが空洞から反射され、極めて不安定な状態となる。1.7MWまでの試験においては、最終的に安定した RF 入力が実現され、この第一の課題
はクリヤーされた。
次に問題となるのは空洞表面からの暗電流である。空洞表面に高い電場がかかると、電界放出機構により電子が発生し、そのうちの一部は加速されて意図しない暗電流ビームとなる。暗電流をどの程度まで抑制すべきかの基準は一概には決められないが、加速される電流に対して充分に低く抑えられることが望ましい。本課題で目標となるビーム電流は 50mA であるから、仮にその 1％以下に暗電流を抑えるとすると、暗電流を 500A 以下に抑制する必要がある。1.7MW
入力で測定された暗電流は電子銃出口で 300A 程度であった。この値は目安となる 500A よりも低い値である。しかし暗電流は電場に対して指数関数的に急激に上昇することが知られており、目標である 43MV/m の軸上電場までパワーを増やした時に予想される暗電流はおよそ数十 mA となり、目安よりも二桁程度大きい値となってしまう。この結果から、定格出力での運転には、暗電流の低減が必要なことが明らかである。
暗電流低減のための対策として、多くの方法が検討されたが、そのうち KEK
における超電導加速空洞の内面処理の一工程である洗浄において、実績のある洗剤による超音波洗浄とスポンジワイプを行った。超電導空洞は材質が Nb であるが、本 RF 電子銃空洞は Cu と異なる材質が使われているので、まず試験片によるテストを行い、洗浄作業により表面の荒れなどの問題が生じないことを確認した後、空洞内壁の洗浄とワイプを行った。図 1 は洗浄作業の前後における暗電流を示したもので、横軸に軸上電場、縦軸に暗電流を表示している。全体
として暗電流が洗浄により一桁程度減少しており、洗浄の効果をしめしている。
しかし目標とする電場において予想される暗電流は 9mA であり、ビーム電流 50mAに対して低い値にはなっているが、まだ充分に低い値とは言えない。このため定格での運転にはさらなる低減が望まれる。
2010 年度におこなった RF 試験のピークパワーの最大値 1.7MW はパワーソース
であるクライストロンの出力で制限されていた。2011 年度にはクライストロンを増強し、4MW までのテストが可能となる。入力パワーを目標である 3.7MW まであげていった場合、すでに述べたように暗電流の大幅な増大が見込まれる。また放電による入力 RF パワーの制限も起きてくるかもしれない。暗電流を低減させ、安定した RF 入力を実現するために、入力 RF をゆっくりと増大させ、空洞表面のプロセス（微小な凹凸や不純物などを電界等によって除去すること）を行うことで実現をめざす予定である。
19

電子発生のためのフォトカソードには KEK-ATF 等の施設において S-band RF
電子銃での実績を有する CsTe 陰極を用いる。本 L-band Rf 電子銃のための CsTe
陰極システム、すなわちカソード準備真空チャンバー、真空輸送系、ロードロ
ックシステムは 2009 年度に製作がすすめられ、2010 年度前半に完成した。蒸着
カソード面の清浄化のためのヒーターや量子効率測定のための紫外 LED の不具合などにより、カソード生成試験および量子効率の測定はまだ行われていないが、必要な改修の後に 2011 年度の実施を予定している。
電子ビーム発生用のレーザーシステムについては、 KEK、JINR(Joint Institutefor Nuclear Research, ロシア)、IAP (Institute for Applied Physics, ロシア)、大阪大学、広島大学が共同で開発をすすめた。システム全体が完成し、2009 年 12 月には KEK および広島大学の研究者が参加し、ロシアの IAP において性能試験が行われた。2010 年 4 月にはレーザー本体がロシア IAP から KEK へと移送され、KEK での立ち上げ試験も行われ、同等の性能が再現された。実際の運転には外部同期の実装、レーザーが設置されているクリーンルーム（レーザーブース）から RF 電子銃空洞への光の輸送、等が必要であるが、これらについては 2011 年度内を目処に整備する予定である。
3. D C 電子銃開発
RF 電子銃は常伝導高周波空洞内で電子ビームを発生させるため、大電流の電子ビームをパルス的に発生させ、同時に高い電場で加速することができる優れたデバイスである。しかし常伝導 RF 空洞を高電界で連続運転することは困難であり、準連続的ビーム発生に適しているとは言い難い。一方、DC 電子銃は加速電界は限られているが、準連続的にビームを発生できることから、稼働率の上昇により、実質的な平均輝度の上昇がみこめる。
本課題では KEK、原子力機構、名古屋大学、日立ハイテク、東京大学、広島大学などが共同で、500kV というかつてない高電圧で DC 的に 100mA という大電流ビームを取り出す電子銃を最終目標として開発をすすめている。2009 年度には 500kV の安定印加という世界で初めての快挙を達成した。今年度は実際の電子ビーム発生を目標に研究を進めた。
500kV 電子銃開発の結果の詳細については JAEA グループから報告される。
広島大学ではカソードテスト装置を用いて、GaAs カソードの活性化および寿命試験を行っている。
GaAs のバルク結晶の仕事関数 は
図 2. 暗寿命を真空度の関数として表したもの。
4.9eV であり、そのままでは光電効果 点線は指数関数での最適曲線。
を生じさせるのに真空紫外の光が必20

要であるが、表面修飾により NEA 表面 (Negative Electron Affinity, 真空準位が伝導帯の最低準位よりも小さい状態) をつくることで、可視光での電子発生が可能となる。この NEA 表面の特性により、 価電子帯から伝導帯への遷移を選択的に行い、 スピン偏極やエネルギー広がりの極めて小さい電子ビームの生成が可能となる。このように高品質の電子ビーム発生に NEA は重要な役割を果たしている。その一方でその脆弱性が寿命問題として課題となっている。本研究では Zn-dope バルク GaAs 結晶を使用し、乾燥窒素中での化学洗浄による表面酸化膜の除去と As リッチ面の生成、極高真空中での加熱洗浄による GaAs 清浄面の作成、Cs と酸素の添加による NEA 活性化をおこない、様々な条件で寿命測定をおこなった。
既存の装置（カソードテスト
装置０号機）では、ベース真空度は 5E-9Pa 程度を維持している。HeNe レーザー(波長 633nm)を用いて、活性化直後の量子効率 10 % 程度という値が高い再現性で得られている。この装置を用いて、量子効率が時間あるいは引き出し電流量によりどの程度劣化するのかを調べた。図 2はそのうち時間にのみ依存する成分（暗寿命）を横軸に真空度をとり表示したものである。これから真空度を 1.0E-9Pa 程度
図 3. 昇温脱離曲線（横軸は温度、縦軸は真まで低下することができれば、空度）。NEA活性化をおこなった場合のみピー
寿命は数千時間となり、実用化
クが検出されている。
に充分であることがわかる。
現状では 5.0E-9Pa 程度の真空度で実験をおこなっているが、以上のように極高真空の実現とそれによる長寿命カソード実証
試験はカソードの実用化の上で極めて重要な課題である。その目的のため、化学研磨処理チタ
ンチャンバー、チタン容器クライオポンプなどを製作し、新たな高性能フォトカソード試験シ
ステムとして構築した。このシステムにおいて、クライオポン
図 4. 量子効率を波長の関数として表したもの。
プおよび NEG ポンプによる排気活性化した時点を 0 時間として、3、18、28、60
で 8.0E-10Pa という極高真空度
時間後のデータを示してある。曲線はモデルを得た。現在、カソード活性化を表す。
チャンバーを兼ねたロードロッ
21クチャンバーの試験を終了し、本体の極高真空状態でのカソード試験を開始している。
以上の技術実証研究とならび、光カソードの基礎的研究も重要である。量子効率の減少の原因を科学的に解明することで、長寿命化が期待される。図 3.はGaAs カソードの昇温脱離測定（Temperature Programed Desorption, TPD) の結果の一例で、縦軸に真空度（全圧）、横軸に温度をとって表したものである。
青点で表したものが清浄 GaAs 表面の TPD カーブで、それに対して NEA 活性化を行い、その後 10 日ほど放置したデータ（赤点）には幾つものピークが出現している。また清浄表面を作成した後、そのまま 10 日放置したデータ（緑点）ではピークは見えていない。また NEA 活性化した直後のデータ（橙色）には小さいピークが見られる。これらのデータより、NEA 表面には特有の分子吸着状態が形成されており、それは NEA 活性化してから時間が経過するごとに増加している
ことがわかる。我々はこの吸着分子が NEA 活性状態を崩壊させているのでないかと推測し、解析をすすめている。また、NEA は真空準位が伝導帯の最低準位よりも低くなっている特異な表面ポテンシャルであるが、これが時間的にどのように変化しているのかを調べるため、量子効率スペクトラム測定を行っている。
図 4.にその一例をしめす。この図は横軸に光の波長、縦軸に量子効率をとり、NEA 活性化後にそのスペクトラムがどのように変化したのかを表している。図に描かれている線は GaAs のバンド構造と表面ポテンシャルにおけるトンネル確率とを考慮した電子放出モデルによるものである。この結果より、電子放出の閾値と相対的な真空ポテンシャルの高さはほとんど変化していないことがわかる。
また、量子効率が全体として低下するとともに、その相対的減少率は長波長側で顕著である。詳細な解析は現在行っているが、このデータはポテンシャルの厚みが大きくなることでトンネル確率が減少するという仮説と整合する。今後、解析をすすめ、NEA 表面劣化の物理の理解を進めていく。
4．開発スタッフ
責任者 ： 栗木雅夫（広島大学先端物質科学研究科）
担当者 ： 栗木雅夫（広島大学先端物質科学研究科）
飯島北斗（広島大学先端物質科学研究科）
5. 参考文献（2010 年度中の発表および掲載論文）[1]Masahiro Yamamoto, Yosuke Honda, Tsukasa Miyajima, Ryoji Nagai, Ryoichi
Hajima, Nobuyuki Nishimori, Toshiya Muto, Hokuto Iijima, Masao Kuriki, Makoto
Kuwahara, Shoji Okumi, Tsutomu Nakanishi, Tohru Ujihara, Yoshikazu Takeda, Hiroki
Kurisu,”500kV Gun development at KEK”, 48th ICFA Advanced Beam Dynamics
Workshop on Future Light Sources at SLAC(FLS2010), Menlo Park, US (2010)[2] Nobuyuki Nishimori,Ryoji Nagai, Ryoichi Hajima, Toshiya Muto, Masahiro
Yamamoto, Yosuke Honda, Tsukasa Miyajima, Hokuto Iijima, Masao Kuriki, Makoto
Kuwahara, Shoji Okumi, Tsutomu Nakanishi, “JAEA/KEK gun status”, 48th ICFA
Advanced Beam Dynamics Workshop on Future Light Sources at SLAC(FLS2010),
Menlo Park, US (2010)[3] 飯島北斗、正中智慧、栗木雅夫, “NEA-GaAsフォトカソード寿命の温度依存性“, 日本物理学会年会, 21pBF11(2010)22

[4]久保大輔、栗木雅夫、飯島北斗、伊藤清一、正中智慧、増元勇騎、西森信行、
山本将博, “広島大学における電子源装置開発の現状”, 日本物理学会年会,
21pBF12(2010)[5] M. Yamamoto, T. Nakanishi, S.Okumi, M. Kuwahara, N.Yamamoto, X.Jin,
T.Ujihara, Y.Takeda, F.Furuta, H.Matsumoto, M.Yoshioka, T. Omori, Y. Kurihara,M.
Kuriki, K. Togawa, T. Nishitani, H. Horinaka, T. Saka, T. Kato, “Polarized electron
update in Japan“, the 2010 Linear Collider Workshop(LCWS2010) in Beijing, China(2010)[6] M.Kuriki, H. Iijima, H. Hayano, J. Urakawa, H. Sugiyama, Y. Honda, E.Katin, E.
Khazanov, V.Lozhkarev, G.Luchinin, A.Poteomkin, G.Shirkov, G. Trubnikov,“Development of a high average power laser generating electron beams in ILC format
for KEK-STF”, Proc. Of International Particle Accelerator Conference (IPAC2010),
THPEC024, Kyoto, Japan (2010)[7] R. Nagai, R. Hajima, N. Nishimori, T. Muto, M. Yamamoto, Y. Honda, T. Miyajima,
M. Kuriki, H. Iijima, M. Kuwahara, S. Okumi, T. Nakanishi, “High-Voltage Test of a
500-kV Photo-Cathode DC Gun for the ERL Light Sources in Japan”, Proc. Of
International Particle Accelerator Conference (IPAC2010), TUPE093,Kyoto, Japan(2010)[8] H. Iijima, C. Shonaka, M. Kuriki, D. Kubo, Y. Masumoto, “ A STUDY OF
LIFETIME OF NEA-GaAs PHOTOCATHODE AT VARIOUS TEMPERATURES”,
Proc. Of International Particle Accelerator Conference (IPAC2010),
TUPEC086,Kyoto, Japan (2010)[9] S. Kashiwagi, K. Furuhashi, G. Isoyama, R. Kato, Y. Morio, N. Sugimoto, Y.
Terasawa, H. Hayano, H. Sugiyama, Y. Takahashi, T. Takatomi, J. Urakawa, H. Iijima
and M. Kuriki, “DEVELOPMENT OF A PHOTOCATHODE RF GUN FOR THE
L-BAND LINAC AT ISIR, OSAKA UNIVERSITY”, Proc. Of International Particle
Accelerator Conference (IPAC2010), TUPE009,Kyoto, Japan (2010)[10] D. Kubo, M. Kuriki, H. Iijima, K. Ito, C. Shonaka, Y. Masumoto, N. Nishimori,
M. Yamamotom “DEVELOPMENT OF A PHOTOCATHODE TEST BENCH USING
A CRYO-PUMP AND A NEG PUMP”, Proc. Of International Particle Accelerator
Conference (IPAC2010), TUPE087,Kyoto, Japan (2010)[11] 高橋義知、杉山晴栄、早野仁司、浦川順治、柏木茂、磯山悟朗、加藤龍好、
杉本尚哉、栗木雅夫, “KEK-STFにおけるL-band Photo-cathode RF 電子銃”, 日本
加速器学会年会、WEPS052 (2010)[12]M.Kuriki, H. Iijima, H. Hayano, J. Urakawa, H. Sugiyama, Y. Honda, E.Katin, E.
Khazanov, V.Lozhkarev, G.Luchinin, A.Poteomkin, G.Shirkov, G.
Trubnikov,”DEVELOPMENT OF A HIGH AVERAGE POWER LASER
GENERATING ELECTRON BEAM IN ILC FORMAT FOR KEK-STF”, 日本加速器学会年会、THPS015 (2010)[13] 久保大輔、栗木雅夫、飯島北斗、増元勇騎、西森信行、山本将博, “クライオポンプとNEGポンプを利用した光陰極試験装置開発”, 日本加速器学会年会、
THPS016 (2010)[14] 飯島北斗、栗k雅夫、久保大輔、増元勇騎,”高温下におけるNEA-GaAs表面劣化の研究”, 日本加速器学会年会、THPS017 (2010)[15] 柏木茂、加藤龍好、杉本尚哉、磯山悟朗、杉山晴栄、早野仁司、浦川順治、
高富俊和、栗木雅夫, “LバンドフォトカソードRF電子銃の開発（III)”, 日本加速23

器学会年会, THPS018 (2010)[16] G. Isoyama , S. Kashiwagi, R. Kato, N. Sugimoto, H. Sugiyama, H. Hayano, J.
Urakawa, T. Takatomi, M. Kuriki, “DEVELOPMENT OF AN L-BAND RF GUN FOR
HIGH-DUTY-CYCLE OPERATION“, Proc. Of Linac conference (Linac 2010),
THP121, Tsukuba, Japan (2010)[17] N. Nishimori, R. Hajima, R. Nagai, H. Iijima, M. Kuriki, Y. Honda, T. Miyajima,
M. Yamamoto, M. Kuwahara, T. Nakanishi, S. Okumi, T. Muto, “Development of a
500-kV Photo-Cathode DC Gun for ERLs”, Workshop on Sources of Polarized Leptons
and High Brightness Electron Beams (PESP2010) , Bonn, Germany (2010)[18] M. Yamamoto, T. Miyajima, Y. Honda, K. Satoh, T. Uchiyama, S. Matsuba, Y.
Saitoh, M. Kobayashi, Y. Kobayashi, H. Kawata, H. Kurisu, R. Hajima, R. Nagai, N.
Nishimori, M. Kuriki, H. Iijima, D. Kubo, M. Kuwahara, S. Okumi, and T.
Nakanishi, “High brightness electron gun test facility at KEK”, Workshop on Sources of
Polarized Leptons and High Brightness Electron Beams (PESP2010) , Bonn, Germany(2010)[19] H. Sugiyama, Y. Takahashi, H. Hayano, J. Urakawa, S. Kashiwagi, G. Isoyama, T.
Kato, N. Sugimoto, M. Kuriki, “L-band Photocathode RF Gun at KEK-STF”,
PESP2010[20] A. K. Potemkin, E. I. Gacheva, V.V. Zelenogorskii, E.V.Katin, I.E. Kozhevatov,
V.V. Lozhkarev, G.A. Luchinin, D.E. Silin, E.A.Khazanov, G.V. Trbnikov, G.D.
Shirkov, M. Kuriki, J. Urakawa,“Laser Driver for a photocathode of an electron linear accelerator”, Quantum
Electronics 40(12) 1123-1130 (2010)24

C-1: 直流高電圧要素開発
Development of Advanced High-Voltage DC System
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直流高圧電子源の研究開発を進めている。日立ハイテクノロジーズのグ
ループは、500 kV DC 電子銃の高電圧導入部を小型化・高信頼化するために必要な絶縁碍子と高電圧ケーブルの特性評価を目的に、高電圧試験装置を開発した。
本年度は真空排気系を強化し本番の電子銃と同レベルまで到達真空度を改善した。300kV 電源の調整を実施し、1ppm 以内の電圧安定度が確認できた。高電圧試験装置への高電圧ケーブル接続が未完となったが、並行して改造を進めた電子顕微鏡電子銃用の段間試験装置を利用して低抵抗試験碍子の耐電圧特性を評価した。評価結果に基づき 500kV 絶縁碍子の構想設計に着手した。
１．はじめに電子源は高輝度光子源（コンプトン光源）の性能を決める重要な構成機器である。光子源の輝度、フラックスを大きくするためには、電子ビームのエミッ
タンスを小さく、かつ、平均電流を大きくしなければならない。日本原子力研
究開発機構のグループは、このような電子ビームの生成を目指して直流高圧電子源（DC 電子銃）の開発を行っている。われわれは、DC 電子銃の小型化・高信
頼化に取り組んでいる。小型化・高信頼化のポイントは以下の２点である。
(1) 導電性を制御した高耐電圧セラミックス管を採用し、電子付着起因の電位分布変動による絶縁破壊を回避する。
(2) 電子銃と高圧電源を高耐電圧ケーブルで接続することで、装置配置の自由度を確保する。
日本原子力研究開発機構のグループが開発中の 500kV DC 電子銃は、ガードリングを採用しセラミックス管表面への電子付着を防止することで、従来の 250kV
から 500kV へと耐電圧を大幅に向上した。ただし、ガードリングは組み込みの煩雑性と表面積増大に伴う真空排気性能の低下が懸念されている。近年開発が進んでいる導電性を制御した高耐電圧セラミックスは、セラミックス表面の体積抵抗率を 107～ 12 Ω・cm に制御することで、電子付着による帯電の防止と4.5kV/mm の沿面耐電圧を実現できている。ガードリング無しでも耐電圧の安定化が期待でき寸法を最小化できる。
これまでの DC 電子銃と Cockcroft-Walton 型の高電圧源はセラミックス管を介して直付けした一体型構造が一般的であった。電子顕微鏡でも加速電圧 400kV
以上では一体型構造が一般的であった。しかし、近年の１MV 超高圧電子顕微鏡
では顕微鏡本体と高電圧源を高耐電圧ケーブルで接続する方式が実現できているが、地絡放電時に発生する倍電圧の減衰振動に耐える高コスト設計となっている。
このように優れたポテンシャルを有する関連技術が存在するが、次世代光子源の DC 電子銃に採用するまでには多数の技術的な課題を解決しなければならな
25

い。最先端のセラミックスメーカは単純形状の試験片において体積抵抗率の高精度制御を実現している。しかし、高耐電圧セラミックス管への組立てには、機械加工やロウ付けなどの接合技術、洗浄や加熱脱ガス処理技術の確立が必須である。高耐電圧ケーブルでは特に端末部の構造と材質によって耐電圧が大きく変動する。従って、部品レベル、処理レベルでの耐電圧評価により詳細な基礎データを蓄積するとともに、実体系の高耐電圧セラミックス管にて耐電圧評
価する必要がある。
今年度は、高電圧試験装置の真空排気系を強化した。並行して低抵抗試験碍
子を評価し、評価結果に基づき 500kV 絶縁碍子の構想設計に着手した。これらの成果を以下に述べる。
２．高電圧試験装置の排気系強化
高電圧試験装置の概念図を図１に示す。昨年度、日本原子力研究開発機構のグループが開発済みの 250kV DC 電子銃に準拠して設計したが、目標圧力 5×
フロリナート
SF6
高電圧電源
300kV

ｾﾗﾐｯｸｽ管ATiﾁｬﾝﾊﾞテストピース

全圧計

TMP-１
追加

分圧計
NEG
追加

TMP-２

直線導入機

DRP
A

図１

高電圧試験装置の概念図

10-9Pa を未達であった。その大きな原因は、IP がガス放出源になっていることと推定し、IP 取外し、TMP タンデム化、NEG 追加の真空排気構成とすることで到達圧力改善を狙った。表 1 に主な使用機器一覧を示す。

26

図 2 に改善後の高電圧試験装置の外観写真を示す。初期構成での IP の替わりに NEG ポンプを取付けてある。TMP-１は GV に直付けとし、これまで使用していた TMP-２と DRP の間に設置しタンデム用に流用した。また、高電圧印加用のセ
ラミック管とテストピースを載せるための直線導入機を取付けた最終仕様とな
っている。
表１
部位

品名

2

新光産業（株）（株）神戸製鋼所

内容積

オールメタルゲートバルブ（48244-CE01）

オールメタル製（ボディ SUS316L）
フランジサイズ ： ICF203

ターボ分子ポンプ① （TMP-1）

TMP-803M

吸気口サイズ ： ICF203
N2排気速度 ： 800 L/s（株）島津製作所

ターボ分子ポンプ② （TMP-2）

STP1003

吸気口サイズ ： ICF253
N2排気速度 ： 1000 L/s

エドワーズ（株）

CapaciTorr D2000 MK5

取付フランジサイズ ： ICF203
H2排気速度 ： 2000 L/s

サエスゲッターズ

ESDP12

排気速度 ： 208 L/min
到達圧力 ： 1.6 Pa

エドワーズ（株）

エクストラクタゲージ

測定子 ： IE514
コントローラ ： IM540

日本エリコン
ライボルト（株）

MicroVision Plus
（639-221-031）

UHV対応
トリアコートフィラメント

MKS（株）

ゲートバルブ
（GV）
真空
排気系

メーカー

型式・仕様
胴部（TP340）
フランジ（KS100）

Ti製真空チャンバ

NEGポンプ（NEG）
粗引き用ドライポンプ
（DRP）
真空
測定系

排気系強化後の仕様機器一覧

真空計
四重極質量分析計（QMS）

内表面積 1.244ｍ

30.103ｍVAT（株）

セラミックス管

ターボ分子ポンプ①（ TMP-1 ）Ti チャンバ

NEGポンプ（ NEG ）

粗引き用
ドライ ポンプ（ DRP ）：裏側

真空計

ターボ分子 ポンプ②
（ TMP-2 ）図２

ゲートバルブ（ GV ）

四重極質量分析計（ QMS ）

直線導入機

排気系強化後の高電圧試験装置外観

図３に排気系強化後の真空圧力の時間変化を示す。排気開始 60hr 後に 180℃

27

×20hr のベーキングを行っている。NEG ポンプの活性化はベーキング終了後の降温時にチャンバ温度が 100℃まで下がったときに 450℃×1hr の条件で行った。
ベーキング後の到達圧力は、装置のリークを停止した後、3.8×10-9Pa の圧力に到達し、目標であった 5×10-9Pa を達成することができた。本試験で 3.8×10-9Paに到達するまでに要した時間は、約 180hr（およそ 1 週間）だが、ベーキング開始まで 60hr データ収集しており、この時間を短縮すれば、5～6 日程度で 5×
10-9Pa の目標値は達成できると推定する。図 4 には 3.8×10-9Pa 到達時のマスス
ペクトルを示す。NEG ポンプ使用時で特徴的なガスとして、質量数 12（C：炭素）のガスが僅かではあるが常時検出された。
1E-03
180℃×20hr
ベーキング

1E-04

圧力 Ｐ （Pa）

1E-05

1E-06

1E-07

リーク停止後
初期構成

1E-08

TMPタンデム
TMPタンデム+NEG
3.8×10-9Pa

1E-09
0.01

0.1

1

図３

10
100
排気時間 ｔ （hr）

圧力の時間変化

28

1000

10000

1E-05

圧力 P （ Pa ）

1E-06

2（H2）

28（CO+N2）

1E-07

18（H2O）
1E-08

1244（CO2）

1E-09
1E-10
0

50

100

150

200

質量数
図４

3.8×10-9Pa 到達時の主な残留ガス

３．低抵抗碍子の評価
試験装置の電源には透過電子顕微鏡用の 300kV 電源を使用する。調整を実施
し、図５の測定結果のように 1ppm 以内の電圧安定度が確認できた。

1min

図５

3x10-6300kV 電源の安定度測定結果(約 10 分間)

高電圧試験装置への抵抗ケーブル接続が未完となったが、並行して改造を進めた電子顕微鏡電子銃用の段間試験装置を利用して低抵抗試験碍子（京セラ製
TA070）の耐電圧特性を評価した。図６に段間試験装置の概要、表２に代表的なセラミックスの物性値を示す。

29

高電圧電源段間試験チャンバー

Vin

6

SF ガス充填高抵抗碍子T(A479)

段間ショート用接点

電極
低抵抗碍子(TA070)

試験している段間
真空
測定用接点
段間電流（ IC）
イオンポンプ電源

ベース

レコーダ
イオンポンプ

図６

電子顕微鏡電子銃用の段間試験装置

結論は以下の通りである。
（1）抵抗値仕様 2GΩの TA070 における抵抗値個体差は±10％であった（図 7、表３）。温度係数が大きく分割抵抗の代替は困難である（図 8）。
表２

セラミックスの物性値

型式

アルミナ
含有量

体積抵抗率
［Ω・cm］

円筒碍子抵抗［GΩ］

線膨張係数［×10-6/℃］

ヤング率
［GPa］

備考

A479

99%

>1014

>20000

7.2

360

現行品

A445

89%

1011

20

7.3

320

低抵抗
セラミックス

不明>108（研削により調
整可能）>0.02（研削により調
整可能）

6.9

370

低抵抗
セラミックス

TA070

30

表３

低抵抗碍子の抵抗値（GΩ）

2.4
2.2

5段目

2.0

4段目
3段目
2段目

1.8
0

10

20

30

40

50

印加電圧 [kV]

図7

抵抗値の印加電圧依存

2.5
18.5

2.5

2
18.0

2.0

1.5
17.5

1.5

17.0
1

1.0
温度上昇

16.5
0.5

30kV印加温度上昇（℃）

1.6

段間電流（μA)

1分後抵抗値 [GΩ]

2.6

0.5

段間電流

16.0
0

0.0
0

5

10

15

20

電圧印加時間（時間)図８

段間電流と温度の関係（2）電圧印加に伴い碍子表面からガスが発生し真空度が劣化した（図９）。表
面電流による局所加熱が原因と推定した。分割抵抗の設置と低抵抗碍子の抵抗値を 20GΩとすることにより表面電流量を１桁下げる方式を採用する。

31

真空度変化 [nPa]

0.6

2段目
3段目
4段目
5段目
6段目

0.5
0.4
0.3

真空度悪化

0.2
0.1
0.0

目標仕様
0

10

20

30

40

50

印加電圧 [kV]
図９高電圧印加時のガス放出

４．500kV 碍子の構想設計
高電圧 DC ケーブルは、絶縁材料の破壊絶縁強度ばらつきに対する安全係数２と地絡放電時の電圧振動に対する安全係数２を考慮し、安全係数４で設計してファインメット
カットコア

直流高電圧ケーブル

0V
ブッシング
抵抗器

C-R-D分圧器
（10段）

中継器
低抵抗碍子
（帯電防止）

HVPS
300kV

A

500kV

図１０

高電圧印加時のガス放出

きた。電圧振動を回避する分圧器（CR＋Damping Diode の並列回路）を導入する
ことにより安全係数を緩和した設計が可能となる。1 段 50kV のドーナツ状の分32

圧器を 10 段重ねとして、500kV 碍子とケーブル間に同軸上に配置する図 10 の構成を提案した。ケーブル長３ｍでの静電容量 300pF とインダクタンス 1μH から
電圧振動周波数は約 10MHz、ピーク電流 104A となるため使える Damping Diodeが限定される。ファインメットカットコアを追加することで電圧振動周波数を1MHz 以下に抑えられ、実用的設計が可能となる。
５．まとめ、次年度の予定
高電圧試験装置の真空排気系を強化し、実電子銃と同程度の到達真空度 3.8
×10-9 Pa を達成した。並行して改造を進めた電子顕微鏡電子銃用の段間試験装置を利用して低抵抗試験碍子の耐電圧特性を評価し、本評価結果に基づき５００
ｋV 絶縁碍子の構想設計に着手した。次年度は、５００ｋV 絶縁碍子の詳細設計を進め、試作検証する予定である。
開発スタッフ
責任者 ： 小瀬 洋一（日立ハイテクノロジーズ）
担当者 ： 渡辺 俊一、橘内 浩之、佐藤 修、大橋
田 実（日立ハイテクノロジーズ）
参考文献（２０１０年度中の発表および掲載論文）
なし

33

利幸、村越

久弥、金

C-2. 直流高圧電子源開発
Development of High-Voltage DC Electron Guns
概 要
将来の高輝度小型光子ビーム源の要素技術として、直流高圧電子源の研究開発を進めている。ビーム引き出し試験をおこなうために、電子銃にカソード電極、非蒸発ゲッターポンプを組み込み、ビーム引き出し用のビームラインを構築した。380kV までの高電圧印加と 300kV でのビーム引き出しに成功した。また、
原子状水素ビームによる光陰極の洗浄技術の向上に取り組み、光陰極の量子効率と寿命の大幅な改善を得た。
１．はじめに超伝導加速による光子源において発生する光子（Ｘ線）の輝度、強度を増大するには、電子ビームを連続的に加速する運転モード（ＣＷ運転）が望ましい。
CW 運転を実現するには超伝導加速器、電子銃ともにパルス運転モードとは異なる性能の装置が必要である。われわれは、CW 運転を実現する低エミッタンス大電流電子銃として、半導体光陰極を備えた直流高圧電子源（光陰極ＤＣ電子銃）を採用し、開発を進めている。このタイプの電子銃を採用した理由は次の通りである。(1) 光陰極はレーザーを半導体に照射して光電子を発生するので、モードロックレーザーからピコ秒の電子パルス列を直接生成し超電導加速器へ入射できる。同時に低エミッタンス電子ビームの生成にも適している。(2) RF 電子銃（常伝導）では RF 空洞の発熱のために CW 運転が困難であるが、DC 電子銃は容易に CW 運転を行うことができ、また DC 電源の容量次第で大電流にも対応可能である。
図 1 に開発中の光陰極 DC 電子銃の構成を示す。カソード電極先端にインストールされた光陰極にレーザーを照射すると光電子が生成される。光電子はカソード・アノード間の DC 電圧で加速され電子ビームとなる。電子ビームの空間電荷効果を抑制し、低エミッタンスビームを生成するには、できるだけ高い加速勾配で、短い距離で高エネルギーまで電子を加速する必要がある。そこで、われわれは米国ジェファーソン研の運転実績 350kV を大きく上回る 500kV 電子銃の開発を進めている。欧米でも同タイプの光陰極 DC 電子銃が開発されているが、500kV の加速電圧は未だ達成されていない。500kV の加速電圧が困難な理由は、セラミック管とカソード電極をつなぐサポートロッドから発生する電界放出電子によるセラミック管の破損問題が深刻なためである。われわれは、分割型セ
ラミック管とガードリングを用いて、電界放出電子がセラミック管に直接到達しないような設計を考案した。これによりセラミック管破損問題を解決し、昨年度世界で初めて 500kV の高電圧印加に成功した。
昨年度の 500kV 高電圧印加試験は、サポートロッドからの電界放出電子の効果を調べるため、電子銃の高電圧容器（真空槽）の内部にはカソード・アノー
ド電極、真空ポンプなどの構造物を設置せずに実施した。今年度は、次段階として電子ビーム生成に取り組むため、カソード・アノード電極、及び非蒸発型
ゲッターポンプを電子銃高電圧容器に設置した。このような電子銃の構成で、
34

１）高電圧容器で 1x10-9Pa 以下の極高真空を実現し、２）380kV までの高電圧印加を達成した。さらに、昨年度までに開発した光陰極準備容器と光陰極導入容器を電子銃本体の高電圧真空容器に接続した。光陰極準備容器で活性化した光陰極をトランスファーロッドでカソード電極に輸送、固定し、３）300kV での電子ビーム生成を行った。また、昨年度準備した原子状水素ビームによる光陰極
表面洗浄装置を用いて、４）光陰極の量子効率を 7%から 13%に、寿命を 270 時
間から 2000 時間に向上させることに成功した。これらの成果を以下に述べる。

図 1：500kV 光陰極 DC 電子銃の構成。絶縁用のセラミック管の上端に負電位（-500kV）を印加する。カソード電極の先端中央に光陰極が装着され、正面から照射されるレーザーによって光電子を発生し、アノード電極側に引き出される。
２．カソード電極と非蒸発ゲッターポンプの組み込み
光陰極 DC 電子銃は、負電子親和力をもった半導体陰極(GaAs など)と組み合わせることで、極めて小さなエミッタンスと大電流を両立した電子ビームの発生が可能になる。このような半導体陰極は、負電子親和力をもった表面が壊れやすいために長寿命の光陰極を実現するのが困難であった。光陰極の長寿命化には、次に述べるように高電圧真空容器で極高真空を実現するのがもっとも効果的である。光陰極から生成された電子ビームは高電圧真空容器中の残留ガスと相互作用し、ガスをイオン化する。このイオンがカソード・アノード電極の DC
電圧に捕獲されると、電子ビームとは逆向きに加速されて光陰極に衝突する。
その結果、負電子親和力をもった表面が破壊され、光陰極の量子効率が劣化する。この現象をイオンバックボンバードメントと呼ぶ。このイオンバックボン

35

バードメントを減らすことが実用的な長寿命光陰極の実現に重要であり、そのためには極高真空を達成して残留ガス密度を小さくするのが最も効果的である。
そこで、高電圧容器の真空度を高めるために、20 本の 400 l/s の非蒸発型ゲッ
ターポンプと、5 本の 2000 l/s のゲッターポンプをインストールした（図 2 参照）。合計 18000 l/s の非蒸発型ゲッターポンプと 200 l/s のイオンポンプを用いて、目標である 1x10-9Pa 以下の極高真空を高電圧容器内で実現した。

図 2：非蒸発型ゲッターポンプとインストールの様子。写真上は、15 本の400 l/s 非蒸発型ゲッターポンプを 5 本/組でヒーター電源線を配線した様子を表す。カソード・アノード電極周囲に 4 組（計 20 本）の非蒸発型ゲッター
ポンプを写真左下のようにインストールする。高電圧印加を行うため、ポン
プにはメッシュシールドを被せる（写真右下）。
電子ビーム生成に必要なカソード・アノード電極を、光陰極中心を高電界に保ちつつ、その他の表面電界ができるだけ低くなるように設計、製作を行った。
光陰極中心を高電界にするのは、電子ビームを素早く加速してエミッタンスの劣化を抑制するためである。それ以外の電極表面については、電界放出電子を減らして放電を防ぐため 500kV 印加時に最大表面電界が 11MV/m 以下になるように配置と形状を設計した。また、2 次電子放出係数が小さく高電圧印加に適したチタン材で電極を製作した。電極と共にインストールした非蒸発型ゲッターポンプには、メッシュシールドを被せて高電圧印加時の放電を防ぐように工夫した。
36

図 3：高電圧印加試験のセットアップ。500kV 電子銃のアノード電極下流に NaI 検出器を配置し、放射線をモニターしながら電圧印加する。
電極と非蒸発型ゲッターポンプのインストール後に高電圧印加試験を行った。
印加試験中の電子銃セラミック管等へのダメージを最小化するため、放射線と真空度をモニターし、3・Sv/h 以上の放射線、1x10-6Pa 以上の真空度を検出すると自動的に高電圧をオフするインターロックシステムを設けた。図 3 に高電圧印加試験のセットアップを示す。試験の結果、図 4 に示すように 380kV までの高電圧印加に成功した。380kV で電界放出電子による放射線の増加が観測され、さらなる高電圧印加が困難となったため、試験を中断して原因究明を行っている。これまで明らかになった原因は、2000 l/s の非蒸発型ゲッターポンプのメ
ッシュシールドがカソード電極に近すぎること、カソード電極に付着した微細な粉塵が電界放出電子の原因となることである。今後、それぞれについて対策を施し 500kV 印加試験を継続していく予定である。

37

図 4：カソード・アノード電極、及び非蒸発型ゲッターポンプを高電圧容器にインストールした後の高電圧印加試験結果。250kV まで短時間に印加することができた。放射線と真空度をモニターしながら、以降は 4～5kV
毎時のペースで電圧印加を行うことができた。380kV で電界放出電流が観測されたため、高電圧印加試験を一時中断し原因究明、対策を行っている。
３．電子ビーム引き出し試験
380kV までの高電圧印加に成功したことを受け、300kV での電子ビーム生成試
験を行った。電子ビーム生成には電極のアラインメントが重要である。われわれは、図 5 に示す簡便なアラインメント方法を考案し適用した。レーザーをビームライン下流からアノード電極中心へ向かって打ちこむ。この入射レーザー
はアノード電極面に押し当てられた鏡で反射される。反射レーザー光軸が入射光軸と一致するように、レーザー軸を調整し、調整後のレーザー光軸を電子ビームラインと定めた。次に、鏡を外してレーザーをカソード先端の光陰極で反射させ、このレーザー反射光が入射光軸と一致するようにカソード電極のアラ
インメントを行った。下流ビームラインの組み立ての際にも、レーザー光軸を基準ビームラインとして利用した。
下流ビームラインは、図 6 に示すソレノイド電磁石、偏向電磁石、ビームプ
ロファイルモニタ、昨年度までに製作したビームダンプで構成され、電子銃からの電子ビームをビームダンプに導く。電子ビーム生成は、波長 530nm の半導体レーザーを偏向磁石のビューポートから光陰極に向けて打ち込むことで行っ38

た。ビームプロファイルを確認し、ビームダンプへ最大 5.7・A の電流を導くことに成功した。カソード・アノード電極を適切にアラインメントできていたた
めか、半日程度の短時間でビーム生成試験を実施することができた。将来目標
である 10mA ビーム生成時には、ビームダンプが局所的に高温になることを防ぐため、ビームを拡大してビームダンプに導く必要がある。ビーム拡大は、ビー
ムダンプ前に設置した 2 セットの偏向電磁石で行う。偏向電磁石に交流電圧を印加してビーム試験を行い、設計通りのビーム拡大をプロファイルモニターで確認した。今回の試験でビームダンプに導いた最大電流が 5.7・A であったのは、
ビームダンプで発生する放射線が、電子銃実験室のエリアモニターの観測で1・Sv/h を超えたためである。ビームダンプ外への放射線放出を防ぐため、ビー
ムダンプ周囲に鉛を積むことを検討し、鉛シールド用の架台を製作した。

図 5：電極アラインメントセットアップ。アノード電極下流から電極中心に向けて外部レーザーを通し、アノード電極面に反射鏡をあてて、反射
レーザー光を観測する。入射光と反射光が一致するようにレーザー光軸を調整し、ビームライン軸とする。次に反射鏡を外し、光陰極からのレーザ
ー反射光をモニターしながら、カソード電極の向きを調整し、カソード・
アノード電極のアラインメントを行う。

39

図 6：下流ビームライン。写真左奥が電子銃本体。偏向電磁石のビュー
ポートからレーザーを光陰極に向けて打ち込み、電子ビームを生成する。
電子ビームはソレノイドを通り、偏向電磁石で 60 度曲げられ、ビームダ
ンプに導かれる。偏向電磁石後に上下、左右 2 組の空芯偏向磁石を設置した。交流電圧を印加するとビームダンプ上でのビームサイズが拡大する。ビームダンプ前にはプロファイルモニターがあり、ビームの位置とサイズを確認することができる。
４．原子状水素ビームによる陰極表面の洗浄
昨年度までにわれわれは光陰極の量子効率 7%、1/e 寿命 10 時間を達成していた。しかしながら、この性能は長時間のビーム生成試験には不十分であるため、
今年度光陰極準備システムの改良にも取り組んだ。光陰極はモリブデン製の基板保持機構（パック）にインジウムで接着されている。このパックを図 1 に示す 3 種類の真空容器間で移送し、導入容器で光陰極表面を洗浄、準備容器で光陰極表面を活性化、高電圧容器で電子ビーム生成を行う。試験を繰り返すうちに、このパック表面の面精度が不十分で、光陰極との接着が一部でしか行われてないことが明らかになった。これでは、加熱による光陰極表面の洗浄が均一に行えないため、量子効率と寿命性能に悪影響を与える。そこで、パックを再加工して面精度を上げ、加熱による表面洗浄を行った。その結果、光陰極の量
子効率は 7%、寿命は 270 時間まで向上した。次に、昨年度までに導入した原子状水素による光陰極表面洗浄を実施した。通常の加熱洗浄では、光陰極表面を550℃まで加熱し、炭化物、酸化物を除去し光陰極面を清浄にする。原子状水素による洗浄では、還元反応を用いて低温の 450℃加熱で光陰極表面を清浄にすることができる。洗浄過程で表面に与えるダメージが小さい利点がある。図 7 に水素洗浄装置のイメージ図を示す。この装置を用いて光陰極を洗浄後、図 8 に示すように量子効率 13%、寿命 2000 時間を達成した。今後の大電流ビーム生成試験にも対応できると考えている。

40

図 7：光陰極導入容器にインストールした水素洗浄装置とタングステン
ヒーター。パックの裏面から光陰極表面を 450℃まで加熱し、原子状水素を照射することで光陰極表面に付着している酸化物、炭化物を効率的に除去する。

図 8：光陰極の量子効率と寿命曲線。ヒーターによる加熱洗浄のみの場
合、最大量子効率 7%、1/e 寿命 270 時間であった。水素洗浄を行うことで、最大量子効率は 13%、寿命は 2000 時間に延びた。
５．次年度の予定
高電圧印加の障害となっている現象（ポンプシールドの配置と加工、電極表

41

面の粉塵など）を特定し、その解決を図る。実用機における運転を想定して、
光陰極パックの多重化を行い、寿命の終わった光陰極を迅速に交換できるようにする。これらの装置開発・改良を施した後に 500kV 電圧でのビーム引き出し試験を行う予定である。
開発スタッフ
責任者 ：
担当者 ：

羽島
永井

良一（日本原子力研究開発機構）
良治、西森 信行（日本原子力研究開発機構）

参考文献（２０１０年度中の発表および掲載論文）[1]“ERL09 WG1 Summary: DC gun technological challenges”, N.
Nishimori, I. Bazarov, B. Dunham, J. Grames, C. Hernandez-Garcia, L. Jones,
B. Militsyn, M. Poelker, K. Surles-Law, M. Yamamoto, Proc. of the 45th
Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs (ERL09),
6 (2009).
[2]“Development of a 500-kV Photo-Cathode DC Gun for the ERL Light
Sources in Japan”, N. Nishimori, R. Nagai, H. Iijima, R. Hajima, M.
Yamamoto, T. Miyajima, T. Muto, Y. Honda, M. Kuriki, M. Kuwahara, S. Okumi,
T. Nakanishi, Proc. of the 31st International Free Electron Laser
Conference (FEL2009), 277 (2009).
[3]“High-Voltage Test of a 500-kV Photocathode DC Gun for the ERL Light
Sources in Japan”, R. Nagai, R. Hajima, N. Nishimori, T. Muto, M. Yamamoto,Y. Honda, T. Miyajima, M. Kuriki, H. Iijima, M. Kuwahara, S. Okumi, T.
Nakanishi, Proc. of the 1st International Particle Accelerator Conference,
2341 (2010).
[4]“次世代放射光源用光陰極 DC 電子銃の開発”, 永井良治, 羽島良一,
西森信行, 武藤俊哉, 山本将博,本田洋介, 宮島司, 栗木雅夫, 飯島北斗, 桑原真人, 奥見正冶, 中西彊, 「加速器」Vol.7, No.2, 88-94.
[5]“ERL 放射光源 500-kV 光陰極電子銃開発の現状”, 西森信行, 永井良治,
羽島良一, 山本将博, 宮島司, 本田洋介, 武藤俊哉, 飯島北斗, 栗木雅夫, 桑原真人, 奥見正冶, 中西彊, 第 7 回日本加速器学会年会論文集, 802 (2010).
[6]“次世代光源用 500-kV 光陰極 DC 電子銃の高電圧印加試験”, 永井良治,
西森信行, 羽島良一, 武藤俊哉, 山本将博, 宮島司, 本田洋介, 飯島北斗, 栗木雅夫, 桑原真人, 奥見正冶, 中西彊, 第 7 回日本加速器学会年会論文集, 806(2010).
[7]“次世代放射光源用光陰極直流電子銃”, 永井良治, 羽島良一, 西森
信行, 「光アライアンス」Vol.22, No.1, 38-43 (2010).
[8]“次世代光量子源用 500kVDC 電子銃のビーム引き出し試験”, 永井良治, 西森信行, 羽島良一, 山本将博, 宮島司, 本田洋介, 栗木雅夫, 飯島北斗,
桑原真人, 奥見正冶, 中西彊, 日本原子力学会 2010 年秋の大会, 札幌, 2010 年
9 月.
42

[9]
“Development of a 500-kV Photo-Cathode DC Gun for ERL Light
Sources”, N. Nishimori, R. Nagai, R. Hajima, M. Yamamoto, T. Miyajima,Y. Honda, T. Muto, H. Iijima, M. Kuriki, M. Kuwahara, S. Okumi, T. Nakanishi,
XXV Linear Accelerator Conference (LINAC10), Tsukuba, Japan, Sep. 2010.
[10]“Development of a 500-kV Photo-Cathode DC Gun for ERLs”, N.
Nishimori, R. Nagai, M. Yamamoto, Y. Honda, T. Miyajima, H. Iijima, M.
Kuriki, M. Kuwahara, S. Okumi, T. Nakanishi, R. Hajima, Workshop on Sourcesof Polarized Leptons and High Brightness Electron Beams (PESP2010),Bonn,
Germany, Sep. 9, 2010.
[11]“Status of development of a 500kV photocathode electron gun for
ERL light sources”, N. Nishimori, R. Nagai, R. Hajima, M. Yamamoto, Y.
Honda, T. Miyajima, H. Iijima, M. Kuriki, M. Kuwahara, S. Okumi, T.
Nakanishi, China-Korea-Japan Joint Workshop on electron/photon sources andapplications, Shanghai, China, Dec. 2010.
[12]“JAEA における 500kV 光陰極電子銃開発”, 西森信行, 永井良治, 羽島
良一, 山本将博, 本田洋介, 宮島司, 飯島北斗, 栗木雅夫, 桑原真人, 奥見正冶, 中西彊, 第 8 回高輝度高周波電子銃研究会, 東広島, 2011 年 1 月.
[13]“次世代 ERL 光源のための 500kV 光陰極電子銃開発”, 西森信行, 日本
物理学会第 66 回年次大会, 新潟, 2011 年 3 月.
[14]“次世代 ERL 光源のための 500kV 光陰極電子銃開発の現状”, 西森信行,
永井良治, 羽島良一, 山本将博, 宮島司, 本田洋介, 飯島北斗, 栗木雅夫, 桑原真人, 奥見正冶, 中西彊, 日本原子力学会 2011 年春の大会, 福井, 2011 年 3月.

43C-3. CW 超伝導加速空洞研究開発
R&D on CW Superconducting Cavity
概要
将来の高輝度小型光子ビーム源の要素技術として、直流高圧電子源と組み合わせて使用する CW 超伝導加速研究開発を進めている。今年度は、加速に有害な高調波（HOM）を空洞から取り出した後に吸収するための HOM ダンパーの開発として、HOM ダンパーの伝熱特性の測定を行った。
１．はじめに直流高圧電子源で発生する低エミッタンスかつ大電流の電子ビームを CW 超伝
導主加速器で安定に加速するためには、ビーム加速によって励起される空洞の高次モード（Higher-Order Mode：HOM）を抑制することが重要である。超伝導空洞の場合、空洞壁での HOM 損失がほとんどないため、空洞内で励起されたＨ
ＯＭはビームパイプを伝播させ、ビームパイプの途中にある高周波吸収体を含むＨＯＭダンパーで吸収・減衰させる。HOM ダンパーは２K の低温に冷却された超伝導空洞間に配置され、クライオモジュールと呼ばれる真空断熱槽の中に設置される。HOM ダンパーは HOM を吸収して発熱するため冷却が必要であるが、空洞の２K 部分への熱侵入を減らすために、また冷却効率を考慮して液体窒素温度程度に冷却される。そのため昨年度は低温で使用可能な高周波吸収体を調べ、ＨＯＭダンパーに最適な高周波吸収体を選択した。今年度は HOM ダンパー実機を製作する際に重要な温度特性を調べるため、HOM ダンパー試作機を製作し、冷却試験、伝熱特性試験を行った。
２．HOM ダンパーの伝熱特性の測定
HOM を十分吸収できるだけでなく、HOM ダンパーに求められる構造的な性能としては、
1) HOM 吸収による発熱を 100W と想定しているが、クライオモジュール内の８０K の温度定点を用いて HOM ダンパーを十分に冷却できること
2) できるだけコンパクトな構造をしていること
3) ２K の液体ヘリウム冷却領域への入熱が少ないことなどがある。
フランジ接続の自由度や熱収縮の余裕のためにフランジ部分との接続にベローズを用いるが、ベローズ前後のビームパイプの接続には高周波ブリッジが用いられる。HOM ダンパーから液体ヘリウム領域への入熱を小さくするために櫛歯型高周波ブリッジを用いた。櫛歯型高周波ブリッジは櫛歯が互いに噛み合うよ
うに対向した構造をしている。高周波ブリッジは、機器内部の隙間や空洞を埋めてバンチに伴う壁電流を滑らかに流すことで、ＨＯＭの発生を防ぎ、またビームインピーダンスを下げる役割を持っている。従来、高周波ブリッジには薄い金属製のフィンガー型が用いられてきたが、フィンガー型は隙間から漏れる
HOM によって機器が発熱し易く、フィンガースライド部の電気的接触の保証が難
44

しいなどの問題があった。これに対し、櫛歯型はフィンガー型の高周波接続に比べてインピーダンスが小さく、熱伝導も小さいという利点がある。櫛歯型の中央部分にフェライトを焼結し、その冷却のために 80K アンカーを設けた。また両フランジには空洞への熱侵入を減らすために 4K アンカーを設けた。HOM ダ
ンパーの概略図を図１に示す。HOM ダンパーの冷却特性を調べるためにフェライ
トなしの HOM ダンパー試作機を製作し、液体窒素での冷却が可能な真空断熱槽に設置し、液体窒素温度での冷却試験を行い、HOM ダンパーの伝熱特性などを測定した。

4Kアンカー
80Kアンカーフェライト

櫛歯型高周波ブリッジ
ベローズ
図１

HOM ダンパーの概略図

HOM ダンパー試作機を図２のように真空断熱槽に設置した。液体窒素溜めとHOM ダンパー試作機との接続には、実機モジュールでの接続とほぼ同じ状況を再現するためブレード線と伝熱板を用いた。断熱真空槽内のスペースの都合によりブレード線としては断面積 100mm2、長さ 200mm のものを 4 本用いたが（図３）、2
実機モジュールでは断面積 100mm 、長さ 150mm のブレード線を 8 本用いる予定
であり、今回の試験でも十分評価可能である。またフェライトでの高調波吸収による発熱を模擬するため HOM ダンパー試作機の中央部にリボンヒーターを貼付けた（図４）。

45

図２

断熱真空槽に HOM ダンパー試作機を設置したところ

図３

液体窒素溜めと HOM ダンパー試作機をブレード線で接続

図４

HOM ダンパー試作機内側にリボンヒーターを取り付けたところ

液体窒素による冷却開始から８０K アンカーおよび上下両側フランジの温度を測定した結果を図５に示す。８０K アンカー部分に比べ両側フランジの冷却が遅いのが分かる。これは両側フランジの冷却は厚さ 0.15ｍｍのベローズを通して冷却されるためであり、この冷却速度の違いからベローズの熱抵抗を求めることができ、その結果を図６に示す。この結果はベローズ形状から求めた熱抵
抗値の 200K/W や伝熱シミュレーションコード ABAQUS を用いた計算結果の46

150K/W に比べて小さな値になっている。熱抵抗が小さいということはベローズ
以外の部分を通しての伝熱があると考えられるが、その原因のひとつとして輻
射による冷却が考えられる。対向する櫛歯間やフランジと周りの熱シールド間で温度差があるとその間で輻射による伝熱が起こる。冷却後 1 日経った頃の温度データから輻射による熱抵抗を計算すると櫛歯間で 340K/W、フランジと熱シールドの間で 150K/W となる。輻射による伝熱は各部分の温度が低くなれば急激に減少していく。図６においても各部分が冷却されるに従って熱抵抗が大きくなっている様子がうかがえる。この輻射の影響は液体窒素温度になった時にはほとんど無視できる値となり、測定値も計算値とほぼ同等の値になるものと推測され、８０K 部分から４K 部分への入熱は十分小さいと言える。
300-60

熱抵抗 (K/W)

Temperature (℃)

-100
-120
-140
-160

下側

200
150
100
50

-180
-200

上側

250

８０Ｋアンカー
フランジ上側フランジ下側

-80

0
0

0.5

1

1.5
2
Time (day)

2.5

3

0

0.5

1

1.5
2
Time (day)2.5

3

図６ 上側および下側フランジに繋がっているベローズの熱抵抗の時間変化

図５ HOM ダンパー冷却時の 80K ア
ンカーおよびフランジの温度変化

次に HOM ダンパー試作機中央部分のヒーターによる各接続部品の温度上昇を測定した。リボンヒーターに 38W を投入したときの各接続部品の温度上昇を表１に示す。温度差ができるところは主にブレード線および伝熱板である。ブレ
ード線を短くすることや、伝熱板の厚みを増すことにより温度差をさらに小さくすることは可能であり、モジュール化において液体窒素温度の温度定点の位置を検討し、実機においてより効率的に冷却し、入熱の小さな HOM ダンパー製
作の目処を付けることができた。

47

表１

冷却試験における伝熱部品ごとの温度差
温度差 (K)
38W (測定値)

100W (実機推定値)

液体窒素タンク－ブレード線

0.7

1.8

ブレード線両端

37.0

36.5

ブレード線－伝熱板

7.4

伝熱板両端

9.3

24.5

伝熱板―80K アンカー

1.1

2.9

80K アンカー－銅基盤（フェライト部）

0.9

2.4

合計

51.8

75.5

３．次年度の予定
次年度は HIP フェライト付きの HOM ダンパーを製作し、冷却・昇温などの熱サイクルにおける HOM ダンパーの耐久性能を調べていく予定である。

開発スタッフ
責任者 ：
担当者 ：

羽島
沢村

良一（日本原子力研究開発機構）
勝（日本原子力研究開発機構）

参考文献（２０１０年度中の発表および掲載論文）[1] “ERL HOM Absorber Development in Japan”, M. Sawamura, T. Furuya, H.
Sakai, K. Umemori, K. Shinoe, Proc. of the 45th Advanced ICFA Beam Dynamics
Workshop on Energy Recovery Linacs (ERL09), 63 (2009).
[2] “KEK ERL Cryomodule Development”, H. Sakai, T. Furuya, E. Kako, S.
Noguchi, M. Sato, S. Sakanaka, T. Shishido, T. Takahashi, K. Umemori, K.
Watanabe, Y. Yamamoto, M. Sawamura, K. Shinoe, Proc. of the 45th Advanced
ICFA Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs (ERL09), 57.
[3] “Cooling Test of ERL HOM Absorber”, M. Sawamura, T. Furuya, H. Sakai,
K. Umemori, K. Shinoe, Proc. of the 1st International Particle Accelerator
Conference, 2344 (2010).
[4] “Results of Vertical Tests for KEK-ERL 9-cell Superconducting
Cavity”, K. Umemori, T. Furuya, H. Sakai, T. Takahashi, M. Sawamura, K.
Shinoe, Proc. of the 1st International Particle Accelerator Conference,
2956 (2010).
[5] “Cavity Diagnostics using Rotating Mapping System for 1.3GHz ERL
9-Cell Superconducting Cavity”, H. Sakai, T. Furuya, S. Sakanaka, T.

48

Takahashi, K. Umemori, M. Sawamura, K. Shinoe, Proc. of the 1st
International Particle Accelerator Conference, 2950 (2010).
[6] “Observation of Resonance Mode in Coaxial-type Input Coupler”, K.
Umemori, T. Furuya, H. Sakai, M. Sawamura, K. Shinoe, Proc. of the 1st
International Particle Accelerator Conference, 2959 (2010).
[7] “Power Coupler Development for ERL Main LINAC in Japan”, H. Sakai,
T. Furuya, S. Sakanaka, T. Takahashi, K. Umemori, A. Ishii, N. Nakamura,
K. Shinoe, M. Sawamura, Proc. of the 1st International Particle Accelerator
Conference, 2953 (2010).
[8] “Development for a Prototype Module for the ERL Superconducting Main
Linac at KEK”, T. Furuya, F. Hara, K. Hosoyama, Y. Kojima, H. Nakai, K.
Nakanishi, H. Sakai, K. Umemori, M. Sawamura, K. Shinoe, Proc. of the 1st
International Particle Accelerator Conference, 2923 (2010).
[9] “ERL 主加速器用超伝導加速空胴での空洞診断装置の開発”, 阪井寛志,梅森建成, 高橋毅, 古屋貴章, 篠江憲治, 石井篤, 沢村勝, 武藤俊哉, 第 7 回日
本加速器学会年会論文集, 173 (2010).
[10] “ERL 主ライナックのためのカプラー開発― 改良セラミック窓のハイパワ
ー試験―”, 篠江憲治, 阪井寛志,梅森建成, 沢村勝, 中村典雄, 古屋貴章,
第 7 回日本加速器学会年会論文集, 511 (2010).
[11] “The calculation of transverse kick by the input coupler ofsuperconducting cavity for ERL main linac”, 武藤俊哉, 梅森建成, 阪井寛
志, 沢村勝, 篠江憲治, 古屋貴章, 第 7 回日本加速器学会年会論文集, 840(2010).
[12] “Development of main linac module for Compact ERL project”, K.
Umemori, T. Furuya, H. Sakai, T. Takahashi, K. Shinoe, M. Sawamura, XXV
Linear Accelerator Conference (LINAC10), Tsukuba, Japan, Sep. 2010.
[13] “Cooling test of HOM absorber model for cERL in Japan”, M. Sawamura,
T. Furuya, H. Sakai, K. Umemori, K. Shinoe, International Workshop on
Higher-Order-Mode Damping in Superconducting RF Cavities, Ithaca, USA, Oct.
2010.
[14] “RF absorber studies for cERL in Japan”, M. Sawamura, T. Furuya, H.
Sakai, K. Umemori, K. Shinoe, International Workshop on Higher-Order-Mode
Damping in Superconducting RF Cavities, Ithaca, USA, Oct. 2010.

49

D. パルスレーザー蓄積装置開発
Development of Compact Laser Super-Cavity for High Flux X-ray
概 要
超伝導加速による次世代小型高輝度光子ビーム源における、パスルレーザー
蓄積装置開発を推進する。レーザー電子散乱による高輝度光子源の小型化のためには、パスルレーザーを共振器内に蓄積、集光し高効率でレーザー電子散乱を起こすことが重要である。本課題は、そのための 4 鏡リング型共振器の開発である。平成 22 年度は，4 鏡共振器の試作器による測定と，計算の比較検討をもとに 4 鏡共振器の最適化を行い，KEK－ATF 加速器への組み込みを念頭においた共振器の設計と製作を行った。また共振器制御システム開発のための設備を構築し技術開発を行っている。ATF に設置済みの 2 鏡共振器では，多バンチ運転
時のγ線生成数をバンチ毎に分離して測定するための測定器の改良を行い，信号の分離測定に成功した。これらと平行してフランス線形加速器研究所グループが制作した 4 鏡共振器を ATF に設置しγ線生成を確認した。
1. 平成２２年度開発事業
本事業では、パルスレーザーを共振器内に蓄積し、レーザーの強度を実効的に増大する技術の開発を目的としている。レーザーと電子の散乱頻度を上げ、生成するＸ線強度を増大するためには、レーザー蓄積共振器における蓄積率の向上及び、共振器内のレーザー・電子衝突点におけるレーザーの集光を行う必要がある。このため、平成 21 年度より継続して，4 枚の鏡からなるリング型の共振器（3 次元 4 鏡共振器）の開発を行っている。これと平行して先行して開発した 2 鏡共振器による光子生成実験を通じて経験と技術を蓄積している。平成22 年度は，平成 23 年度に 4 鏡共振器を KEK－ATF 加速器に組みこむことを念頭に，共振器の設計最適化と製作を行った。また共振器制御技術の開発では，平成 20 年度に見いだした新しい制御方法を用いた共振器制御を具体化するための試験開発装置を広島大学おいて構築し開発を遂行している。ATF に設置した 2 鏡
共振器では光子生成実験を継続した。特に ATF の多バンチ電子線によって生成される 5.6ns 間隔の光子を分離して測定するための高速測定器システムを新たに構築し，バンチ毎の光子数を分離して測定することに成功した。共同研究を行っているフランス線形加速器研究所グループが作成した 4 鏡共振器が平成 22年夏にフランスより KEK に到着し ATF に設置された。その後共振器およびレー
ザーシステムの調整を行い，レーザー電子散乱による光子生成を確認した。
3 次元 4 鏡共振器の開発
本年度は平成 23 年夏に KEK-ATF 加速器に組みこむ事を目標とした設計の最適化を行った。まず，試作機におけるレーザーの集光特性や形状の測定値と計算

50

図１ 3 次元 4 鏡共振器テストベンチの鏡構成(左図)と写真（右図）

値の比較検討を行い，計算の妥当性を確認した。図 1 左図，右図に 4 鏡共振器の鏡の配置及び，テストベンチの写真を示す。
図２左図は共振器内の集光点におけるレーザーの形状を，共振器の周長を一定に保ちつつ凹面鏡の間隔を変化させながら計算したものである 3 次元構成の 4鏡共振器の特徴として集光点においてレーザーの形状が楕円となる。試作器で強く集光すると形状の扁平率が大きくなり長軸の値として 28μm 以下にはできない。この現象は共振器内における光路（ひねり角）によることが分かっている。図 2 右図は平面鏡―凹面鏡の距離 d（図１左図参照）を 70mm にし，かつ光路のひねり角を変えた場合である。形状がほぼ円形であると同時に安定して 15
μm 以下にレーザーを集光できることが分かる。

図 2 3 次元 4 鏡共振器の鏡配置による集光点におけるレーザーの形状と凹面鏡間距離の関係。テストベンチの配置の場合（左）。鏡配置を最適可した場
合（右図）
以上の結果及び，実際に電子線とレーザーを衝突させる際の効率とレーザー形状の関係を考慮して設計した共振器が図 3 である。現在共振器およびそれを設置する真空容器の製作が進行しており，平成 23 年夏に ATF 加速器に設置することを目指している。

51

図 3 新しく設計した 3 次元 4 鏡共振器
これと平行して，共振器制御技術開発を広島大学において遂行している。4鏡共振器では平成 20 年度の研究において見いだした，共振器内を伝搬するレー
ザーの偏光状態を利用したフィードバックシステムの応用を計画している。

図４ 広島大学の 3 次元 4 鏡共振器フィードバック用テストベンチ写真（左）。
新フィードバックの構成（右）図４は広島大学におけるフィードバック技術開発用の 3 次元 4 鏡共振器テスト
ベンチ及び，テストを行っているフィードバックシステムの構成図例である。

図５ 新方式フィードバックの試験。
黄線は共振器内のレーザー強度，紫線は制御信号を示している。左図は共振器長を変化させながら，強度と制御信号を観測した場合。２つの強度の頂点は左，右偏光
レーザーの共鳴に対応する。制御信号が強度の微分情報を持っていることが分かる。
右図は強度を維持するように共振器長を制御した場合。強度が左図の頂点に対応する位置に維持されている。
3 次元共振器中では円偏光状態の光のみ蓄積することができ，またその位相は52

共振器の共振状態の情報を持っている。この方法は共振器内の円偏光レーザーの位相の変化を共振器の外部で直線偏光の方向として測定しフィードバック信号として利用できるようにしたものである。
図 5 に試験の状況を示す。図 5 左図は共振器長を変えながら透過光及びフィードバンク信号の様子を観測したものである。透過光の微分信号を得ることができているのが分かる。これの信号を用いて共振器をレーザーと共振させた様
子が図右である。基本的にはこの方法で共振器の制御が可能なことが分かる。
今後はより高いレーザー蓄積のための技術開発および，デジタル制御技術の適用に向けた開発を継続する。
KEK および広島大学を中心に開発をおこなっているレーザー蓄積共振器と平行して共同研究を行っているフランス線形加速器研究所（LAL）で開発されたレー
ザー蓄積共振器がフランスより KEK に移送され，平成 22 年夏に KEK-ATF に設置された。現在（震災後は一時帰国中）LAL より研究者が常駐体制で装置の調整を行っている。平成 22 年 12 月には同装置によってレーザー電子散乱による光子の観測に成功した。今後より高いレーザー蓄積を目指して調整を継続する。
2 鏡レーザー蓄積共振器によるγ線生成実験
昨年度に引き続き，KEK－ATF において、パルスレーザーと 2 鏡ファブリペロ
ー型共振器を用いたγ線生成実験を行った。本年度は ATF の多バンチ電子線とレーザーパルスの衝突において，γ線をバンチ毎に分離して観測するための測定器の改良を行った。ATF のバンチ間隔は 5.6ns であるため検出装置にはこれよ
り早い時間分解能が要求される。そのためシンチレーターをヨウ化セシウム（CsI）からフッ化バリウム（BaF2）に変更した。また光電子増倍管も高速のもの（浜松ホトニクス H3378-51）に変更した。BaF2 結晶は波長 220nm の高速成分と 300nm の低速成分を持っているため，BaF2 と光電子増倍管の間に光学フィル
ターを挿入し長波長成分を遮断した。測定はオシロスコープを用いて光電子増倍管からの波形を記録した。

図６ 10 バンチ運転時の測定波形。
青線は測定器からの信号，緑はフィッティング関数（左図）。右図は，バンチ毎の規格化した光子数を示す。

53

図 6 左図に ATF が 10 バンチ運転をしている際の波形を示す。今回用いた光学フィルターでは長波長成分が完全に遮断できないため，完全にバンチを分離できていないが，波形を蛍光信号の時間特性と測定器の応答を考慮した関数でフィッティングすることによって，バンチ毎の光子数を求めた。図 6 右図はレー
ザー強度と ATF の電流で規格化した光子数をバンチ毎に比較したものである。
バンチ毎に系統的な揺らぎは観測されず均一にレーザー・電子衝突が起こっていることが分かる。今後，光電子増倍管の改良による応答速度の向上を図るともに，LAL グループとの協力により，データ収集系も連続した多バンチ測定ができるようにする予定である。
2. 平成 22 年度のまとめと 23 年度計画
平成 22 年度に行った開発事項は以下の通りである。
3 次元 4 鏡共振器開発について，
 テストベンチにおけるレーザー伝搬と計算の比較における定量的な一致を元に，ATF に組みこむための共振器の設計と製作を行った。
 共振器中のレーザーの偏光状態をもちいた新しい制御方式について，開発環境を構築しテストを開始した。
 フランス線形加速器研究所（LAL）において開発されていた 4 鏡共振器が ATFに設置され，レーザー・電子散乱によるγ線生成を確認した。
2 鏡共振器による光子生成実験について
 多バンチによるγ線を分離して測定できる装置を開発し測定に成功した。
以上を踏まえ平成 23 年度は以下の項目の推進を予定している。
 KEK―広島大学の共同で開発した新 4 鏡共振器を ATF に設置し（平成 23年夏），
レーザー・電子散乱によるγ線生成の確認を目指す（平成 23 年秋～）
 広島大学においてテスト中の共振器制御装置を上記共振器へ応用する。アナ
ログ方式の導入から開始し，デジタル方式の進捗にあわせてこれに置き換えることを目指す。
 LAL の 4 鏡共振器の調整，整備をフランスグループと共同して進める。
 多バンチγ線測定装置の改良をフランスグループとの協力で推進し，測定器の応答速度の向上及び，長時間連続測定可能な装置の開発を行う。
3. 総括
責任者
担当者

高橋 徹（広島大学先端物質科学研究科）
本田洋介（高エネルギー加速器研究機構）

学会発表など三好修平
KEK-ATF における ILC 偏極陽電子源の為のレーザー蓄積共振器を用いたガンマ線生成実験 日本物理学会 2010 年分科会 2010 年 9 月
赤木智哉
高輝度偏極光源の為の 4 枚鏡光蓄積共振器の開発
2010 年分科会 2010 年 9 月
三好修平
KEK-ATF における ILC 偏極陽電子源の為のレーザー蓄積空洞を用54

いた高輝度ガンマ線生成実験
日本物理学会 日本物理学会第 67 回年次大会 2011 年 3 月
赤木智哉
レーザーコンプトン散乱を用いた高輝度偏極光源の為の 4 枚鏡
光蓄積共振器の開発 日本物理学会第 67 回年次大会 2011 年 3 月
吉玉均 3 次元 4 枚共振器における新型フィードバック方式の研究
日本物理学会第 67 回年次大会 2011 年 3 月
高橋 徹
Applications of a high finesse Fabry Perot Cavity for the
ILC、 TYL'10 2010 年 6 月
高橋 徹
Status of the optical cavity R&D at ATF
IWLC2010 2010年 10 月
大森恒彦
Japanese cavity: results, status and future IWLC2010 2010年 10 月赤木智哉
Development of three dimensional 4-mirror ring cavities forintense photon generation
PoiPol2010 2010 年 6 月
三好修平
Status of the experiment with the 2-mirror cavity at KEK-ATF
PoiPol2010 2010 年 6 月
F. Zommer
Status of 4-mirror cavity for ATF PoiPol2010 2010 年 6 月
高橋 徹
Status of Hiroshima-KEK Compton Experiment at ATF
ALCPG11 2011 年 3 月
博士学位論文三好修平“ Development of a Polarized Positron Source by laser
Compton Scattering using an Optical Resonant Cavity”, 広島大学 大学院
先端物質科学研究科 2011 年 4 月

55

E. パルス超伝導加速空洞技術の開発
Development of superconducting cavity for pulsed operation
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、超低エミッタンス
ビームの加速に必要なパルス運転型の超伝導加速空洞の研究開発を進めている。
本計画では、1.3GHz 9 セル超伝導空洞 2 台からなるクライオモジュールを、平成 23 年度に完成させ高電界運転とビーム加速運転をする事を目指して開発する。
超伝導加速空洞はビームのウェーク場の影響を受けにくい大きなビームアパー
チャーの空洞であり、なおかつ超伝導を利用し高電界を出すものである。大きなビームアパーチャーはビーム通過による高調波モードの減衰にも有利である。
実用化に必要な高電界化の開発研究のため、HOM ダンパー付９セル加速空洞の製作と表面処理および縦型クライオスタットによる電界試験、クライオモジュールに空洞を装着しての高電界試験を行なっている。平成２２年度の最も重要な成果は、多連化した HOM ダンパー付９セル加速空洞を横型クライオスタットに装着して高電界試験を行い、ローレンツ離調補正制御と加速フィールド安定化のフィードバック制御を行って高精度な加速場性能を達成した事、およびHOM ダンパー付９セル加速空洞が縦型クライオスタット高電界試験において40MV/m 以上の非常に高い加速電場を達成した事である。これは加速場制御技術の完成と空洞表面処理技術、空洞アセンブリー技術の大幅な改善効果があった
事を示している。次年以降の目標は、これら開発された技術を総合的に組み合
わせ、高精度なビーム加速を行って高フラックス X 線生成を実証する予定である。
１．９セル超伝導空洞の開発
ビーム加速に使用する超伝導加速空洞において高い加速勾配を得るために重要な事は、空洞セルに使用するニオブ材の純度や RF 場がかかる空洞内面の平滑度と清浄度である。ニオブ板材のプレス成形や電子ビーム溶接という製造過程
で内面の平滑度を保ち、傷や溶接スパッターボール、溶接ピットなどを生じさせない事が重要であり、製造後の表面処理において電界放出を誘導するような異物や微小粉塵の付着を無くする事が重要である。本開発では、９セル加速空洞を製作し、その機械強度測定や高周波特性測定を行ない、製作誤差の評価と内面平滑度の評価を行っている。さらに内面の電解研磨表面処理を行ない、その内面の欠陥や異物の検査を行なって表面処理の評価を行い、最終的に高電界試験により光学検査ではわからない微小な欠陥や異物評価を行う。今年度の研究では、徹底した電界研磨設備環境の清浄化を行い、電界研磨で空洞内部に残存析出する酸化ニオブ微小粒やイオウ微小粒の除去を行う処理方法を導入し、微小粉塵の混入を 最少とする超純水高圧洗浄手順を採用、引き続くクリーンルーム内での空洞ベーキングにおいてもシール材表面のインジウム溶出が起きないように工程を改善した。その結果、９セル加速空洞の性能を 40MV/m の高電界まで上げる事ができた。これは、ニオブ材料と使用している高周波の周波数および空洞形状で決まる限界値は 40MV/m 付近と推定されているが、その限界性能
56まで到達している。図１に高フラックス X 線源試験に使用する予定の９セル加速
空洞の縦型高電界試験結果の１例を示す。効率の良さを表す Q0 値の落ちがそれほど大きくなく40MV/mの加速勾配に達しており、空洞が高性能である事を示している。

図１：９セル加速空洞 MHI-012 の高電界試験結果（赤■は温度 4.2K での結果、
青●（１回目）と赤 ●（２回目）は温度 2K 近くでの２回の試験結果であり、赤●の方が最終的な空洞性能である。）
超伝導空洞の横置きクライオスタット試験
ビーム加速に必要な超伝導空洞のパルスRF運転においては、パルス幅1.5ms、
繰り返し5 Hzのパルス運転を安定に行う必要がある。ビーム加速は0.5ms後から
1.5msまでの間のフラットトップ部で行い、この時に加速電界を高精度に一定に保持しなければならないが、パルス運転では電磁界応力による空洞変形でローレンツ・デチューニングという時間とともに空洞共振周波数が大きく変化していく離調が発生してRFパワーが空洞に入らなくなり、その結果、加速電界もパルスの終端まで低下し続ける。加速電界および空洞位相を一定に保持するために、このローレンツ・デチューニングをピエゾチューナーにより補正し、さらに入射RF振幅と入射RF位相を制御するRFフィードバックをかけて、ビーム加速ができる電場を供給できる事を実証しておく必要がある。
２２年度では、ビーム加速のための準備試験として横置きクライオスタットに装着した８台の９セル超伝導空洞のパルスRF運転試験を行った。ここでは、４種のピエゾチューナーが試験され、かつ各種の性能の空洞８台のばらつきのある電界性能のバランスをとって１台のRF源から大電力を供給する試験も行なわれた。チューナーには、スライドジャッキチューナー２種類、ブレードチューナーおよびサクレー型チューナーが使われた。図２にその試験が行われた連結型クライオスタットの写真を示す。RFパワーは地上部に設置された5MWクライ
2.

57

ストロンから導波管により供給される。写真は導波管を取り外したところである。
内蔵している８台の超伝導空洞の加速勾配性能を図３にまとめて示してある。
個々の空洞の電界試験の平均は 30MV/m であったが、クライオスタットに装着後の電界の平均は27MV/m、７空洞合成運転では26MV/mであり、横型に装着するときに粉塵が混じり込んだためと考えられる13%ほどの性能低下が起きた。

図２： 横置きクライオスタットの全景写真。右側にはDESY製空洞２台とFNAL製
空洞２台とが内蔵されている。左奥側のクライオスタットにはKEK製空洞４台が内蔵されている。直径1mのクライオスタットが連結され全長15mの長さの試験装置となっている。

図３：横置きクライオスタット試験に内蔵されている空洞の性能をまとめてある。
青バーは縦型電界試験のときの加速勾配、赤バーは横置きクライオスタットに装着してから１台ずつ試験を行った時の加速勾配、水色バーは４台１組にしてRFパワーを入れたときの各空洞の到達加速勾配、緑バーは７台１組（１台はチューナー故障により合成運転からはずしてある）のときの各空洞の到達加速勾配。
ローレンツ・デチューニングの補正試験および高精度フィードバック応用試験
がこれら８台の超伝導空洞に対して行われた。KEK製造の空洞にはスライドジャ
ッキチューナーが取り付けてあるが、その評価は38MV/mという高電界をかけて、より厳しい条件で行われ、その結果を図４に示す。スライドジャッキチューナ
ーは高電界でより安定に運転できるように設計されたもので、高電界で離調が58

少ないものであるが、それを裏付けるように(a)図ではピエゾによる補正をしない状態で200Hz程度の離調であり、他のチューナーが600Hz程度となるのと比べて小さく抑える事ができている。(b)図では、ピエゾを用いて補正をし、20Hz程
度まで小さくできている事を示している。
高安定なビーム加速にはさらにデジタルフィードバック技術が必要であり、その技術実証試験も行われた。各空洞からのピックアップ信号はベクトル合成
され、周波数変換されてより低い周波数に落とされてから高精度ADコンバータ
ーによりデジタル化される。その検出デジタル信号は高速演算器FPGAによりフィードバック信号が計算されDAコンバーターによりクライストロン入力RF信号に非常に短いループ時間でフィードバックされる。図５にベクトル合成信号による７空洞合成運転のときのRF振幅の変化を示す。各空洞の調整が綿密に行われ、合成時の各空洞のフラットトップでの曲りがすくなく抑えられている事がわかる。この時に、フラットトップのビーム加速に使用する加速場は振幅で0.006%rms、位相は0.002度rmsと非常に安定化できている。また、７空洞の合成
運転時(平均25MV/m)の合成ベクトルフィードバック運転時の長時間安定度を図６に示す。最上図はその平均加速勾配の変化が0.03%程度であった事を示している。中段はフラットトップ内の振幅のばらつきの変化(~10ppm程度)、下段は位相のばらつきの変化（0.002度程度）を示している。不幸にして１台の機械式チューナーが故障したので、周波数を合わせる事ができず、８空洞合成運転はできなかった。その原因究明は２３年度に行う予定である。

(a)

(b)

図４：MHI-06空洞において、38MV/mという高電界でのローレンツ・デチューンの補正の例。(a)ではピエゾによる補正をしない場合の離調（上図の青線）と各59

パワー(Pf,Pb,Pc)の変化の様子を示し、(b)ではピエゾによる補正をした場合の離調（上図の青線）と各パワー(Pf,Pb,Pc)の変化の様子を示す。加速に使用す
るパルス頂上部での離調が20Hz以下に補正されている事がわかる。 実際には、
この頂上部にはさらにフィードバックがかけられ、位相変化が0.1度以下まで抑えられる。

図５：空洞７台１組の運転時の各空洞内の加速電場の変化の様子を示す。加速電場制御はベクトル合成されたフィールドをフラットに保つように行われるが、各空洞のQ値の設定のばらつきから図のように頂上部ではかならずしもフラッ
トではないが、曲りは少ない。

図６：７空洞の合成運転時(平均25MV/m)の合成ベクトルの長時間安定度の試験結果。最上図はその平均加速勾配の変化が0.03%程度であった事を示している。
中段はフラットトップ内の振幅のばらつきの変化(～10ppm程度)、下段は位相のばらつきの変化（0.002度程度）を示している。
3．総括
平成２２年度の最も重要な成果は、高フラックス X 線源試験に使用する予定

60

の９セル空洞を製作し、縦型高電界試験において 40MV/m の高電界で運転したことである。また、加速器運転時に必要となるローレンツ・デチューン補正の試験とデジタルフィードバック技術の実証のために、各種のピエゾチューナーを試験する横型クライオスタット高電界試験装置を組立て、デジタルフィードバ
ック機器とともに高電界試験を行って、７空洞合成運転で 26MV/m 運転を実証した。そのときにピエゾチューナーによるローレンツ・デチューン補正は設計どおりの性能を発揮し、デジタルフィードバックシステムは、加速電場を振幅で0.006%rms、位相は 0.002 度 rms と非常に安定化した。これらにより高フラック
ス X 線源試験での高安定度ビーム加速に問題はない。平成２３年度はそのビー
ム加速を実証する。

開発スタッフ
責任者 ： 早野仁司（高エネルギー加速器研究機構）
担当者 ： 野口修一、加古永治、佐伯学行、山本康史、渡邊謙、宍戸寿郎、佐藤昌史（以上 高エネルギー加速器研究機構）、KEK-STF Group（高エネルギー加速器研究機構）
参考文献(2008 年-2010 年の開発)[1] 加古永治、野口修一、早野仁司、宍戸寿郎、佐藤昌史、渡邊謙、山本康史、「STFにおけるTESLA-like空洞のクライオモジュール試験」第５回日本加速器学会年会プロシーディング、東広島 (2008) p209-211.
[2] 山本康史、加古永治、佐藤昌史、宍戸寿郎、野口修一、早野仁司、渡邊謙、「STFベースライン空洞におけるローレンツデチューニングの観測とモデル計
算との比較」第５回日本加速器学会年会プロシーディング、東広島 (2008)
p215-218.
[3] 山本康史、加古永治、佐藤昌史、宍戸寿郎、野口修一、早野仁司、渡邊謙、「ＫＥＫ－STFにおける超伝導空洞性能試験（縦測定）設備の構築」第５回日本加速器学会年会プロシーディング、東広島 (2008) p888-891.
[4] 田島裕二郎、他：「L バンド超伝導空洞の内面検査システムの開発」、加速器 (41-49) Vol.5 No.1, 2008.
[5] 加古永治、佐藤昌史、宍戸寿郎、野口修一、羽鳥浩文、早野仁司、山本康
史、渡邊謙、「STFにおけるTESLA-like空洞のクライオモジュール試験」加速器
学会誌「加速器」Vol. 5, No. 2, (2008) p117-126.
[6] 渡邊謙、「超伝導9セル加速空洞の高次モードに関する研究」博士課程学位
論文、(2008) 総合研究大学院大学 高エネルギー加速器科学研究科[7] E. Kako, H. Hayano, S. Noguchi, N. Ohuchi, M. Sato, T. Shishido, K.
Watanabe, Y. Yamamoto, “Cryomodule Tests of the STF Baseline 9-cell
Cavities at KEK”, Proc. of EPAC2008, Genoa, Italy (2008) p868-870.
[8] Y. Yamamoto, H. Hayano, E. Kako, S. Noguchi, M. Sato, T. Shishido,
K. Umemori, K. Watanabe, H. Sakai, K. Shinoe, S.I. Moon, Q.J. Xu, “Cavity

61

Diagnostic System for the Vertical Test of the STF Baseline 9-cell Cavity
at KEK”, Proc. of EPAC2008, Genoa, Italy (2008) p643-645.
[9] K. Sennyu, H. Hara, M. Matsuoka, T. Yanagisawa, “Status of theSuperconducting Cavity Development for ILC at MHI”, Proc. of EPAC2008,
Genoa, Italy (2008) p463-465.
[10] K. Watanabe, S. Noguchi, E. Kako, T. Shishido, H. Hayano, “New HOM
Coupler Design for ILC Superconducting Cavity”, Nucl. Instr. & Meth. in
Phys. Research A 595 (2008) p299-31[11] Y. Iwashita et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 11, 093501 (2008).
[12] 山本康史 他、「ＩＬＣに向けた高電界空洞性能試験のＫＥＫ－ＳＴＦ
における最新結果」第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[13] 菊地洋一郎 他、「空洞内面検査カメラの自動画像取得と欠陥検出」第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[14] 渡邊謙 他、「KEK-STFにおける超伝導加速空洞の空洞内面検査」第６回
日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[15] 宍戸寿郎 他、「ILC/STF用超伝導空洞の加速モード周波数変化」第６回
日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[16] 福田茂樹 他、「KEK超電導RF試験装置(STF)のRF源の開発」第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[17] 早野仁司 他、「Status of Superconducting RF Test Facility (STF)」
第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[18] 佐藤昌史 他、「ＴＴＦ－Ｖ入力結合器の大電力試験」第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[19] 頓宮拓 他、「超伝導加速管の縦測定における超多点温度マップ」第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[20] 明本光生 他、「KEK超伝導加速器試験施設（STF）に於ける10MWクライ
ストロン用長パルスモジュレータの開発」第６回日本加速器学会年会プロシー
ディング、東海 (2009)[21] 松本利広 他、「STF Phase-1におけるデジタル低電力高周波制御系」第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[22] 福田茂樹 他、「KEK超電導RF試験装置(STF)のRF源の開発」第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[23] 三浦孝子 他、「STFにおける低電力高周波源の安定性評価」第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[24] 吉田光宏 他、「STFにおける導波管コンポーネントによる超伝導空洞のＱ調整」第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[25] 竹中たてる 他、「導波管の電力分配システム（KEK STF）」第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[26] S. Kazakov 他、「L-band waveguide elements for SRF application」
第６回日本加速器学会年会プロシーディング、東海 (2009)[27] Y. Yamamoto, H. Hayano, E. Kako, T. Matsumoto, S. Michizono, T. Miura,
S. Noguchi, M. Satoh, T. Shishido, K. Watanabe, “Experimental result of62

Lorentz detuning in STF phase-1 at KEK-STF”, Proc. of SRF2009, Berlin,
Germany (2009) TUPPO007.
[28] E. Kako, H. Hayano, S. Noguchi, M. Satoh, T. Shishido, K. Watanabe
and Y. Yamamoto, “Cryomodule tests of the STF phase-1 at KEK”, Proc. of
SRF2009, Berlin, Germany (2009) TUPPO021.
[29] Y. Iwashita, H. Fujisawa, H. Tongu (Kyoto University), H. Hayano, K.
Watanabe and Y. Yamamoto(KEK), “R&D of nondestructive inspection systems
for SRF cavities”, Proc. of SRF2009, Berlin, Germany (2009) TUPPO040.
[30] K. Watanabe, S. Noguchi, E. Kako, T. Shishido, Y. Yamamoto, K. Umemori,
M. Sato, “SC cavity system for ERL injector at KEK”, Proc. of SRF2009,
Berlin, Germany (2009) TUPPO056.
[31] X. Zhao, R. L. Geng(JLAB), Y. Funahashi, H. Hayano, S. Kato, M.
Nishiwaki, T. Saeki, M. Sawabe, K. Ueno, K. Watanabe(KEK) , “Surface
characterization of niobium samples electropolished together with realcavities”, Proc. of SRF2009, Berlin, Germany (2009) TUPPO086.
[32] T. Saeki, Y. Funahashi, H. Hayano, S. Kato, M. Nishiwaki, M. Sawabe,
K. Ueno, K. Watanabe(KEK) , C. Antonie, S. Berry, F. Eozenou, Y. Gasser,
B. Visentin(CEA-Saclay), P.V.Tyagi(GAUS), W. Clemens, R. L. Geng, R.
Manus(JLAB), “R&D for the post-EP process of superconducting RF cavity”,
Proc. of SRF2009, Berlin, Germany (2009) THPPO085.
[33] E. Kako, S. Noguchi, M. Satoh, T. Shishido, K. Watanabe, Y. Yamamoto(KEK) , H. Jenhani(LAL-Orsay), T. X. Zhao(IHEP), “Advances andperformance of input couplers at KEK”, Proc. of SRF2009, Berlin, Germany(2009) THOBAU02.
[34] K. Umemori, T. Furuya, E. Kako, S. Noguchi, H. Sakai, M. Satoh, T.
Shishido, T. Takahashi, K. Watanabe, Y. Yamamoto (KEK) , K.
Shinoe(ISSP-Tokyo), M. Sawamura(JAEA), “Compact ERL Linac”, Proc. of
SRF2009, Berlin, Germany (2009) FROAAU04.
[35] K. Watanabe, Proc. 14th Int. Conf. on RF Superconductivity (SRF2009),
Berlin, September 2009, TUOBAU01, p. 123[36] 竹中たてる 他、「S1-Globalの導波管分配システム(KEK ILC)」第７回
日本加速器学会年会プロシーディング、姫路 (2010)[37] 明本光生 他、「I L C計画における分布型R F源用電源の開発」第７回
日本加速器学会年会プロシーディング、姫路 (2010)[38] 松本利広 他、「KEK 超伝導RF 試験施設（STF）でのS1 Global のための高周波源」第７回日本加速器学会年会プロシーディング、姫路 (2010)[39] 山本康史 他、「国際リニアコライダー計画のための超伝導加速空洞のSTFにおける性能試験の最新結果」第７回日本加速器学会年会プロシーディング、姫路 (2010)[40] 加古永治 他、「S1-GlobalにおけるTESLA改良型超伝導空洞のクライオモジュール試験」第７回日本加速器学会年会プロシーディング、姫路 (2010)63

[41] 早野仁司 他、「STFの状況」第７回日本加速器学会年会プロシーディン
グ、姫路 (2010)[42] 佐藤昌史 他、「ＳＴＦ超伝導空洞用入力結合器の高周波窓の熱サイクル試験」第７回日本加速器学会年会プロシーディング、姫路 (2010)[43] 頓宮拓 他、「京大における超伝導空胴の品質検査のための研究」第７回日本加速器学会年会プロシーディング、姫路 (2010)[44] 加藤茂樹、他：「超伝導加速空洞の高電界化に向けた研究（その１）」、
加速器学会誌「加速器」 Vol.7 No.2, 2010.
[45] 加藤茂樹、他：「超伝導加速空洞の高電界化に向けた研究（その２）」、
加速器学会誌「加速器」 Vol.7 No.3, 2010.
[46] K. Watanabe et al., “Repair Techniques of Superconducting Cavity for
Improvement Cavity Performance at KEK-STF”, Proc. 1st Int. Part. Acc. Conf.
(IPAC2010), Kyoto, May 2010.
[47] E. Kako et al., “Preparation Status of Cryomodule Tests of Tesla-like
Cavities in S1-Global Project at KEK”, Proc. 1st Int. Part. Acc. Conf.
(IPAC2010), Kyoto, May 2010.
[48] M. Nishiwaki et al., “Surface Study on Niobium Stain after
Electro-polishing for Super-conducting RF Cavity”, Proc. 1st Int. Part.
Acc. Conf. (IPAC2010), Kyoto, May 2010.
[49] M. Sawabe et al., “Long-period Monitoring of Electro-polishing
Electrolyte in EP Facility at KEK”, Proc. 1st Int. Part. Acc. Conf.
(IPAC2010), Kyoto, May 2010.
[50] K. Watanabe et al., “Surface Inspection on MHI-01~09 Cavities”, Proc.
1st Int. Part. Acc. Conf. (IPAC2010), Kyoto, May 2010.
[51] P. V. Tyagi et al., “Various Rinsing Effects to Mitigate Contaminates
Brought by BCP on Niobium SRF Cavity Surface”, Proc. 1st Int. Part. Acc.
Conf. (IPAC2010), Kyoto, May 2010.
[52] H. Tongu et al., “Multipoint T-map System for Vertical Test of theSuperconducting Accelerator Cavities”, Proc. 1st Int. Part. Acc. Conf.
(IPAC2010), Kyoto, May 2010.
[53] N. Ohuchi et al., “Construction of the S1-Global Cryomodules for ILC”,
Proc. 1st Int. Part. Acc. Conf. (IPAC2010), Kyoto, May 2010.
[54] Y. Yamamoto et al., “Summary of Vertical Tests for S1-Global Projectin KEK-STF”, Proc. 1st Int. Part. Acc. Conf. (IPAC2010), Kyoto, May 2010.
[55] Y. Yamamoto et al., “Summary of Results and Development of Online
Monitor for T-mapping/X-ray-mapping in KEK-STF”, Proc. 1st Int. Part. Acc.
Conf. (IPAC2010), Kyoto, May 2010.
[56] H. Hayano et al., “Review of SRF Cavities for ILC, XFEL and ERL
Applications”, Proc. 1st Int. Part. Acc. Conf. (IPAC2010), Kyoto, May
2010.
[57] Y. Morozumi et al, Proc. 1st Intl Part. Acc. Conf. (IPAC2010), Kyoto,
May 2010, WEPEC020.
64

[58]
N.
Ohuchietal,“S1-GLOBAL
Collaborative
effort8-Cavity-Cryomodule: 2 FNAL, 2 DESY and 4 KEK”, Proc. of Intl Linear Acc.
Conf. (LINAC10), Tsukuba, September 2010.
[59] E. Kako et al, “Cryomodule Tests of Tesla-like Cavities in S1-Global
for ILC”, Proc. of Intl Linear Acc. Conf. (LINAC10), Tsukuba, September
2010.
[60] Y. Yamamoto et al, “Recent Results of 1.3 GHz 9-cell Superconducting
Cavities in KEK-STF”, Proc. of Intl Linear Acc. Conf. (LINAC10), Tsukuba,
September 2010.
[61] H. Tongu et al, “Updates on Sc Cavity Inspection”, Proc. of Intl
Linear Acc. Conf. (LINAC10), Tsukuba, September 2010.

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F. CW超伝導加速空洞技術の開発
Development of Superconducting Accelerating Cavity for CW Operation
概要
本課題は小型 X 線発生装置の光源となる電子の加速に連続(CW)運転が可能な
超伝導空洞を適用することによって、X 線輝度を飛躍的に向上させようとするものである。そこでは CW 運転が可能な空洞本体や高周波電力源、その電力を極低温空洞へ伝送する入力結合器などが不可欠であり、それらの基本要素開発を続けている。本年度はさらにそれらを集約するモジュール設計に着手した。
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。研究の進展は発生する X 線の輝度、時間構造、スペクトラムなどに制限されており、研究の裾野を広げるためにも小型でかつ高輝度 X 線発生が可能な装置開発が進められている。本研究課題はさらにその発展型として輝度を飛躍的に向上させることができる CW モード（連続運転）を考え、そこで必要になる超伝導加速空洞を開発している。昨年度までに達成したことは、CW ビームシステムの概念設計、
CW ビーム対応型高電界超伝導空洞の形状最適化とその評価試験および製作試験
用空洞の試作、ならびに主要部品である入力結合器の設計、大電力高周波源開発、および高調波減衰器の設計とともにこれらを集約する CW 空洞モジュールの基本設計である。そこで本年度は最適形状を有する空洞の製造工程と工程管理の手法確立ならびに機械的強度の検証を目的とした試作空洞の計測を通じて、材料板厚や溶接条件などの製作上必要なパラメーターを取得すると同時に空洞性能を確認し、それらを実機空洞の製作へ反映して 2 台の空洞を完成させ、また部品開発では入力結合器の性能試験、試作高調波減衰器の性能確認、さらにはクライオスタットの部分品の製作などを行った。
２．CW 方式の基幹技術
高電界を用いると短い加速空洞で十分な加速電圧が得られるが、電力や冷却の制限からパルス運転になるため、平均電流値は小さく抑えられる。これに対しＣＷ運転ではピーク値は小さくても大きい平均電流値が得られるため、発生する放射光の輝度にも飛躍的な向上が期待できる。図１にそのシステム概要を示す。電子銃からの CW ビームを 3MV 程度の入射空洞で加速した上で 22MV の主空洞で加速する。そのビームを放射光光源として利用した後は、再び主空洞に減速位相で入射しビームの運動エネルギーを回収することで、廃棄するビーム
電力を一桁小さくすることが出来る。これらを構成する要素として技術の基幹となるものは CW 型の超伝導主加速空洞であり、さらに入射部には 300kW 級の66

CW 型高周波電力源とその電力を伝える入力結合器および入射部加速空洞である。本課題はこれらの要素技術の開発を行うものである。

図 1：次世代小型高輝度光子ビーム源の CW 稼働概念図
３. 空洞開発
３－１，9 連型主空洞の開発
CW 型空洞として最適化された 1.3GHz ニオブ空洞形状を図２に示す。大電流ビームがもたらす有害高調波への対策として大口径ビームパイプに EFB と命名された偏心型モード変換部を取付け、これまでにない 4 極モード対策を有する 9連空洞になっている。この大口径ビームパイプの問題としてアイリス部での電場の集中とそれに伴う電子放出の影響が挙げられるが、試作 9 連空洞に電解研磨を主体とした表面処理を繰り返すことによって、加速電場を 28MV/m に改善することができ、形状には問題がないことが示された。
図３に示す試作空洞は、上記のように最適化された空洞形状を具現化するための空洞製造工程と工程管理の手法確立および機械的強度の検証を目的として製作された。空洞セル間に補強リングを取り付けるとともに強度計算により求めた最適板厚を採用することで、実用運転に必要な機械強度を確保している。
製作に当たって得られたトリム寸法や電子ビーム溶接条件などの製作上の技術
は 2 台の実機空洞製作へ反映された。この試作空洞は製造手法の検証のために低温での性能計測が行われ、実用電圧（15MV/m）をはるかに凌ぐ 28MV/m という高い加速電圧を実現したが、過度のエージングにより電界放出電子が増加して空洞性能に劣化が見られた（図４）。昇温することにより性能の一部は回復したが、原因となった電子の放出源を消滅することはできなかった（図５）。現在はこの成因を実測とシミュレーションとの両面から追求しているところである。機械的寸法や共振周波数など他の性能は目標を達しており、空洞製作の目処は立ったと言える。

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図２:CW 駆動型 9 セル超伝導加速空洞形状

図３:製作手順や機械強度を検証するために製作された 9 連型超伝導空洞試作機

図 ４ 9 連 試 作 空 洞 試 作 器 の 性 能 測 定 結 果 。 28MV/m に 達 し た 加 速 電 圧（2nd-initial）がエージングの後 20MV/m へ劣化（2nd-final）。室温への昇温
後に 24MV/m へ回復した（3rd）。

682nd VT final pi-mode (20MV/m)

3rd VT initial pi-mode (20MV/m)

50° 7cell

200° 6cell

150° 6cell

図５ 9 連空洞の放射線分布。当初は何も見られず。エージング中の大きな放電後に 6 番セルに多数のエミッターが出現した。エージングで消えたものもある(2nd)。室温へ昇温後、再冷却したら Q 値は回復したが、エミッターの位置は不変だった(3rd)。それでも実用電圧 15MV/m までなら電子放出は見られない。
３－２. 入射空洞開発
ERL 型加速器の入射部の空洞として、入射空洞に要求される加速電圧は低いがビームへ伝送する高周波電力は大きいため、２本の入力結合器を装備する 2 セル型超伝導空洞が 3 台で構成される（図６）。これによって結合器１本当たりの負担を半減することが出来る。試作したこの形式の空洞についての空洞単体での性能試験では、40MV/m という加速電場を得た。これは設計値の 15MV/m を大きく上回る値である。しかし高調波取り出し結合器を装着した場合には、コネクター部の発熱が原因で 4MV/m 程度にしかならないことが判明した。図７に性能測定の結果を示す。このため、図８に見られるような高調波取り出し部の改造と冷却構造の改善が必要になった。これらはクライオスタット設計に反映される。

図６：CW 型入射器のための 2 セル超伝導空洞の構成
69

図７ 2 連空洞の単体性能試験結果。空洞本体の性能試験では 40MV/m 以上が達成されたが、高調波(HOM)取出しプローブを装着するとその発熱により、高い加速電場には到達できない。これまでの 2 連空洞（左）と HOM 取り出しを強化した新しい 2 連空洞（右）。

図８ HOM での発熱を抑えるための結合器構造。コネクター部の磁場を下げて発熱を小さくすると同時にコネクター自身の冷却を強化して 20MV/m 達成を目指す。
70

４. 周辺部品の開発
４－１, 入力結合器開発
部品開発では、入力結合器の電力試験を行った。必要電力としては 20kW であるが、ここでは室温から極低温へ CW で電力供給するため、電力投入に伴うジュール発熱の推定とその冷却方法の確立が開発の主題である。大気圧下の高周波系と超高真空の空洞との間を仕切るための室温側と低温側の高周波セラミック
窓の設計はすでに東大・中村研において完了している。発熱対策として行った
窓周辺の寸法変更が原因で出現したセラミック部の 1.3GHz 共振モードとその発熱を避けるために、セラミック厚みを 6.2mm から 5.4mm へ薄くした改良窓を開発してその共振周波数を 30MHz 上昇させている。室温部と極低温部とつなぐ高周波伝送には、冷却に伴う熱収縮の吸収と熱侵入を抑える目的で内外導体にス
テンレス製のベローズが用いられるが、高周波損失を小さくし且つ熱侵入を小さくするために、ベローズには最適厚みの銅メッキを施してある。さらにその取り付け位置は定在波を考慮して発熱が最小になるように選択された。これらを組み合わせた入力結合器の性能を確認するために、液体窒素による冷却を可能にする真空容器を用意し、温度計測を行いながら高周波エージングおよび冷却を行った。図９は組み立てた入力結合器と低温電力試験のための計測設備である。要求が最大 20kW に対し、25kW までの電力試験が行われ、20kW では 16 時間の電力維持試験も行われた。内導体は窒素ガスで冷却されており、心配されたベローズの温度は 120℃にとどまった。
入射空洞のための入力結合器についても試作機が完成し、その電力試験が行われた。300kW 出力を持つクライストロンが用意され、2 本の入力結合器を用いた
電力透過型の試験装置が完成し、エージングが行われた。図１０はその試験設備である。パルスを用いたエージングから始まり 100kW の透過が確認されたが、その後の CW 電力では 50kW で 30 分、100kW では 1 分に制限された。原因は内導体室温部に使われたベローズの発熱であり、目標の 170kW を達成するためには、改造が必要であることが判明した。

71

図９ 9 連空洞用入力結合器の電力試験。Warm 窓と cold 窓を組み合わせた入力結合器（左写真）が窒素冷却タンクを有する断熱容器に装着され、30kW-IOT
からの高周波電力を印加してエージングされる。外導体は液体窒素で、内導体は室温の窒素ガスを使って冷却される。仕様を上回る 25kW を確認するとともにベローズでの発熱を計測。20kW では 16 時間の電力維持試験が実施された。

図１０ 入射器用入力結合器のエージング装置。1.3GHz、300kW のクライスト
ロンが開発され、2 本の入力結合器が導波管に間に装着される。右図はエージング時の投入電力、真空度、および温度の時間経過を示している。

72

４－２, 高調波減衰器
9 連空洞両側にはフェライト吸収体を用いた高調波減衰器を用いる。今年度は試作減衰器を用いて熱伝達率の計測を行った。フェライト吸収体では 150W 程度の発熱が見込まれるため、その冷却には液体窒素を、また減衰器両隣に接続される 2K の超伝導空洞への入熱を極力小さくするために 5K のサーマルアンカーとベローズを組み合わせた断熱構造を採用している。この構造の熱抵抗を断熱容器の中で計測した（図１１）。その結果は、RF シールド部のクシ歯構造の設計に反映された。
４－３, 周波数チューナー開発
周波数チューナーの試作機についても動作試験が行われ、現設計で十分な動作性能が得られることが判明した。スライドジャッキを応用した粗調整では 3mmの稼働範囲が確認され、そのときのヒステリシスが 1 ミクロン程度に抑えられていることが判明、今後はピエゾ素子を用いた微調機構の構造を検討することになる（図１２）。

図１１ 断熱容器にセットされた高調 図１２ 周波数チューナーの駆動試
波減衰器試作機。周囲を断熱材で囲っ 験。全体で 3mm の駆動幅に対して、ヒて熱侵入を計測した。
ステリシスは 1 ミクロン程度に抑えられている。
５. モジュール設計
パルス駆動の超伝導空洞 1 台当たりの２K への RF 損失が 1W 程度であるのに比して CW 型空洞は 40W になる。このため冷却能力の増強が必要であり、直径 300mmのヘリウムジャケットに収納された 9 連空洞 2 台が上述の各要素とともにチタン枠に固定されるクライオスタット構造の設計・製作を進めている（図１３）。
本年度は空洞周辺とその保持部分の基本設計を完成し、冷却配管などを製作した。また低温での特性試験を実施して低温でも磁気シールド効果が期待できる材料を決定し、合わせて形状効果のシミュレーションなどの磁気シールドの設73

計に有用なパラメーターなどを研究した。

図１３ クライオスタット概要設計。2 台の 9 連空洞が格納される。高調波減衰器が各空洞の間に 1 台ずつ取り付けられる。入力結合器側が中央部側に来るように組み込まれる。中央部には冷凍機への接続配管も集められる。アライメ
ントとしては、空洞中心が±0.5mm を目指す。
６. 300kＷ・CW 大電力マイクロ波源の完成と試験
図１４は東カウンターホールの配置図である。開発された 300kW クライスト
ロンは 30kW の IOT とともに、加速器の北面に置かれている。これを中心にした大電力ステーションが整備されつつあり、本件の入力結合器エージングもこれを使って行われている。

図１４ 東カウンターホールで整備が進む CW ビームシステムの試験設備。北面に大電力高周波設備が構築されている。

74

７. 次年度へ向けて
上記結果を踏まえて２３年度では、（１） 9 連型空洞の単体性能試験（縦測定）とその後の冷却ジャケット溶接。
（２） フェライト付きダンパーの 70K での低温試験。また周波数チューナーとピエゾ素子について、極低温下での動作試験を実施する。
（３） CW クライストロンを使って、入力結合器の高周波電力試験。
（４） 9 連空洞用断熱真空槽の完成と全体のフィットチェック（仮組み立て試験）。
（５） 2 セル入射空洞用入力電力結合器の電力試験およびジャケット製作を推進する。
開発スタッフ
責任者 ：担当者 ：古屋貴章（高エネルギー加速器研究機構）
梅森健成、阪井寛志、坂中章悟、高橋毅（高エネルギー加速器研究機構）、篠江憲治（東大物性研）、沢村勝（原科研）

発表文献等
1)
Observation of Resonance Mode in Coaxial-type Input Coupler.
Kensei Umemori, Takaaki Furuya, Hiroshi Sakai, Masaru Sawamura, Kenji
Shinoe. Proc. of the IPAC10, Conf.Proc.C100523:WEPEC031, Kyoto, 2010,.
2)
Results of Vertical Tests for KEK-ERL 9-cell Superconducting Cavity.
Kensei Umemori, Takaaki Furuya, Hiroshi Sakai, Takeshi Takahashi, Masaru
Sawamura, Kenji Shinoe. Proc. of the IPAC10,
Conf.Proc.C100523:WEPEC030,Kyoto, 2010,.
3)
Power Coupler Development for ERL Main LINAC in Japan.
Hiroshi Sakai, Takaaki Furuya, Shogo Sakanaka, Takeshi Takahashi, Kensei
Umemori, Atsushi Ishii, Norio Nakamura, Kenji Shinoe, Masaru Sawamura.
Proc. of the IPAC10, Conf.Proc.C100523:WEPEC029, Kyoto, 2010,.
4)
Cavity Diagnostics using Rotating Mapping System for 1.3GHz ERL
9-Cell Superconducting Cavity. Hiroshi Sakai, Takaaki Furuya, Shogo
Sakanaka, Takeshi Takahashi, Kensei Umemori, Masaru Sawamura, Kenji Shinoe.
Proc. of the IPAC10, Conf.Proc.C100523:WEPEC028, Kyoto, 2010,.
5)Development of a Prototype Module for the ERL Superconducting Main
Linac at KEK. Takaaki Furuya, et al.,Proc. of the IPAC10, Conf.Proc.C100523:WEPEC015, Kyoto, 2010,.
6)Development and Operational Status of PF-Ring and PF-AR.
Tohru Honda, et al., Proc. of the IPAC10, Conf.Proc.C100523:WEPEA034, Kyoto,
2010,.
75

7)
Cooling Test of ERL HOM Absorber.
Masaru Sawamura, Takaaki Furuya, Hiroshi Sakai, Kensei Umemori, Kenji
Shinoe. Proc. of the IPAC10, Conf.Proc.C100523:TUPE094, Kyoto, 2010,.
8)
Recent Progress in the Energy Recovery Linac Project in Japan.
Shogo Sakanaka, et al., Proc. of the IPAC10, Conf.Proc.C100523:TUPE091,
Kyoto, 2010,.
9)Development of a Main Linac Module for Compact ERL Project
Kensei Umemori, Takaaki Furuya, Hiroshi Sakai, Takeshi Takahashi, Kenji
Shinoe, Masaru Sawamura, Proc. of the LINAC10, Tsukuba, 201010)
The calculation of transverse kick by the input coupler ofsuperconducting cavity for ERL main linac, Toshiya Muto, Kensei Umemori,
Hiroshi Sakai, Masaru Sawamura, Kenji Shinoe, Takaaki Furuya
第 7 回日本加速器学会年会 2010/8/4-6 姫路市文化センター
11)
Development of 20kW input power coupler for 1.3GH ERL main linac－High power test of the renewed ceramic window－
Kenji Shinoe, Hiroshi Sakai, Kensei Umemori, Masaru Sawamura, Norio
Nakamura, Takaaki Furuya
第 7 回日本加速器学会年会 2010/8/4-6 姫路市文化センター
12)
Development of Cavity Diagnostics System for ERL Superconducting
Cavity, Hiroshi Sakai, Kensei Umemori, Takeshi Takahashi, Takaaki Furuya,
Kenji Shinoe, Atsushi Ishii, Masaru Sawamura, Toshiya Muto
第 7 回日本加速器学会年会 2010/8/4-6 姫路市文化センター
13)
ERL 主加速部クライオモジュールの開発
梅森健成、阪井寛志、沢村勝、篠江憲治、古屋貴章、Enrico Cenni
第 24 回放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム 2011/1/7-10 つくば国際会議場
14)Compact ERL Project and Its SRF Activities, Kensei Umemori on behalfof ERL Collaboration TeamThe 15th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
2011/Mar/3-4 広島大学
15) Cooling test of HOM absorber model for cERL in Japan
M. Sawamura, T. Furuya, H. Sakai, K. Umemori, K. Shinoe
International Workshop on Higher-Order-Mode Damping Superconducting RF
Cavities, October 11-13, 2010, Cornell University16) RF absorber studies for cERL in Japan, M. Sawamura, T. Furuya, H. Sakai,
K. Umemori, K. Shinoe, International Workshop on Higher-Order-Mode Damping76Superconducting RF Cavities, October 11-13, 2010, Cornell University17) Operation Experience of HOM absorbers at KEKB, T. Furuya
International Workshop on Higher-Order-Mode Damping Superconducting RF
Cavities, October 11-13, 2010, Cornell University77

G. 高周波超伝導空洞用入力カプラーの開発
Development of Input Coupler for CW Superconducting RF Cavity
概 要
昨年度製作した改良cold窓を用いた大電力試験を行った。スムーズに25kWまでのパワー投入が可能であり、セラミック窓は我々の要求を満たす結果となり、このRF設計をカプラー設計に反映した。次に、cold窓の液体窒素温度と室温間の熱サイクル試験を行った。５回の熱サイクルでセラミック窓が割れる結果となった。割れ部分の詳細解析と熱応力解析から内導体のセラミック端部にかかる集中応力が割れの原因であることがわかった。そこで、熱応力計算から集中応力を20%以上軽減するろうづけ条件を見つけ、その条件をカプラー設計に反映した。２つの試験結果を受け、カプラー試作機（カプラー１号機）を製作し、断熱槽を用いた液体窒素冷却下での大電力試験を行った。当初10kWレベルのマ
ルチパクティングによりパワー投入が阻まれたが、パルスプロセスを８時間行
い、最終的に定在波で25kWまで到達した。その後、内導体ベローズの温度を空冷によって120℃以下に抑制しつつ、真空の大きな上昇もなく20kWのパワー投入
を16時間持続できた。cold窓の温度上昇結果は入熱計算とほぼ同じであり、熱設計も仕様を満たすことがわかった。これらの実験結果からカプラー１号機は我々の要求を満たすことが判明し、RF設計、熱設計上で一通りの問題点がクリアされた。
１．はじめに
本研究は1.3GHzCW型超伝導空洞用入力カプラーの開発である。加速勾配
20MV/m運転時にQL=5×106～2×107、最大入力パワー20kWが入力カプラーの基本仕様である。現在までカプラー用のセラミック窓単体の製作を行い、大電力試験を行ってきたが、10kWまでで急激な温度上昇によるセラミック窓の発熱およびそれによる割れが問題であった。前年度はその原因の詳細を調べ、大電力試験におけるセラミック窓の急激な発熱と割れは、予期せぬ共鳴ピークによるものであり、その周波数はセラミック窓に立つダイポールモードの周波数とほぼ一致することが詳細な高周波シミュレーションによってわかった。また、この共鳴ピークの周波数を1.3GHzから遠ざけるために、セラミック窓の厚みを6.2mmから5.4mmに変更した設計上31MHzだけ共鳴周波数をずらした改良セ
ラミック窓(cold窓)を製作し（図１)、この改良セラミック窓のローレベル測定を行ったところ、旧cold窓と改良cold窓の周波数は設計通りに約30MHz周波数がずれていることが確認された(図２)。今年度は、共鳴ピークをずらした改良cold
78

窓にてセラミック窓に電場ピークを立てた場合の大電力試験を行い、高周波設計の確認を行った。また、前年度は液体窒素温度への冷却試験を行い、温度分布の測定が設計通りか確認を行ったが、今年度は液体窒素温度と室温温度変化を何回も繰り返す熱サイクル試験を行い、セラミック窓やろうづけ部などの割れや剥がれが起きないかなどの熱応力による耐久試験を行った。さらにそれら２つの実験結果から、高周波設計と熱設計の方針を決定し、実機カプラー（カプラー１号機）の設計・製作を行い、一昨年度製作した断熱槽を用いた実機カプラー１号機の液体窒素温度冷却下での大電力試験を行い、セラミック窓の発
熱や温度分布の設計との比較、及び２次電子放出レベルなどの測定を行った。

図１:改良セラミック窓(写真)。

図２：改良前後のセラミック窓（cold窓）のローレベル測定結果。

２．改良 cold 窓による大電力試験改良した cold 窓(セラミック厚を 6.2mm から 5.4mm に変更したもの)を用いて再度大電力試験を行った。図３がその setup である。cold 窓は旧 cold 窓で割れた時と同じ条件である。電場の peak がセラミック窓に立つような条件の端板を接続した全反射の条件にてパワー試験を行った。セラミック窓の端板側だけ真空を引き、この状態でセラミックにパワーを入れた。内導体(真空側)へは最初
は 90l/min の流量で空冷した。アークセンサは端板の窓からセラミックを見るように設置した。

79

図３: 改良セラミック窓を用いた大電力試験 setup（左：写真、右：詳細断面図）
図４がパワー投入の履歴である。20kW までスムーズにパワー投入が可能であった。真空は 3×10-6Pa まで悪化し、特に空冷のふらつきに応じて、真空が変化しているのが分かった。真空の影響の詳細を調べるべく、さらに 25kW までのパワー投入を試みたところ、真空レベルが 1×10-5Pa を超えるようになったが、しばらく一定のパワーを保持することで真空が良くなる傾向が見られた。この変化は、内導体のベローズの温度上昇によるものであることがわかり、空冷の流量を弱め、意図的に温度を上げ、ベーキングを行ったところ、空冷の流量をもとに戻し、パワーを上げても真空の悪化が見られず、25kW までの投入が可能となった。なお、アークセンサによるインターロックは作動しなかった。従って、これらの真空の悪化はセラミック窓などからの２次電子によるものではない。
図５は 20kW のパワーを保持した時のセラミック窓の温度上昇を測定した結果である。特にセラミック窓を端板から直接放射温度計にてモニターしたものである。今まででは２時間程度で急峻な温度上昇が見られ、８０℃以上の温度になったが今回はそのような傾向が見られず、結果、２時間強でセラミック窓の温度上昇は４０℃程度であった。またさらに外部空冷を行うことで、セラミック
窓の温度も下がり、安定し、結果ΔT=２５度の温度上昇で抑えることが可能であった。
大電力試験後にセラミック窓を観察したが、特に大きな割れや剥がれなどなく、改良により、25kW までのパワー試験を通じ、セラミックの急激な温度上昇と割れを回避可能であることが分かった。この設計をカプラー１号機（試作機）に反映させた。

80

図４:25kW までのパワー投入履歴の 図５：20kW 投入時のセラミック窓温度図。(赤：投入パワー、青：真空)
変化。
（青：放射温度計でのセラミック温度、橙：投入パワー）
３．セラミック窓の液体窒素温度と室温間の熱サイクル試験
カプラーは 2K 温度の空洞への入熱を減らすべく cold 窓は液体窒素温度である 80K の温度定点に接続される。そこから cold 部の内導体等での発熱を吸収する必要がある。前年度は断熱槽内に cold 窓を設置し、その内導体部を意図的に発熱させ、液体窒素冷却時におけるセラミック窓を通じた入熱が設計通りであることを確認した。但し、この設計で参考にしたリニアコライダ用に製作したセラミック窓の cold 部が冷却後に割れるということが判明した。特にこの原因が熱サイクルによるものではないかという疑いがあり、我々は今年度、液体窒
素温度と室温の冷却を繰り返した場合にセラミック窓が熱的なストレスにより破壊されないか確認を行うための熱サイクル試験を行った。

図６: cold 窓の熱サイクル試験時の setup（左：写真、右：詳細断面図）
81

図６がその setup である。
窓は割れていない予備の旧 cold 窓を用いて行った。
cold 窓をクーラーボックス内に封入し、そこに液体窒素が気化した冷却ガスをゆっくり流していく。セラミックには熱電対を何か所か設置し、温度測定を行った。図７が冷却時の cold 窓の温度履歴である。実際の空洞モジュール冷却を模擬し、最低でも５－６時間以上かけて液体窒素温度(-196℃)になるようにゆっくり冷却していった。
（２回目の冷却だけは-100℃までしか冷却しなかった。）
液体窒素温度になった後は液体窒素を流すのをやめ、１日程度かけて自然に昇温を行った。
冷却回数

液体窒素冷却前リーク量3

液体窒素冷却後リーク量< 1×10 Pa m /s

< 1×10-10Pa m3/s
< 1×10-10Pa m3/s

３回目

< 1×10-10Pa m3/s
< 1×10-10Pa m3/s

４回目

< 1×10-10Pa m3/s

５回目

< 1×10-10Pa m3/s

< 1×10-10Pa m3/s

１回目
２回目

-10

< 1×10-10Pa m3/s
>1×10-4 Pa m3/s (リーク)

表１：熱サイクル前後でのセラミック窓のリーク量

図７:cold 窓の窒素温度冷却の温度履歴。 図８：cold 窓の真空リーク check（中央は冷却時の温度変化。右上図は昇温 の setup とリーク箇所。緑がセラミ時も含めた全体の温度変化のグラフ）
ック部、橙が銅を表す。
表１が５回の熱サイクル試験でのセラミック窓のリークテストの結果である。
図８に示すように片面を真空ポートにつなぎ、リークディテクタに接続し、もう片面に He ガスを流し、リークチェックを行った。５回目の液体窒素冷却の後にヘリウムのリーク量が 1×10-4 Pa m3/s となりリークがあった。セラミック窓のリーク部を詳細に見るため、カラーチェックを行った所、内導体の銅とセラミックを接続している部分が割れていることが判明した。さらに、割れ部分のセラミックを半割にし、リーク箇所の断面を見たところ、図９に示すように、
82

セラミックの両端部からアーチ状にセラミック内部にひびが入っており、この部分でリークが行ったことが分かった。

図９: リーク箇所内導体部の詳細写真。 図１０：cold 窓の熱応力解析結果（セ（まん中：内導体のリーク箇所を半分 ラミック窓の半分を模擬）。図は応力に切り、その箇所を拡大した時の写真。 分布を示し、最大値はセラミックと銅
青矢印が割れ部分。左上はセラミック の端に集中している。
の写真と半割の様子。）
このような割れ方は、セラミックと金属などのろうづけ時に生じることなど
が参考文献[1]では説明されている。特長としてはロウ材が溶けて固まった後、異種材料の熱膨張率の違いから、セラミックと内導体の端に応力が集中し、セラミックの破壊応力を超えた時に図９に示すような応力分布に沿ったアーチ状の割れが生じる。従来はこのような割れを回避すべく、内導体の内側にセラミックの熱膨張率に近い Mo のリングを入れてろうづけを行い、熱膨張を相殺する。
我々も同様にカプラーのセラミック窓の製作を行っていたが、極低温での実績はなく常温に比べ、より大きな集中応力がセラミック端部にかかり、割れたものと思われる。割れの原因をより理解すべく、ANSYS による熱応力解析を行った。
計算結果を図１０に示す。図８の内導体銅、外導体銅、セラミック及び内導体
内側の Mo の物性値を計算に使用し、中心軸対象のみを拘束条件とした。実際のろうづけ温度 1000℃から、-196℃までのΔT=-1200℃の温度変化での計算結果である。セラミックの端部に応力が集中しているのがわかる。比較のため、色々パラメータを変えて熱応力解析を行った。表２がその比較の主な例である。最大応力はどの case でもセラミック端部に集中していた。Case1 が今回の実験結果を模擬したものであるが、実際は前節の実験結果からセラミック厚みが 5.4mmとなり、その条件から計算を行った(case2)。計算の結論として、内導体の銅の厚みを薄くすること、及び Mo の厚みを厚くすることが効果的であることがわか83

った。また応力を相殺するために Mo の代わりにセラミックで支えるのも効果的であることが計算では分かった。内導体厚みをより薄くしたいが、組み立てのネジ締め時のせん断応力に耐えることなど、現実の組み立てや実際のろうづけ
条件をもとに case4 をカプラー１号機の cold 窓のパラメータに反映することにした。
セラミッ 内 導 体 Mo 厚 み (case1 セ ラ ミ ッ ク 最大応力のCase
ク厚み

銅厚み

との比較倍率)

最大応力

１との比較

6.2mm

1.0mm

100%

4.85GPa

100%

Case3

5.4mm
5.4mm

1.0mm

100%

5.63GPa

116%

Case4

1.0mm

200%

4.57GPa

94%

5.4mm

0.8mm

200%

3.77GPa

78%

Case1
Case2

表2：セラミック窓の条件を変えた場合のΔT=-1200℃変化時の応力値（計算値）。

４．カプラー１号機の断熱槽を用いた液体窒素温度下大電力試験
前節までに実験した RF 設計と熱設計の結果を反映し、カプラー試作機（カプラー１号機）の製作を行った（図１１）。入力カプラーは 1.3GHz で最大 20kW の定在波運転であるが、超伝導空洞への粉塵混入による空洞劣化を防ぐべく、セラミック窓を 2 枚設けた形となっている。特に空洞に近い cold 窓は 2K への入熱を防ぐべく、液体窒素温度(80K)に置かれることになる。今年度前半まで主に窓単体の大電力試験を原研にて行っていたが、CW 型超伝導空洞モジュールが組み込まれる場所である KEK の東カウンターホールに本格的にカプラーテストス
タンドを移設展開し、モジュール組み立てに近い環境で組み立てを行い、初めて、カプラー1 号機の大電力試験を行った。

図１１: カプラー１号機の詳細図(左)。組み立て時の写真（右）84図１２が大電力試験スタンドの setup である。東カウンターホールのクリーンルーム内にてカプラー1 号機を組み（図１１右）、断熱槽で cold 窓を覆い、液体窒素タンクに汲んだ液体窒素からブレード線にて cold 窓を 80K 近くに冷やし、モジュール組み込みに近い条件下にて、カプラー1 号機の大電力試験を行った。図１２の右図にその詳細を示す。内導体は結露を防ぐため、窒素ガスで独立に冷却。流量は 110l/min に設定した。真空は 150℃、24 時間のベーキングの後、cold 窓側(図１２水色部)、warm 窓側(図１２緑部)を独立にイオンポンプで排気し、それぞれ CCG でモニターした。パワー投入時発生する２次電子はprobe(e-probe1,2,3)でモニターし、付随する発光は cold 窓、warm 窓に面する
アークセンサー(arc1,2)でインターロック信号とした。カプラー先端は端板を付け、1.3GHz の 30kW IOT からドアノブ変換器を通じ、CW 超伝導空洞運転と同
じくカプラー内に定在波が立つ条件で大電力試験を行った。実際は、運転時と定在波の条件が 90°位相が異なるが、セラミック窓には電場や磁場のピークが来ない設計となっており、今回のテストにて運転時と放電レベルなどに大きな違いはないと思われる。またベローズの配置は運転時に磁場のピークが最小となるような設計であり、今回の配置ではむしろ温度上昇がベローズ中心で最大となる配置である。したがって、逆にこの条件下でも温度上昇が大きくなけれ
ば、実際の運転では十分に使用可能であることが測定結果から判断可能である。
内導体、外導体部の各ベローズまた cold 窓などに熱電対を配置し、温度上昇をモニターした（図１２TC1-4）。なお、断熱槽内では室温からの輻射を防ぐべく、
cold 窓、外導体に熱シールドを覆っている。図１３が１号機へのパワー投入履歴である。最初 20kW 近くまで放電や真空度悪化によるインターロックは作動せず、パワーがスムーズに入ったが、その後、アークセンサのインターロックによりパワーが落ちた後は、頻繁にアークセンサが反応し、それに伴う電子放出
が warm 窓近傍のプローブ(e-probe3)から検出された（図１３右図）。warm 窓でマルチパクティングが起こっているものと考えられ、これにより、warm 窓側で10kW のレベル以上パワーが上がらなかった。そこで 8 時間のパルスプロセスを行い、真空レベルが 1×10-4Pa を超えない状態を保ちながら、頻繁に２次電子で表面を叩くことで効果的に warm 窓のプロセスを行った。これにより、最終的に20kW まで到達、この後はさらに最大 25kW の定在波をカプラーにパワー投入可能
であった。

85

図１２: カプラー１号機の大電力試験 setup。左：setup 写真。右：断熱槽内部とカプ
ラーの詳細図。

図１３: 25kW までの大電力試験結果。左図：（橙：投入パワー、青：cold 窓側真空、
緑：warm 窓側真空）。途中パルスプロセスを行う。右図：アークセンサ反応時の電子放出の反応。

その後、図１４に示すように 20kW の定在波を 16 時間保持し、温度の詳細データを測定した。まずベローズの温度であるが、内導体ベローズは窒素ガスでの空冷により、120℃以下に抑えられ、真空は warm 側は最高で 4×10-6Pa まで上がった後、下がっていく傾向が見られた。cold 部の外導体のベローズの温度上昇が最も激しく、ΔT=113℃であったが、温度としては-30℃であった。特にこの部分はモジュール組み込み時には 80K と 5K のアンカーの間に設置される部分
であり、より冷却が強化されるため、cold 外導体ベローズ部の発熱による温度86

上昇は特に問題ないことが分かった。但し、運転時の 5K への入熱がどれくらいになるかは今後モジュール組み込み時の大きなテーマの一つである。warm 窓近くの外導体のベローズは、カップリング可変や冷却時の熱収縮による歪み回避のため、モジュール組み込み後の断熱真空槽内に設置する必要がある。本カプ
ラーにとって、このベローズの温度上昇の抑制も、今回の測定の大きなテーマであったが、温度上昇が 50℃程度で抑えられており、断熱真空槽内でも問題な
く発熱を抑えられていることが分かった。特に設計時の計算から、ベローズ内面に 150μm の銅メッキを施したことが、今回のこの温度上昇の抑制に効果的であったものであり、本機カプラーの設計に反映させる予定である。次に cold 窓の温度上昇であるが、cold 窓は窒素冷却時では-165℃であったが、cold 窓でΔ
T=83℃の温度上昇が見られた。窒素温度の冷却により温度では-82 度で安定であった。表３に 20kW の定在波をカプラーに投入した際の 80K 液体窒素への入熱の比較を示す。測定結果の 29.6W は、温度上昇からブレード線の長さ及び太さ本数を考慮し、計算したものである。計算値はベローズまでの内導体及び外導体の cold 窓に接続した部分の 20kW パワー投入時の RF 損失を計算したものであり、測定結果と計算値はほぼ近い結果が得られた。昨年度のセラミックの冷却試験
同様、カプラーの熱設計からセラミック窓を通じ、内導体の入熱を cold 窓の 80K
アンカーから吸収していることが分かった。モジュール設計時にはブレード線の本数を増やし、温度上昇をさらに軽減させる予定である。
この大電力試験では、プロセス後は 20kW までスムーズにパワー投入可能となり、またパワーダウンが無い状態で８時間以上、合計 16 時間弱 20kW の運転を継続できた。さらに一旦昇温後、カプラー内部を大気に意図的に４時間程度、開放し、再度、同じ setup で液体窒素温度に冷却し、大電力試験を行った後、24kWまで放電無しでパワー投入可能であった。一度プロセスを行えばそのプロセスの効果が保持されることが確認された。これは特にモジュールへの組み込み時に一旦カプラーを大気解放しても、スムーズなパワー投入が可能であることを示している。

87

図１４:20kW を定常運転時。左図：投入パワー履歴(橙) と cold 部、warm 部の真空のグラフ(青、緑)。右図：パワー履歴(橙)と cold 窓温度(緑)、cold 部外導体ベローズ温度(青)、warm 部外導体ベローズ中央温度(黒)、内導体ベローズ中央部温度(ピンク)のグラフ。温度は 15 時間でほぼ一定。３回のパワーダウンは放電ではなく、ノイズによるもの。
cold窓からの液体窒素への入熱
測定値
計算値

29.6W
31.9W (dynamic loss)(内導体29.4W+外導体2.5W)

表３：cold窓から液体窒素への20kWパワー投入時の入熱の比較
これらの実験から１号機の設計は CW 用超伝導空洞のカプラーとしては RF 及び熱設計として問題ないことが確認された。大電力試験に引き続き、今後、同setup にて、カプラー１号機の cold 窓の熱サイクル試験を行う予定である。
５．まとめ
改良 cold 窓にて電場ピークをセラミック窓に立てた場合の大電力試験を行った。改良後は 25kW までスムーズにパワー投入が可能であり、急激な温度上昇も見られず、セラミック窓の RF 設計の方針が決まった。それに対し、ろうづけ条
件の再確認のため、液体窒素温度と室温間の温度変化を何回も繰り返す熱サイ
クル試験を旧 cold 窓を用いて行った。５回の熱サイクル試験後、セラミック窓の内導体部に割れが起こっているのが判明した。セラミック割れの断面から、熱応力によるものである可能性が高く、熱応力解析を行い、応力集中を 20%以上88低減する設計をカプラー１号機の cold 窓に反映した。今年度はさらに、カプラー試作機（カプラー１号機）の設計・製作を行い、特に前々年度製作した断熱槽で cold 窓を覆い、液体窒素タンクに汲んだ液体窒素からブレード線にて cold
窓を 80K 近くに冷やすことで、モジュール組み込みに近い条件下にて、カプラー1 号機の大電力試験を行った。10kW にてマルチパクティングが発生したが、パルスプロセスを行い、定在波で最大 25kW のパワーを入れることが可能であった。また、プロセス後、20kW で 16 時間パワーを保持することができた。内導体
ベローズは窒素ガスでの空冷により、120 度の温度上昇に抑えられ、真空は warm
側は最高で 4×10-6Pa まで上がった後、下がっていく傾向が見られ、安定な運転が可能であることが分かった。cold 窓からの、入熱は 29.6W であり、20kW パワー投入時の cold 窓で吸収される RF 損失の計算値 32W にほぼ近い結果が得られ、発熱が大きい内導体の入熱を cold 窓の 80K アンカーにより吸収していることが分かり、熱設計が十分機能していることがわかった。モジュール設計時にはブレード線の本数を増やし、温度上昇をさらに軽減させる予定である。他ベロー
ズの温度上昇も問題ないレベルであり、実機カプラーの熱設計は大電力試験でも問題ないことが実験的に分かった。最後にプロセスの効果は昇温後、大気解放後も保持していることを確認した。
今年度までに問題となった RF 設計や熱設計の課題がほぼクリアされた。今後の緊急の課題は、ろうづけ条件の改良を行ったカプラー１号機の cold 窓を用いた熱サイクル試験により、熱的なストレスによるセラミックの破壊回避の確認である。当面は１０回以上の熱サイクルに耐えることを目標とし、仕様を満たせ
ば、次年度は、cold 窓の設計の詳細、特に可変機構の詳細を詰め、いよいよ、次年度の主空洞モジュール組み込み用の実機 2 台のカプラーの製作を行うことになる。熱サイクル回数を満たさない場合はさらにストレスを抑えた設計、製作を行い、再度熱サイクル試験を行うことになる。
開発スタッフ
責任者 ： 中村典雄（東京大学物性研究所）
担当者 ： 高木宏之、篠江憲治、渋谷孝、工藤博文、伊藤功（東京大学物性研究所）、阪井寛志（高エネルギー加速器研究機構）○参考文献[1]K.Suganuma, et. al. ,Ann. Rev. Mater. Sci 1988.18:47-73
６．発表論文
[1] H. Sakai et al., “Power coupler development for ERL main linac inJapan”, Proceedings of IPAC2010, Kyoto, Japan, 2010, pp.2953-2955.
89

[2] T.Furuya et al., “Development of a prototype module for the ERL
super conducting main linac at KEK”, Proceedings of IPAC2010, Kyoto,
Japan, 2010, pp.2923-2925.
[3] K.Umemori et al., “Observation of resonance mode in coaxial-type
input coupler”, Proceedings of IPAC2010, Kyoto, Japan, 2010,
pp.2959-2961.
[4] 篠江憲治 他、「ERL 主ライナックのためのカプラーの開発 --改良セ
ラミック窓のハイパワー試験 --」、 第７回加速器学会プロシーディングス、
姫路、兵庫 (2010),p511。
[5] 武藤俊哉 他、「ERL 超伝導主加速空洞の入力カプラーによる横方向キックの計算」、 第７回加速器学会プロシーディングス、姫路、兵庫(2010),p840。
[6] K. Umemori et al.,“Development of a main linac module for compact
ERL project”, Proceedings of LINAC10, Tsukuba, Japan (2010).

90

H. 小型 1.3GHz 高周波源開発
Development of Compact Distributed RF Source
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、超低エミッタンス
ビームの加速に必要なパルス運転型の超伝導加速空洞の研究開発を進めている。
この計画における小型 1.3ＧＨｚ高周波源の開発が昨年に引き続き行われた。従来一般的な手法である大きな RF 源から大電力高周波を供給するというやり方とは一線を画した、小さい電力の高周波源を分布させながら効率の良いシステムを開発するというものである。すなわち電源（これは直流電源とパルスモジュ
レータを含む）は共通として、高周波源であるクライストロンを空洞 1 台または 2 台に 1 台ずつ配して、結果として小型化分布型高周波システムを構築しようとするもので超伝導加速器では特に有効である。昨年報告したとおり、基本的な構成要素である、モジュレーションアノード電極付きクライストロン、そのモジュレーションアノードと呼ばれる３極管構造のグリッドのような電極へ
パルス変調をかける、モジューレーションアノードパルス電源、電力を供給する直流高圧電源からなるがそれら 1 式の製造が 2 年目で完成しその評価試験を
平成 22 年度に実施することが出来た。発生した電力を空洞まで分配するシステ
ムは 1 本のクライストロンから２空洞へ大電力高周波を供給するものであるが、高性能の電力分配器を介し、各空洞からの反射が別の空洞へ行って干渉することが無ければ非常にシンプルで小型化された電力分配系が実現される。これは理論上可能であるが、実際にはそれを現実の運転により実証する必要があり、この試験も平成 22 年度に行い、成功裏に評価試験を終了できた。これらに関してこの成果報告書において報告する。このシステムは小型高フラックス X 線源
用加速器のみならず、従来大きい高周波源を用いて設計されてきた国際リニア
コライダーの高周波源への応用でも可能であり、具体的な応用に関して注目され始めた。
１．モジュレーションアノード付きクライストロンの性能
表１にモジュレーションアノード付きクライストロンの仕様を示した。平成
21 年度にクライストロン本体を真空管化したが、引続き平成 22 年度には電圧と高周波のエージングを行ない高エネルギー加速器研究機構へ納入された。製作したプロトタイプのクライストロンはその後、評価試験を行なった結果満足すべき結果を得た。電気的特性の一部とその時の装置の写真を図１と図 2 に示す。
印加直流電圧 67.1ｋV の時に出力が 806.7ｋW で効率が 60.1％であり、表 1 の仕91

様値を超える結果を得た。
2. 直流電源、及びモジュレーションアノード用モジュレータの開発
概略で述べたモジュレ ー シ ョ ン ア ノ ー ド 付 表 1 モジュレーションアノード付きクライストロンの仕様、及び電源の仕様
きクライストロンへ電力を供給する直流電源とモジュレーションア
ノード変調器は平成 21年度から 2 年にわたり製作した。パルス電圧印加
時 に 生 ずるパルス垂下
特 性 を 補償するバウン
サー回路等は省略した。
複 数 負 荷時に一方が故障した際、各負荷を切り
離 す 高 圧リレーなどは
要 素 試 験をすべく購入し評価は平成 23 年度に行う。第一章で述べた評
価 試 験 時に直流電源及び モ ジ ュレーションア
ノ ー ド 用モジュレータの 試 験 も同時に行なった。その後、総合運転と国 際 リ ニアコライダへの応用を兼ねて、超伝導RF 試験装置への電力供給を行った。この結果は次章で述べるように高周波的にも満足する結果が得られ、総合運転としては成功裏に評価試験が遂行できたと評価出来る。平成 23 年度は残された要素も組み入れ、超低エミッタンスビームの加速に必要なパルス運転型の超伝導加速空洞の総合試験に供する予定である。図２に使用した回路構成図と92

Output Power (kW)E37501 #1 Input-output characteristics

Input Power (kW)

（１）

（２）

図１ 左図（１） モジュレーションアノード付きクライストロンの出力
高周波の入出力特性、右図（２）試験中のモジュレーションアノード付きク
ライストロン
電圧波形を示す。
3.
低電力高周波系のフィードバックをかけた電力分配系の総合評価
電力分配系の概略は概要の所で示した。これに関する目的は 2 分配電力供給
系で定在波型空洞からの反射波がある時にその干渉が無く、きちんと想定の高周波を空洞に送れるか、低電力の高周波系フィードバックをかけて、所定の振幅と位相の安定性が得られるかという課題を確かめることである。平成 21 年度
製作の高い方向性を持つマジックティー型電力分配器を用いて 2 分配電力供給系を構築し超伝導 RF 試験装置で総合評価を行なった。
Capacitor Bank

Input
AC 200V 3ø

5.2µFx3

Crowbar Circuit

Switching PS
Max-80kV
6.4 kW x 5units

Oil Tank

Cathode(-72kV)

SwitchDrive
circuit

Heater
PS

-2kV
Bias
PS

A
HK

Control System

図２

（１）
左図（１）

（２）
電源の回路構成図、右図（２）電圧パルス波形

図３（１）に電力分配系のレイアウトを示した。低電力高周波系のフィードバ
ックをかけた高周波波形を図３（２）に示した。この図からわかるように空洞
93

からの反射があっても高い方向性を有するマジックティーと導波管間の位相長調整をした結果、きちんとした波形で運転できることが実証できた。通常は定在波空洞では反射波の処理のためにサーキュレータを使用するのが普通であるが、今回の試験でサーキュレータ無しのコンパクトな高周波システムの構築が可能になったといえる。

Pf

Pb to kly.

図3

（１）
（２）
左図（１） 電力分配系のレイアウト、右図（２）試験時の高周波波形

開発スタッフ
責任者 ： 福田茂樹（高エネルギー加速器研究機構）
担当者 ： 道園真一郎、明本光生、中島啓光、吉田光宏、松下英樹（以上 高エネルギー加速器研究機構）
参考文献
2010 年度中の発表および掲載(1) S. Fukuda, "Proposal of RF New Scheme in ILC-Distributed RF System(DRFS), Proceeding of Particle Accelerator Society Meeting of Japan, JAEA,
Tokai, Japan, August, p. 779, 2009.
(2)
S. Fukuda, "DRFS in SB2009", AAP Review, Oxford, January, 2010.
(3)
S. Fukuda, "DRFS Equioment", LCWS2010, Beijing, March, 2010.
(4)
S. Fukuda, "DRFS Development in HLRF", LCWS2010, Beijing, March,
2010.
(5)
S. Fukuda, "S1 Global RF Preparation", LCWS2010, Beijing, March,
2010.
(6)
M. Akemoto, "Power Supply for DRFS", LCWS2010, Beijing, March, 2010.
(7)
S. Michizono, "DRFS LLRF System Configuration", LCWS2010, Beijing,
March, 2010.
94

(8)

S. Michizono, "S1 Global Study Plan", LCWS2010, Beijing, March, 2010.

95

I. X線検出装置開発
Development of X-ray detectors
概要
量子ビームプロジェクトにより発生する X 線のモニターばかりでなく今後のX 線検出の分野でのブレイクスルーとなる高性能 X 線検出器の開発を目指す。
2010 年度は、昨年度の予備的評価で有望であった SOI シリコンピクセル検出器についてさらに検討を深めた。
高精細 X 線イメージング応用への可能性を探るべく、前年度に引き続き SOI
技術に基づくシリコンピクセル検出器の表 1 INTPIX4 の仕様可能性の評価・検証に取り組んだ。今年
チップ面積15.5 mm x 10.3 mm
度は、大面積・高精細・積分型 SOI ピク
ピクセルサイズ17 x 17 µm
セルセンサー（INTPIX4）の動作・評価試
ピクセル数
832 x 512 (約 43 万画素)
験および、新しい読み出し機能を搭載し有効面積14.1 mm x 8.7 mm
た中面積・積分型 SOI ピクセルセンサー・
アナログ出力数
1 または 13
（INTPIX3e および INTPIX3f）の開発を行った。INTPIX4 の仕様を表１に示す。これまでの積分型 SOI ピクセルセンサーはピ
クセルサイズが 20 µm であったが、SOIプロセスの改良により、ピクセル内で大きな面積を占めていたキャパシタを縮小することが可能になり、したがってピク
セルサイズ縮小が容易になった。INTPIX4
図 1. INTPIX4・サブボード写真
においてはピクセルサイズ 17 µm を達成、ピクセルサイズ 14 µ m の積分型センサー

図 2. 積分型ピクセルセンサーで得られた煮干しの X 線像(画像３枚を横に並べて合成)
を製作中、さらに 10 µm の高精細ピクセルセンサーの開発も検討している。

96

INTPIX4 は専用のサブボード（図 1）に実装され、汎用の読み出しボードと組
み合わせてデータ収集システムを構築した。開発システムの正しい動作が確認できたので、リガクの X 線発生装置（ターゲット Mo）を用いて、イメージング試
行実験を行った。発生装置から出力される一番強い特性 X 線エネルギーは 17.5
keV である。また、照射サンプルとして煮干しを用いた。その結果、図 2 に示す
ように、鮮明な X 線像を得ることができた。SOI イメージセンサーが高精細イメージングに有用であることをはじめて実証したと言える。現在は、SN 比を高める
ために、ノイズに寄与するリーク電流の低減と、SOI ウエハーとして FZ 高抵抗基板を用いることで検出効率を高めること
を重要課題として、ピクセルセンサー性能改善に取り組んでいる。
現在の X 線信号読み出しについては、 図 3. INTPIX3e で取得した X 線テ
ストチャート像
一定時間電荷積分を行った後、全ピクセ
ルの読み出しを一つのアナログ出力を用いて行う方法を取っている。信号のリ
セットおよび電荷蓄積は、全ピクセルに対して一斉に行われる。アナログ出力を行っている時間は不感時間となり、従って、ピクセル数が増えればより不感時間が増える。不感時間を減らすために、ローリングシャッターモード(RSM)を搭載する積分型センサーの開発に着手した。RSM では、一定ブロック毎に独立してリセットおよび電荷蓄積を行うことができるので、不感時間を減少させ効率の良い電荷収集を行うことが可能となる。2010 年度の試作では一次試作として、
ピクセルサイズ 16 µ m の中面積積分型センサー(INTPIX3e)を製作し、動作試験を行った。有効面積は約 3 x 3 mm である。図 3 に示すように、X 線テストチャ
ート画像が高解像度で得られ、20 lp/mm スリットが分離できていることから、所望の解像度特性が得られていることを確認した。その後、2 次試作として RSMを搭載した積分型センサー(INTPIX3f)を製作し、RSM 用読み出しシステムを開発している。
次年度は、大面積および中面積 X 線イメージセンサーを駆使して X 線応用に向けた検討を行い、さらに量子ビームプロジェクト X 線発生装置実証機からの X
線検出を試み、最終年度に完成する X 線発生装置での評価・応用試験にスムー
ズに移行できるよう、開発研究を続けていく予定である。
97

開発スタッフ
責任者 ： 幅純二（高エネルギー加速器研究機構）
担当者 ： 宇野彰二、新井康夫、内田智久、三好敏喜、村上武、池本由希子（以上 高エネルギー加速器研究機構）
参考文献
2010 年度中の発表および掲載
1.

2.
3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

応用物理学会、放射線分科会会誌「放射線」、”SOI 技術による X 線ピク
セル検出器の開発”、新井康夫、三好敏喜、一宮亮、小貫良行、Vol.36, No.4,
Nov. 2010, pp. 179-188
日本物理学会誌、2010 Vol. 65, No. 9, 実験技術,「SOI 技術を用いた放射線イメージセンサーの開発」新井康夫、三好敏喜、一宮亮、小貫良行“Development of SOI Pixel Process Technology”, Y. Arai, et al., 7thInternational “Hiroshima” Symposium on Development and Applicationsof Semiconductor Tracking Devices, International Conference Center
Hiroshima, Japan, Aug. 29-Sep.1, 2009, Nucl. Instr. And Meth. A623
(2010) 186-188 doi:10.1016/j.nima.2010.04.081.
“Performance study of SOI monolithic pixel detectors for X-ray
application”, T. Miyoshi et al., Nucl. Instr. And Meth. A (2010),
doi:10.1016/j.nima.2010.04.117.
“Development of SOI Pixel Detectors”, T. Miyoshi, VIPS2010- Workshop
on Vertically Integrated Pixel Sensors, 2010, April 22-24, Collegio
Riboldi Auditorium, Chiesa Dei Santi Giacomo e Filippo Via Luigi Porta,
10, I-27100, Pavia, Italy.
“Development of INTPIX and CNTPIX Silicon-On-Insulator Monolithic
Pixel Devices”, K. Hara, Y. Arai, et al.,19th International Workshop
on Vertex Detectors – VERTEX 2010, Loch Lomond, Scotland, UK, June 06-11
2010“Vertical integration of radiation sensors and readout electronics”,
Y. Arai, MELECON 2010, 15th IEEE Mediterranean ElectrotechnicalConference,
DigitalObjectIdentifier:10.1109/MELCON.2010.5475897,2010,Page(s):1062-1067“Integrated radiation image sensors with SOI technology”, Y. Araiet al., 2010 IEEE International SOI Conference (SOI), Digital Object
Identifier: 10.1109/SOI.2010.5641403,2010, Page(s):1-5.
2010 年 8 月 5 日、理研シンポジウム「先進ものづくり技術によるアナライ98

ザーキーコンポーネント開発基盤の構築状況」、招待講演”SOI 技術を用いた放射線ピクセル検出器の開発“
10. “Progress of SOI Pixel Detectors and 3D Integration”, Y. Arai etal., Pixel 2010 – International Workshop on Semiconductor Pixel
Detectors for Particles and Imaging, 6-10 September 2010 Grindelwald,
Switzerland.
11. 2010 年 9 月 13 日、日本物理学会、13pSM-11、SOI 技術を用いた読み出し一体型ピクセル検出器(積分型)の開発、KEK 総研大 武田彩希、KEK 新井康夫、
他 SOIPIX グループ
12. 2010 年 9 月 14 日、日本物理学会、14aSK-2、SOI 検出器における X 線損傷
TID 効果の軽減に関する研究、東北大 小野善将、KEK 新井康夫他 SOIPIX
グループ
13. “Recent Progress in Development of SOI Pixel Detectors”, T. Miyoshi
on behalf of the SOIPIX Collaboration, IEEE Nuclear Science Symposium,
Medical Imaging Conference and 17th Room Temperature Semiconductor
Detector Workshop, October 30, 2010 – November 6, 2010 – Knoxville,
Tennessee.
14. 2011 年 3 月 25-28 日、日本物理学会、25aGN-5、SOI ピクセル検出器用チッ
プ読み出しボード SEABAS2 の開発、KEK 田内一弥、新井康夫、他 SOIPIX グ
ループ
15. 2011 年 3 月 25-28 日、日本物理学会、26aTN-9、SOI イメージセンサーの X
線応用、KEK 三好敏喜、他 SOIPIX グループ
16. 2011 年 3 月 25-28 日、日本物理学会、27pGN-10、SOI 検出器におけるセンサー層の電荷収集、東北大 小野善将、KEK 新井康夫、他 SOIPIX グループ
17. 2011 年 3 月 25-28 日、日本物理学会、27pGN-12、SOI シリコン検出器の高比抵抗 FZ 基板の特性について、一宮亮、新井康夫、他 SOIPIX グループ
18. 2011 年 3 月 25-28 日、日本物理学会、27pGN-13、SOI 技術を用いた読み出
し一体型ピクセル検出器(積分型)の開発 II、KEK 総研大、武田彩希、KEK 新
井康夫、他 SOIPIX グループ99

J. X 線測定および利用研究
X-ray Measurement and Its Application Researches
概 要
超伝導加速による次世代小型高輝度光子ビーム源の開発のために、X 線検出器開発および利用研究に向けた検討を行っている。レーザーコンプトン散乱によって生成される X 線に特化した特徴としては、散乱角が広いため大面積の撮像が容易であること、線源サイズがレーザーもしくは電子ビームの大きさに一致するため極限まで小さくすることが可能である点である。これらの特徴を評価することを目的とし、本年度は超伝導線形加速器を用いた実機での計測を前に小型加速器における検出試験に着手を始めた。それとともに利用研究へ向けた装置の単純化及び安定化の試験として、レーザーコンプトン散乱の衝突用レーザー光を基準信号とするシステムの試験を始めた。次年度以降、X 線の検出・撮像を実現していく予定である。
1. はじめに
今年度はレーザーコンプトン散乱 X 線を検出する準備及び将来的に円偏光 X
線を検出するための設計研究を行った。X 線を検出する準備としては、昨年度組
み上げた画像読み出し式の検出器を利用しやすいようにシステム構築を行った。
超伝導加速器を用いた実機での計測を前に行われる小型加速器(LUCX)におけるX 線生成試験にてまずはバックグラウンド計測を行った。LUCX 加速器システムが改造されていることも踏まえ、そのバックグラウンドへの影響を確認した。
この試験は最初に X 線を発見するために用いる MCP(Micro-Channel Plate)を用いて行った。より X 線の収量を増大させるためにレーザー増幅器の増強を行うとともに、最終的な利用を見込みシステムを単純化するための衝突用のモード
ロックレーザーを基準信号とするシステムのテストも行った。円偏光計測に関しては、概念設計を行い、必要とあれば製作を行える状況とした。
2.

X 線検出器評価試験
昨年度までに、MCPによる増幅を用いたX線画像読み出しシステムの構築に成功している。これはこれまでの経験からもっともS/Nの大きな測定が期待できる検出器として開発を行っており、最初の検出に用いる予定である。この検出器を早稲田大学の加速器を用いて評価し、検出システムを立ち上げた。機器自体は昨年度報告したようにすでに立ち上がっており、画像の読み出しプログラムなどを構築した。まずは次節に報告するLUCXでの検出を念頭に検出システムを100構築した。画像取得はもちろん、信号となるX線が到達する時間のみにゲートをかけてより大きなS/Nで画像を取得できることを確認した。また、画像を蓄積・平均化するシステムを組みX線信号とバックグラウンドのみのイベントを自動的に差し引くシステムとした。これによりレーザーコンプトン散乱X線の検出は準備完了となった。
3.

小型加速器(LUCX)における X 線検出試験
LUCX における X 線検出試験を始めるにあたり、レーザーコンプトン散乱用レーザーシステムの立ち上げを行った。バースト増幅のための増幅システムを増強することによってより長いかつ可変なバースト幅を実現した。以下の図が設置した際の写真となっている。

(A)(B)
図 1：設置したレーザーシステムとバースト増幅器の写真(A)モードロックレーザー(B)バースト増幅器
図１(B)に示すようにモジュール式の LD 励起バースト増幅器を設置した。LD に流す電流の幅を制御することで増幅するバースト時のゲイン及びバースト幅を調整することができる。新しく設置したバースト増幅器システムの試験結果を
以下の図２にしめす。

101

4

300
250

1000

200

100

150

10Max Power
Small In
1

0

20

100
Max Power 50
Small In
0
40
60
80
100
120
LD Current [A]Pulse Width [sec]

Gain (Peak/Base)10

図２：LD 励起バースト増幅器試験結果
結果を見てわかるように電流値が 80A を超えるあたりで増幅率が頭打ちとなり飽和していることがわかる。これは増幅されたレーザー光強度が増幅媒質である Nd:YAG の飽和強度に達していることを示している。今後より高い増幅率を目指す場合にはより径の大きな増幅媒質を用いてレーザー径を拡げることで強度を向上させる必要がある。実際にこれを用いたバースト蓄積を行った際の様子が以下の図３である。紫線が共振器内のレーザー強度を、黄線がバースト蓄積部を、緑線が共振器 FB 用信号を示している。紫線を見てわかるようにバース
ト時に蓄積強度が格段に向上していることがわかる。また、(A)(B)を比較してわかるように LD Current 140A を超えて飽和している(B)ではバースト幅が広くなっており、これは共振器内でも同様のことが起こっていることがわかる。バースト時の蓄積強度としては、最大 60kW を達成している。改良前の 40kW から向上し、かつバースト幅の制御が可能となったことで、より効率よく X 線が生成できるようになった。

(A)(B)
図３：バースト蓄積時の波形(A)LD Current 100A (B)LD Current 140A
102

レーザーの準備ととともに電子ビーム側の準備も整え、衝突実験の準備を行った。LUCX 加速器は改造を行い、バックグラウンドを極力減らし、X 線の検出器スペースを広くとるようにした。(図４参照)そこで衝突試験用のビーム調整が必要となる。これに要求される事項としては、「X 線検出器においてバックグ
ラウンドが小さいこと」「レーザーとの衝突点において小さく絞れていること」
である。

図４：改造後の LUCX ビームライン(衝突点以降)
すでに実績のある検出器である MCP を設置し、ビーム調整にも用いつつバッ
クグラウンド計測を行った。図５に設置した様子を、図６に検出したバックグ
ラウンド波形を示す。

図５：ビームラインに設置した MCP 検出器

103

図６：MCP によって取得したバックグラウンド波形
図５の手前に示している鉛に覆われた真空容器が MCP を付属したチャンバー
である。X 線は奥に見えている偏向電磁石の直線ラインから空気中を輸送されて検出器に入る。検出器はアパーチャー30 ㎜φであり、X 線のエネルギー幅 10％が検出器内に入るように設置している。図６は検出したバックグラウンド信号を示している。青線が生信号・赤線が電子ビーム起因のバックグラウンドである。この波形取得時は電子ビーム 100Bunch/train・40MeV・40nC/train の実績のあるビームパラメータを用いた。以前と比較して、バックグラウンド強度としては半分程度となっており、バックグラウンドの削減には成功している。今後さらにビーム調整を行うことで改善が見込まれる。さらに、以前のバックグ
ラウンド波形と比較してバックグラウンドの見え方が違うことから、X 線と全く同じタイミングで検出器に入っているのではなく、偏向電磁石で曲げられた後やビームダンプで生成したバックグラウンドが多数混じっていると考えている。
将来の様々な利用研究を見据えて非常に複雑だったタイミング同期システムの改良を行った。従来の RF システムを図７の(A)に新しいシステムを(B)に示す。

104

(A)従来の RF システム(B)レーザーを基準とした RF システム
図７：レーザーを基とした RF システム図
図中では(B)の方が複雑になっているように見えるが、衝突レーザー側では共振を維持する FB と RF に同期する FB(PLL)が混在しており、非常に複雑なシステムであった。このシステムは衝突用レーザー共振器を熟練した者でないと扱えないシステムで、再調整すら熟練者でないと難しかった。そこでこのシステムを簡易化するためにレーザー光を基準信号にするようにシステムを組み上げた。
(B)の赤で示しているのがレーザーから基準信号を生成するラインである。最終
的には周波数がずれすぎないように SG(Signal Generator)とドリフトを抑える
程度の FB 回路を構成することになる。すでにこのシステムを導入しており、ビーム加速を行っても問題なく動作することが確認できている。
4. X 線の偏光計測に関する検討
本プロジェクトでは、レーザー光の偏光制御によって X 線に円偏光を持たせることが可能かつその高速切り替えが可能である。そこで X 線の偏光、特に円105

偏光度の計測に関する検討を行った。これまでに報告されている論文などを整理したところ『直線偏光の計測』と『低エネルギーX 線の偏光度計測』に関しては多数の報告がなされているが、10keV を超えるような硬 X 線での円偏光度の計
測は例がない。また、1keV 程度の低エネルギー領域においても放射光施設から得られる X 線のように非常に指向性の良い X 線に限った測定方法となっている。
そこで我々がγ線領域のエネルギーに対して経験を持つ磁化鉄の透過率非対称性を用いる手法[M.Fukuda et al., PRL 91(2003)164801]が最も有効と判断した。
これは磁化鉄と偏光した X 線のコンプトン散乱断面積がスピンの方向によって異なることを用いた手法である。ただしγ線と比較して、エネルギーが低いた
め、鉄の透過率は非常に低くなる。そのため多数の偏光 X 線が必要であり、かつ数μm オーダー厚の磁化鉄ターゲットを製作する必要があることが分かった。
検出器の概念設計は完了し、実際に偏光特性を計測する必要があれば製作する予定である。
5. 総括
昨年度までに開発した MCP ベースの画像読み出し検出器を PC における読み出
しも含め完成させた。すでに X 線が得られればすぐにテストできる状況にある。
KEK の小型加速器 LUCX における X 線生成試験を開始した。衝突レーザーを立ち上げ、改良することでこれまで以上の 60kW の蓄積を達成するとともにバースト幅を可変とすることができた。加速器内に設置した MCP を用いてバックグラウ
ンド計測及びこれを用いたビーム調整を行った。加速器の改良によってすでにバックグラウンドは半分程度まで落とすことができており、ビーム運転が上達することによってさらなる向上が見込まれる。全体のシステムとしては、熟練者以外でも衝突用のレーザーを調整できるようにレーザーを基準信号としたタ
イミング同期システムを構築し、問題なく動作することを確認した。
次年度はこれらを踏まえて LUCX における X 線生成試験を行い、X 線の検出・X
線の増強・X 線による撮像を行う。さらに次年度末から予定されている超伝導加速器試験施設 STF での本実験に向けてバックグラウンド測定や X 線生成試験の準備を行っていく予定である。
開発スタッフ
責任者 ：担当者 ：鷲尾方一（早稲田大学）
鷲尾方一、坂上和之 (早稲田大学)

参考文献（２０１０年度中の発表および掲載論文）[1] “Photon generation by laser-Compton scattering at the KEK-ATF” S.
106

Miyoshi, T. Akagi, S. Araki, Y. Funahashi, T. Hirose, Y. Honda, M. Kuriki,
X. Li, T. Okugi, T. Omori, G. Pei, K. Sakaue, H. Shimizu, T. Takahashi,
N. Terunuma, J. Urakawa, Y. Ushio, M. Washio, Nucl. Instrum. Meth., A623
(2010) 576-578.
[2] “Design of high brightness light source based on laser-Compton
undulator for EUV lithograpy mask inspection” Kazuyuki Sakaue, Masakazu
Washio, Akira Endo, International Particle Accelerator Conference 2010,
Aug 2010[3] “Multi-bunch electron beam generation based on Cs-Te photocathoderf-gun at Waseda university” Yukihisa Yokoyama, Tatsuro Aoki, Kazuyuki
Sakaue, Tatsuya Suzuki, Junichiro Yokose, Masakazu Washio, Junji Urakawa,Nobuhiro Terunuma, Hitoshi Hayano, Shigeru Kashiwagi, Ryunosuke Kuroda,
International Particle Accelerator Conference 2010, Aug 2010[4] “Pulse radiolysis with supercontinuum probe generated by PCF” Yuji
Hosaka, Ryosuke Betto, Akihiro Fujita, Kazuyuki Sakaue, Masakazu Washio,
Ryunosuke Kuroda, Shigeru Kashiawagi, Kiminori Ushida, International
Particle Accelerator Conference 2010, Aug 2010
[5] “Cs-Te photo-cathode RF electron gun for applied researches at Waseda
University” Kazuyuki Sakaue, Hitoshi Hayano, Shigeru Kashiwagi, Ryunosuke
Kuroda, Akihiko Masuda, Tatsuya Suzuki, Toshikazu Takatomi, Nobuhiro
Terunuma, Junji Urakawa, Masakazu Washio, 10th European Conference on
Accelerators in Applied Research and Technology, Sep 2010
[6] 「早稲田大学フォトカソードRF電子銃における応用研究の現状と今後の展
望」坂上和之、青木達朗、浦川順治、柏木茂、黒田隆之助、篠原邦夫、鈴木達也、照沼信浩、早野仁司、別當良介、保坂勇志、横山悠久、鷲尾方一、第7回日本加速器学会、2010年8月[7] 「3.5Cell S-bandフォトカソードRF電子銃開発」青木達朗、Abhay Deshpande、
浦川順治、工藤昇、坂上和之、鈴木達也、高富俊和、照沼信浩、福田将史、鷲尾方一、第7回日本加速器学会、2010年8月[8] 「早稲田大学におけるCs-TeフォトカソードRF電子銃を用いたマルチバンチ
電子ビーム生成システムの開発」横山悠久、青木達朗、浦川順治、柏木茂、黒107

田隆之助、坂上和之、鈴木達也、照沼信浩、早野仁司、鷲尾方一、第7回日本加速器学会、2010年8月[9] 「光共振器を用いた小型高輝度レーザーコンプトン散乱X線源開発」坂上和之、ビーム物理研究会2010、2010年11月[10] 「早稲田大学におけるRF電子銃を用いたマルチバンチ電子ビーム生成」鈴木達也、青木達朗、浦川順治、柏木茂、黒田隆之助、坂上和之、照沼信浩、早野仁司、山本隆之、横山悠久、鷲尾方一、ビーム物理研究会2010、2010年11月[11] 「S-band Linacを用いたTHz波発生とイメージング応用」熊木雅史、黒田隆之助、山口映理子、豊川弘之、坂上和之、鈴木達也、大山智子、川内洋平、
山田家和勝、鷲尾方一、ビーム物理研究会2010、2010年11月[12] 「早稲田大学フォトカソードRF電子銃におけるマルチバンチ電子ビーム生成」坂上和之、第7回高輝度高周波電子銃研究会、2011年1月[13] 「KEK小型電子加速器におけるレーザー蓄積装置を用いた小型X線源(LUCX)の開発(10)」坂上和之、荒木栄、浦川順治、笹尾登、照沼信浩、福田将史、本田洋介、鷲尾方一、第66回日本物理学会年会、2011年3月[14] 「3.5cell S-band フォトカソードRF電子銃開発」青木達朗、Ahbya
Deshpande、浦川順治、工藤昇、坂上和之、鈴木達也、高富俊和、照沼信浩、福田将史、鷲尾方一、第66回日本物理学会年会、2011年3月[15] 「フォトカソードRF電子銃とスーパーコンティニュウム光を用いたパルス
ラジオリシスのシステム構築についての研究」小方宏一、川内洋平、坂上和之、
鈴木達也、保坂勇志、別當良介、鷲尾方一、柏木茂、黒田隆之助、第66回日本物理学会年会、2011年3月[16] 「フォトカソードRF電子銃を用いたマルチバンチ電子ビーム加速に関する研究」横山悠久、青木達朗、浦川順治、柏木茂、黒田隆之助、坂上和之、鈴木
達也、照沼信浩、早野仁司、山本隆之、鷲尾方一、第66回日本物理学会年会、2011年3月

108

K. 電子ビーム・レーザ衝突技術の開発（システム統合化）とプロジェクトの総合的推進
Development of Technique for Collision between Electron andLaser Beams and Project System Integration
概 要
超伝導加速による次世代小型高輝度光子ビーム源の開発のために、レーザー
蓄積装置と常伝導の加速器を用いた X 線の生成試験および利用研究に向けた検討を行っている。平成 22 年度はレーザー蓄積装置と高エネルギー加速器研究機
構・先端加速器試験棟内に設置したマルチバンチ電子ビーム生成加速器(LUCX)の改造を行い、レーザーコンプトン散乱 X 線生成の強度を 2x105 photons/sec から 108 photons/sec 以上に増強できるように準備した。蓄積レーザーパルスエネ
ルギーを増強するために Burst Amplifucation 試験を行い、数倍程度まで強度が上がることを確認した。電子ビームパルス内のバンチ数を 100 から 1000 以上にするための高周波発生源の大電力高周波パルス幅の調整を進めている。
東日本大震災(2011.3.11)の影響で、レーザーコンプトン散乱Ｘ線生成の再確認実験が 2011 年 7 月まで延びた。本節において特別に、7 月末までの成果報告も含める。
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。特に高輝度高品質な X 線は先端的な計測などに利用され多大な成果を上げている。しかしながらこのような高輝度な X 線は現状、大型放射光施設から得ており利用が限られている。本プロジェクトではこのような高輝度 X 線ビームを小型な施設
によって生成することを目標とする。実機では超伝導加速空胴によって加速された電子バンチを用いるがその前段階として常伝導加速器から得られるマルチ
バンチ電子ビームとレーザー蓄積装置を用いることで原理実証試験を行い、今後の本プロジェクトの指針とするべく研究を進めている。この実証試験において得られた知見は加速器やレーザー蓄積装置、トータルとしての X 線生成シス
テム構成に至る全ての分野で指針となる重要なものである。
尚、小型超伝導加速器システムによる高輝度高品質な X 線生成実験装置の準備を 2010 年秋から開始したので、その状況報告も以下に示す。
2. マルチパルス X 線生成実証試験
2008 年度、常伝導線形加速器とレーザー蓄積装置を用いた X 線生成実証試験
は高エネルギー加速器研究機構、先端加速器試験棟内に設置された小型加速器(LUCX)で行われ、その成果は既に報告したので、その後の２年間の装置改造・
Ｘ線生成再現実験・Ｘ線強度増強計画の報告を行う。図 1 は装置改造後の構成
109

図、図 2 は衝突真空装置内の写真である。

図 1：LUCX 加速器構成図
2 つの四極電磁石によって電子ビーム収束される位置（逆コンプトン相互作用点）にレーザー蓄積装置が設置されており、その 後 電 子 ビ ー ム は 30 度 偏 向 電 磁 石 でCDR(Coherent Diffraction Radiation)実験
装置を通過後ビームダンプに捨てられる。
逆コンプトン散乱で生成された X 線は Be 窓
を通して大気中に取り出され、ビーム加速
ライン後方に設置された MCP 検出器で測られる。X 線測定に関する報告は本報告書の J
章に述べられているので、ここでは X 線強図 2：衝突真空装置内度増強計画について報告する。図 3 は加速器 Upgrade 後に再測定した 100 パルス
X 線信号である。S/N は 3 年前の実験に比べて 3 倍改善された。
既に Burst Amp.によるレーザー増強を試みたが、レーザー増幅媒質の性能が不十分なため 2008 年の増幅率の 2 倍弱で飽和現象が発生した。本件に関しては
新しい Burst Amp.購入により現状の 4倍以上にパルスレーザーエネルギーを
図 3：測定した 100 パルス X 線信号上げることは可能である。電子バンチ数を 100 から 1000 に増やす加速器運転調整は、2011 年 11 月までに完了できる。
また、電子ビームの Emittance を現状の 4 分の 1 程度に小さく出来ることも新110

カソードに交換することによって可能であることが測定された。ミラーの反射率を 99.9%以上に上げ、レーザー最適化を行えば、2011 年 11 月末までに J 章で報告された X 線強度の 200 倍以上が実現する。生成 X 線強度を上げながら色々なイメージング装置の試験も X 線検出器開発として推進する。
図 4 の右図に新しい高周波源システムを示す。高周波のパルス幅を数µsec 以
上にするために RRCSのパルス圧縮器を
2011 年 9 月までに取り除く。導波管と加速管の RF Aging に予想以上の時間を使ってしまった。
2008 年度に得られ
図 4 高周波電力系の改造、2010.10 完成。左が旧シ
た X 線強度から 10 8
ステム、右が改造後の RF システム。
photons/sec 以上のＸ線強度を得るには、
電子ビームサイズで4 倍、電子ビーム強度
で 10 倍、レーザー強度で 20 倍にする必要がある。Ｘ線強度が三桁以上増えるように要素技術開発を取り入れた X 線生成運
転を積極的に進めている。
3. 新高周波電子源と定在波 booster 加速
管の製作
新高周波電子源空 図 5 上図は新規に製作した 3.5 cell RF gun の写真。
洞と定在波 booster 0-mode とπ-mode の mode separation は 12MHz 以上で加速管設計を行い、 ある。下図は現在製作中の定在波 booster 加速管の図
空洞製作を開始した。 面とその 4 cell 分の mode 調整測定スペクトラムで、設計では無負荷 Q 値 mode 分離に成功している。12 cell では 12 mode 生じ
を 20%程度上げかつ るので 0-mode とπ-mode の mode separation を 20MHz
0-mode とπ-mode の周 以上に調整する。
111

波数差を 10MHz 以上まで拡げることができている。図 5 上図はその測定結果である。
電子ビームの品質が十分に良ければ、ビー
ムダンプまでに発生するビームロスを少なくでき、放射線管理
申請変更により 10C、
図 6. 36cm の 3.5 cell RF gun と 90cm 12 cell booster
20sec 電子パルス幅、で構成した小型 S-band 常伝導の電子ビーム加速性能
10.0MeV ビーム生成加
をシュミレーションして、50MeV 高輝度大強度電子ビ
速も認められるようーム運転が可能であることを確認した。
にできる可能性がある。図 5 下図は現在製作中の 12 cell S-band booster 加速管の図面とその 4 cell
分の加工調整による mode 測定結果である。2011 年 12 月までに 3m 加速管を 1m
弱の booster 加速管に入れ替える予定である。これによって現状の小型加速器のビーム負荷調整が容易になる。図 6 のような小型電子加速器構成で 50MeV 高
輝度大強度電子ビーム運転が可能になることを簡単な仮定に基づいたビームシュミレーションにより確かめた。
2011 年春までに行った新高周波電子源の性能測定結果は設計値と同等の性能を示し、測定エミッタンスは旧高周波電子源の 1/2 以下にできた。高周波電子源空洞内の最高加速電界は 120MV/m 以上で安定に運転できた。今後、電子源からのビームエネルギーが 10MeV まで到達するように高周波源の Upgrade を行う。
4. STF 量子ビーム実証実験計画
9 cell 超伝導加速空洞の試作と改良を繰り返して、大電流電子ビーム加速に使える超伝導空洞製作技術がほぼ確立でき、高輝度Ｘ線生成実証試験の空洞製
作を終わらせる目処が得られたので、2010 年秋から本実証試験の加速器設計と装置製作・設置に関する情報交換を STF 量子ビーム打合せ（隔週水曜日午前中）で行うことになった。ここでは今までに決定された設計やスケジュールについて報告する。

112

図 7 に STF 量子ビームラインの配置とビームオプティ
クスを示す。ここでは、電磁石磁場エラ
ー・設置エラー等を考慮した軌道調整に必要なビーム診断装置も要所々に配置・取り付けを行う。電子ビームとレー ザ ー ビ ー ム は 正 図 7. STF トンネル内の L-band RF Gun,２台の超伝導面衝突させるので、 空洞および電子ビームラインを示す。上図はビームラ
逆 コ ン プ ト ン 散 乱 インの衝突オプティクス。
Ｘ線はレーザー蓄
積光共振器の球面ミラーを透過することになる（間に合えば、Be 薄板に誘電多層膜蒸着した99.99% 球 面 反 射 ミ
ラーをＸ線透過側に使う予定である）。
Ｘ線輝度を高くするために、電子ビー
図 8. 平面 4 鏡光共振器と電子ビームライン衝突部のムサイズは 10m に配置。電子ビームは偏向角 20 度の 2 台の偏向電磁石で絞ってレーザーパ
レーザーとの正面衝突軌道を通過する。
ルスと衝突させる。
図 8 は小型の偏向電磁石 2 台を使った正面衝突の装置配置を示す。10m の電子ビームとレーザーパルスビームが正確に衝突しなければならないので、図 9に示す石定盤にミラー調整駆動機構を固定して真空ベローズが許す範囲でミラー位置調整が行える平面 4 鏡光共振器を製作する。電磁石および衝突点のビー
ムモニターは別の位置調整架台に固定する。本装置の初期アライメントは高精度で行わなければならない。これらの電子加速器ビームラインおよびレーザーシステムの設置および試運転は 2011 年 12 月末までに完了しなければならない。

113

昨年度（2009 年)から開発している 3 次元
4 鏡光共振器は図 10 に示されているように
右偏光と左偏光共鳴
状態が分離され、3 枚の 99.99%反射ミラーと 1 枚の 99.9%レーザ
ー入射平面ミラーによって組み立てられた。この装置は正面衝突用に設計していな
図 9. 石定盤に載った光共振器、偏向電磁石と衝突
いので、4 鏡光共振器
点ビームモニターの概念図。
の安定性を研究するために2011 年 秋 に
1.3GeVリング
加速器にイン
ストールして、
高輝度ガンマ
線生成実験に
図 10. 3 次元 4 鏡光共振器、左右円偏光共鳴分離が可能で使う。ここで衝突点レーザーサイズを小さくできる。
開発する共鳴状態を維持する技術を STF 量子ビーム試験に応用する予定である。
衝突点でのレーザーサイズ 13µm でレーザー蓄積増幅率は1900倍に設計されている。
光共振器に入力
する為のmode locklaserも市販のものを使用しないで開図 11.
開発レーザーシステム概念図。
114

発することになった。開発する最大の理由は、市販のレーザー装置で 100W 級のものを購入する場合、一億円以上の価格であり、最新のファイバーレーザー増幅技術で 100W 級の mode lock laser 発生装置を自作した場合に必要とする経費
が 2000 万円以内になることと、若手研究者の教育・先端装置製作訓練テーマとして最新レーザー装置製作は非常に有意義であることによっている。製作する
概念設計を Oxford 大学の専門家と議論して、図 11 に示したように数十 mW のファイバーレーザー発振器、100 倍のファイバー増幅器、100 倍の Burst Amp.および 10000 倍の 4 枚鏡光共振器で構成することになった。現在、数百 mW, mode locklaser 発振器の製作試験を進めている。2011 年 12 月末までに本システム試験を完了する予定である。
5. 総括
2008 年度のＸ線生成実験では、マルチバンチ加速に対して以下のような重要な知見が得られていた。
2008 年度の実験では、ビームサイズ、パルス長がそれぞれ 30µm、10ps のレーザーパルスと 60µm、20ps の電子ビームとの衝突を行い、衝突タイミングを 1psの精度で、また衝突位置を数µm の精度で合わせることで X 線の生成に成功し、基本的な衝突技術は確立されている。衝突タイミングはビームとの同期信号の位相を調整することで合わせている。また、レーザーパルスの位置をムーバー
架台で動かすことによって電子ビームに合わせている。衝突点でビームプロフ
ァイルの互いの位置をラフに合わせた後、X 線信号が最大になるよう微調整する。
位置合わせ精度はミクロン以下であるので、電子ビームサイズが 10µm になっても問題ない。
今後、今までの 2 枚ミラー共振器から 4 枚ミラー共振器に変えて LUCX での X
線生成実験を行い、この共振器での衝突技術の蓄積を行う。また、パルスレー
ザーによる 3D-4 ミラー共振器の実用化と周回発振型レーザー蓄積法の実用化を強力に進める。LUCX において、レーザーパルス蓄積装置に蓄積したレーザーパ
ルスと 3000 バンチ以上のマルチバンチ電子ビームとの衝突による X 線生成実験を行う。この高精度衝突技術の開発と蓄積は非常に重要である。さらに、光高周波電子源ビーム生成のシミュレーションにより大強度電子ビーム生成が20µsec パルス運転で可能であることを示したので、超伝導加速空洞製作技術が確立する前に、10MeV-10µC 電子ビームによる高輝度軟Ｘ線生成実証実験を進める。これにより、電子ビームとレーザーパルス衝突に関する技術を本番の実証
実験前に確立することを目指す。同時に、高輝度軟Ｘ線の円二色性利用実証試
験も行うことになる。

115

6. プロジェクトの総合的推進
高周波電子源を使って、今までの300nC/300nsec電子ビーム生成実績を向上するために、新しい電子源(1.5 cell RF Gun, 3.5 cell RF Gun)を製作した。また、5MeV or 10MeV大強度電子ビームとレーザーパルスを高繰り返しで衝突させて、レーザー逆コンプトン散乱で軟X線生成実験を行えるように装置を改造した。
2009年度に3次元4枚ミラーリング光蓄積装置を試作して、新光蓄積装置で2010
年度に生成軟Ｘ線を使った実用試験を行えるように、実験装置の改造を進めてきたが、大強度電子ビーム生成の安定化やレーザーパルス蓄積装置の高精度制
御技術の実用化が遅れ2011年度後半まで実証試験を待つことになった。そこで2011年度末まで電子ビーム・レーザー衝突実験によって、本提案課題装置で将来必要となる安全システム・制御システム等の技術蓄積を継続する。
さらに硬Ｘ線生成を現状のLUCXで高輝度化できるように0.9m長のS-band
booster 加速管(12 cell booster)製作を開始した。この加速管は定在波空洞で長パルスビーム加速が容易に行えるように今使用している3m長の進行波加速管と2011年末までに交換する。その後、8000 bunches/pulseとレーザーパルスとの衝突による高輝度Ｘ線生成を常伝導小型線形加速器で実現する。
本基盤技術開発研究では、実証試験超伝導加速装置を 2011 年秋までに完成させて、2012 年夏までの高輝度Ｘ線生成実験によって性能を実証する予定であったが、2011 年 3 月の大震災による被害と復旧で半年程度遅れることに成る。2012
年 3 月の電子ビーム運転開始を目指して、高輝度Ｘ線生成装置の建設を進めている。遅くとも 2012 年秋までには高輝度Ｘ線生成実証試験を行い、実用的な小型高輝度Ｘ線源の設計を具体化する。必要とする基盤要素技術開発の進捗状況を確認しながら、実証試験装置の詳細設計および装置製作を進めている。本プ
ロジェクト関係者のコミュニケーションと要素技術に関する技術検討会は非常に重要である。以下に示す報告会、多くの技術検討会および先端技術に関する公開を積極的に推進している。
外部有識者を含む先端加速器推進室報告会や学会で本計画について報告した。
技術検討会等の開催は参画各機関を含めて 73 回行い、新たに STF 量子ビーム打
合せが始まった。プロジェクトで得られた成果を発信するための Web ページを公開している。プロジェクト Web ページ：http://kocbeam.kek.jp/index.html。
高輝度光子ビーム源開発室ニュースを四半期毎に配布している。
プロジェクト全体の連携を密としつつ円滑に運営していくため、研究開発運
営委員会や技術検討会の開催等、参画各機関の連携・調整に当たている。特に、プロジェクト全体の進捗状況を確認しつつ計画の合理化を検討し、必要に応じて調査或いは外部有識者を招聘して意見を聞くなど、プロジェクトの推進に努力している。
2009年度から「高電圧DC電子源開発」の拡充計画として高安定高電圧電源開発を株式会社日立ハイテクノロジーズが担当しているので、日本原子力研究開
発機構と日立ハイテクノロジーズ間の研究開発調整を高エネルギー加速器研究
116

機構が行い、2011年度までに500～750kV数十mA以上の電子ビーム生成実証試験を遂行できるように研究開発を調整する。また、広島大学と研究協力機関大阪
大学産業総合研究所が「高性能光L-band RF Gun開発」を進めている。これについてもL-band RF Gun性能実験設備を所有する高エネルギー加速器研究機構が研
究開発の調整と統合を行っている。さらに、2009年度から新しく福田グループ
が小型高周波源開発を行うことになった。2011年度末からの統合実証実験に向けて順調に基盤技術開発が進んでいる。
プロジェクトで得られた成果については、国内外において積極的に公表し、併せて超伝導加速空洞やその周辺機器の最先端知見を得ることで、今後の展開に資するよう調整している。

7. 参考文献[1]. 栗木 雅夫 M. Kuriki（Hiroshima U./KEK）, H. Iijima（Hiroshima U.）,
H. Hayano, Y. Honda, H. Sugiyama, J. Urakawa（KEK）, G. Isoyama, S.
Kashiwagi, R. Kato（Osaka U.）, E. Katin, E. Khazanov, V. Lozhkarev,
G. Luchinin, A. Poteomkin（IAP/RAS）, G. Shirkov, G. Trubnikov（JINR）,“KEK-STF における ILC 形式ビーム生成のための高平均出力レーザーの開発”, 第 7 回加速器学会、姫路市文化センター、8/4-6, THPS015, 2010[2]. 柏木 茂, 加藤 龍好, 杉本 尚哉, 磯山 悟朗（大阪大学産業科学研究所）, 杉山 陽栄, 早野 仁司, 浦川 順治（高エネルギー加速器研究機構加速器研究施設）, 高富 俊和（高エネルギー加速器研究機構共通基盤研究施設）, 栗木 雅夫（広島大学先端物質科学研究科）, “L バンドフォトカソ
ード RF 電子銃の開発（III）”, 第 7 回加速器学会、姫路市文化センター、
8/4-6, THPS018, 2010[3]. 本田 洋介, 清水 洋孝（高エネルギー加速器研究機構）, 赤木 智哉（広島大学）, 浦川 順治, 大森 恒彦（高エネルギー加速器研究機構）, “発振型光蓄積装置の開発”, 第 7 回加速器学会、姫路市文化センター、8/4-6,
THPS102, 2010[4]. Bonis J., Chiche R., Cizeron R.（LAL, France）, Cohen M.（CELIA,
France）, Colin J., Cormier E., Cornebise P., Jehanno D., Labaye F.,
Lacroix M., Peinaud Y., Soskov V., Variola A., Zomer F.（LAL, France）,
赤木 , 三好 , 永田 , 高橋 （広島大学）, 坂上 （早稲田大学）, 荒木 栄,
舟橋 , 本田 洋介, 大森 恒彦, 清水 , 照沼 信浩, 浦川 順治（高エネル
ギー加速器研究機構）, “偏極ガンマ線/陽電子生成のための 3d-4 mirror
117レーザー蓄積装置”, 第 7 回加速器学会、姫路市文化センター、8/4-6,
THPS104, 2010[5]. 坂上 和之, 青木 達朗（早稲田大学理工学研究所）, 浦川 順治（高エネルギー加速器研究機構）, 柏木 茂（東北大学電子光理学研究センター）,
黒田 隆之助（産業技術総合研究所）, 篠原 邦夫, 鈴木 達也（早稲田大学
理工学研究所）, 照沼 信浩, 早野 仁司（高エネルギー加速器研究機構）,
別當 良介, 保坂 勇志, 横山 悠久, 鷲尾 方一（早稲田大学理工学研究所）,“早稲田大学フォトカソード RF 電子銃における応用研究の現状と今後の展望”, 第 7 回加速器学会、姫路市文化センター、8/4-6, THPS105, 2010[6]. 楊 金峰, 近藤 孝文, 菅 晃一, 成瀬 延康, 室岡 義栄, 吉田 陽一,
谷村 克己（阪大産研）, 浦川 順治（高エネルギー加速器研究機構）, ” フェムト秒時間分解・MeV 電子顕微鏡”, 第 7 回加速器学会、姫路市文化セ
ンター、8/4-6, THSH09, 2010[7]. 福田 将史, 荒木 栄, Aryshev Alexander, 本田 洋介, 照沼 信浩,
浦川 順治（高エネルギー加速器研究機構）, Deshpande Abhay（総合研究大学院大学）, 坂上 和之, 鷲尾 方一（早稲田大学理工学研究所）, 笹尾登（岡山大学極限量子研究コア）, “KEK 小型電子加速器(LUCX)の現状報告(4)”, 第 7 回加速器学会、姫路市文化センター、8/4-6, WEPS002, 2010[8]. 高橋 義知（総合研究大学院大学）, 杉山 陽栄, 早野 仁司, 浦川 順
治（高エネルギー加速器研究機構）, 柏木 茂（東北大学電子光理学研究センター）, 磯山 悟朗, 加藤 龍好, 杉本 尚哉（大阪大学 産業科学研究所）,
栗木 雅夫（広島大学 先端物質科学研究科）, “KEK-STF における L-band
Photocathode RF 電子銃”, 第 7 回加速器学会、姫路市文化センター、8/4-6,
WEPS052, 2010[9]. 青木 達朗（早稲田大学理工学研究所）, Abhay Deshpande, 浦川 順
治, 工藤 昇（高エネルギー加速器研究機構）, 坂上和之, 鈴木 達也（早稲田大学理工学研究所）, 高富 俊和, 照沼 信浩, 福田 将史（高エネルギ
ー加速器研究機構）, 鷲尾方一（早稲田大学理工学研究所）, 3.5 cell S-band
フォトカソード RF 電子銃開発,
第 7 回加速器学会、
姫路市文化センター、
8/4-6, WEPS065, 2010[10]. 横山 悠久, 青木 達朗（早稲田大学理工学研究所）, 浦川 順治（高エネルギー加速器研究機構）, 柏木茂（東北大学電子光理学研究センター）,118

黒田 隆之助（産業技術総合研究所）, 坂上 和之, 鈴木 達也（早稲田大学
理工学研究所）, 照沼信浩, 早野 仁司（高エネルギー加速器研究機構）, 鷲尾 方一（早稲田大学理工学研究所）, 早稲田大学における Cs-Te フォトカ
ソード RF 電子銃を用いた マルチバンチ電子ビーム生成システムの開発,
第 7 回加速器学会、姫路市文化センター、8/4-6, WEPS092, 2010[11]. 清水 洋孝, 荒木 栄, 本田 洋介（高エネルギー加速器研究機構）,
坂上 和之（早稲田大学）, 照沼 信浩, 浦川 順治（高エネルギー加速器研究機構）, KEK-ATF Damping Ring Laser Wire 用 Green Laser の高強度化,
第 7 回加速器学会、姫路市文化センター、8/4-6, WEPS094, 2010[12]. 三好修平、赤木智哉、荒木栄、浦川順治、大森恒彦、奥木敏行、栗木雅夫、坂上和之、清水洋孝、高橋徹、照沼信浩、永田修司、広瀬立成、舟橋義聖、
本田洋介、鷲尾方一、 KEK-ATF における ILC 偏極陽電子源の為のレーザー蓄積
共振器を用いたガンマ線生成実験 日本物理学会 2010 年秋季大会、九州工業大学、 2010 年 9 月[13]. 赤木智哉、荒木栄、浦川順治、大森恒彦、奥木敏行、栗木雅夫、坂上和之、清水洋孝、高橋徹、照沼信浩、永田修司、中村俊介、広瀬立成、舟橋義聖、
本田洋介、三好修平、鷲尾方一、 高輝度偏極光源の為の 4 枚鏡光蓄積共振器の開発 日本物理学会 2010 年秋季大会、九州工業大学、 2010 年 9 月[14]. 楊 金峰,菅 晃一, 成瀬 延康, 室岡 義栄, 吉田 陽一, 谷村 克己（阪大産研）, 浦川 順治（高エネルギー加速器研究機構）, ”1kHz のフォトカソード
RF 電子銃の開発”, 日本原子力学会 2010 年秋の大会、北海道大学、 2010 年 9月[15]. 福田将史, 荒木栄, 浦川順治, 坂上和之,笹尾登,高野幹男、照沼信浩,本田洋介, 鷲尾方一,「KEK 小型電子加速器におけるレーザー蓄積装置を用いた小型 X 線源(LUCX)の開発(9)」日日本物理学会第 66 回年次大会、新潟大学、 2011年 3 月（大震災で中止、Web 掲載のみ）[16]. 坂上和之,荒木栄,浦川順治, 笹尾登, 照沼信浩, 福田将史, 本田洋介,
鷲尾方一,「KEK 小型電子加速器におけるレーザー蓄積装置を用いた小型 X 線源(LUCX)の開発(10)」日本物理学会第 66 回年次大会、新潟大学、 2011 年 3 月（大震災で中止、Web 掲載のみ）[17]. 青木 達朗（早稲田大学理工学研究所）,Abhay Deshpande, 浦川 順
治, 工藤 昇（高エネルギー加速器研究機構）, 坂上和之, 鈴木 達也（早稲田大学理工学研究所）, 高富 俊和, 照沼 信浩, 福田 将史（高エネルギ
119

ー加速器研究機構）, 鷲尾方一（早稲田大学理工学研究所）、3.5 cell S-band
フォトカソード RF 電子銃の開発, 日本物理学会第 66 回年次大会、新潟大学、 2011 年 3 月（大震災で中止、Web 掲載のみ）[18]. 横山 悠久, 青木 達朗（早稲田大学理工学研究所）, 浦川 順治（高エネルギー加速器研究機構）, 柏木茂（東北大学電子光理学研究センター）, 黒田 隆之助（産業技術総合研究所）, 坂上 和之, 鈴木 達也（早稲田大学理工学研究所）, 照沼信浩, 早野 仁司（高エネルギー加速器研究機構）,山本隆之、 鷲尾
方一（早稲田大学理工学研究所）、フォトカソード RF 電子銃を用いた マルチ
バンチ電子ビーム加速に関する研究, 日本物理学会第 66 回年次大会、新潟大学、2011 年 3 月（大震災で中止、Web 掲載のみ）[19]. 三好修平、赤木智哉、荒木栄、浦川順治、大森恒彦、奥木敏行、栗木雅夫、坂上和之、清水洋孝、高橋徹、照沼信浩、舟橋義聖、本田洋介、鷲尾方一、
KEK-ATF における ILC 偏極陽電子源の為のレーザー蓄積共振器を用いたガンマ線生成実験、日本物理学会第 66 回年次大会、新潟大学、 2011 年 3 月（大震災で中止、Web 掲載のみ）[20]. 赤木智哉、荒木栄、浦川順治、大森恒彦、奥木敏行、片岡裕美、栗木雅
夫、近匡、坂上和之、清水洋孝、城田知沙世、高橋徹、田中龍太、照沼信浩、
舟橋義聖、本田洋介、三好修平、吉玉仁、鷲尾方一、レーザーコンプトン散乱を用いた高輝度偏極光源の為の４枚鏡光蓄積共振器の開発、日本物理学会第66回年次大会、新潟大学、 2011年3月（大震災で中止、Web掲載のみ）[21]. 吉玉仁、赤木智哉、荒木栄、浦川順治、大森恒彦、奥木敏行、栗木雅夫、
清水洋孝、城田知沙世、高橋徹、田中龍太、照沼信浩、舟橋義聖、本田洋介、
三好修平、三次元４枚鏡共振器における新型フィードバック方法の研究、日本物理学会第66回年次大会、新潟大学、 2011年3月（大震災で中止、Web掲載のみ）120

成果の外部への発表
1．口頭・ポスター発表
発表した成果（発表題目、
口頭・ポスター発表の別）
Development of SOI Pixel
Detectors（口頭）発表者氏名発表した場所（学会等名）

発表した時期

Pavia, Italy

2010, April(VIPS2010)22-24

A. Aryshev そ京都国際会議場

2010 年 5 月 23の他

(IPAC10)日～28 日T. Miyoshi

国内・
外の別
国外

A COMPACT SOFT X-RAY
SOURCE BASED ON THOMSONSCATTERING OF COHERENTDIFFRACTION RADIATION（ポ

国内

スター）
GAMMA-RAY SOURCE FOR
NUCLEAR RESONANCE
FLUORESCENCE BASED ON
COMPTON STORAGE RING（ポE. Bulyak その 京都国際会議場

2010 年 5 月 23

他

(IPAC10)日～28 日Y.Yokoyama そ京都国際会議場

2010 年 5 月 23の他

(IPAC10)日～28 日京都国際会議場

2010 年 5 月 23

(IPAC10)日～28 日京都国際会議場

2010 年 5 月 23

(IPAC10)日～28 日S. Kashiwagi

京都国際会議場

2010 年 5 月 23

その他

(IPAC10)日～28 日国内

スター）
MULTI-BUNCH ELECTRON BEAM
GENERATION BASED ON CS-TE
PHOTOCATHODE RF-GUN AT
WASEDA UNIVERSITY（ポス

国内

ター）
PHOTOCATHODE FEMTOSECONDELECTRON BEAMAPPLICATIONS:FEMTOSECONDPULSE RADIOLYSIS AND

J. Yang その他

国内

FEMTOSECOND ELECTRONDIFFRACTION（ポスター）
EXPERIMENTAL RESULTS OF
RF GUN AND GENERATION OF
MULTI BUNCH BEAM（ポスター）Development of a Photocathode RF Gun for the
L-band Linac at ISIR （ポAbhay
Deshpande そ
の他

121

国内

国内

スター）

STATUS AND FUTURE PLAN OF
THE ACCELERATOR FOR LASERUNDULATOR COMPACT X-RAY
SOURCE (LUCX) （ポスタM. Fukuda その 京都国際会議場

2010 年 5 月 23

他

日～28 日(IPAC10)

国内ー）
BEAM DYNAMICS IN COMPTONSTORAGE RINGS WITH LASERCOOLING（ポスター）
UPGRADE OF CARTRIDGE-TYPE
EXCHANGEABLE Na2KSb
CATHODE RF GUN（ポスター）

E. Bulyak その 京都国際会議場

2010 年 5 月 23

他

日～28 日(IPAC10)

Y. Nakazono そ 京都国際会議場

2010 年 5 月 23の他

日～28 日(IPAC10)

国内

国内

DEVELOPMENT OF A HIGH
AVERAGE POWER LASER
GENERATING ELECTRONBEAM IN ILC FORMAT FOR

M. Kuriki その 京都国際会議場

2010 年 5 月 23

他

(IPAC10)日～28 日R. Nagai その京都国際会議場

2010 年 5 月 23

他

(IPAC10)日～28 日国内

KEK-STF（ポスター）
High-Voltage Test of a
500-kV Photo-Cathode DC
Gun for the ERL Light
Sources in Japan（ポス国内

ター）
A STUDY OF LIFETIME OF
NEA-GaAs PHOTOCATHODE

H. Iijima その 京都国際会議場

AT VARIOUS TEMPERATURES 他

2010 年 5 月 23

(IPAC10)日～28 日S.Kashiwagi

京都国際会議場

2010 年 5 月 23

その他

(IPAC10)日～28 日京都国際会議場

2010 年 5 月 23

(IPAC10)日～28 日国内（ポスター）DEVELOPMENT OF A
PHOTOCATHODE RF GUN FOR
THE L-BAND LINAC AT
ISIR, OSAKA UNIVERSITY

国内（ポスター）DEVELOPMENT OF A
PHOTOCATHODE TEST BENCH D. Kubo その他
USING A CRYO-PUMP AND A

122

国内

NEG PUMP（ポスター）

Surface Inspection on
MHI-01~09 Cavities（ポスター）

K. Watanabe

京都国際会議場

2010 年 5 月 23

et al.

(IPAC10)日～28 日Cooling Test of ERL HOM M. Sawamura そ 京都国際会議場

2010 年 5 月 23

Absorber（ポスター）(IPAC10)日～28 日京都国際会議場

2010 年 5 月 23の他

(IPAC10)日～28 日H. Sakai その京都国際会議場

2010 年 5 月 23

他

(IPAC10)日～28 日Resonance Mode in

K. Umemori そ京都国際会議場

2010 年 5 月 23

Coaxial-type Inputの他(IPAC10)日～28 日京都国際会議場

2010 年 5 月 23

(IPAC10)日～28 日の他

国内

国内

Results of Vertical
Tests for KEK-ERL 9-cell K. Umemori そSuperconducting Cavity

国内（ポスター）
Cavity Diagnostics
using Rotating Mapping
System for 1.3GHz ERL
9-Cell Superconducting

国内

Cavity（ポスター）
Observation of
国内

Coupler（ポスター）
Power Coupler
Development for ERL Main H. Sakai その
LINAC in Japan（ポスタ

他

国内

ー）
Development ofaprototype module for the
ERL super conducting
main linac at KEK（ポス

T. Furuya その 京都国際会議場

2010 年 5 月 23

他

(IPAC10)日～28 日K. Watanabe

京都国際会議場

2010 年 5 月 23

et al.

(IPAC10)日～28 日国内

ター）
Repair Techniques ofSuperconducting Cavity
for Improvement Cavity
Performance at KEK-STF（ポスター）

123

国内

Preparation Status of
Cryomodule Tests of
Tesla-like Cavities in

京都国際会議場

2010 年 5 月 23

(IPAC10)日～28 日M. Nishiwaki

京都国際会議場

2010 年 5 月 23

et al.

(IPAC10)日～28 日M. Sawabe et

京都国際会議場

2010 年 5 月 23al.

(IPAC10)日～28 日E. Kako et al.

S1-Global Project at KEK

国内（ポスター）
Surface Study on Niobium
Stain after
Electro-polishing for
Super-conducting RF

国内

Cavity（ポスター）
Long-period Monitoringof Electro-polishing
Electrolyte in EP
Facility at KEK（ポスタ

国内

ー）Various Rinsing Effects
to Mitigate
Contaminates Brought by P. V. Tyagi et 京都国際会議場

2010 年 5 月 23al.

(IPAC10)日～28 日H. Tongu et

京都国際会議場

2010 年 5 月 23al.

(IPAC10)日～28 日N. Ohuchi et

京都国際会議場

2010 年 5 月 23al.

(IPAC10)日～28 日

Tests for S1-Global

Y. Yamamoto

京都国際会議場

2010 年 5 月 23

Project in KEK-STF（ポet al.

(IPAC10)日～28 日Y. Yamamoto

京都国際会議場

2010 年 5 月 23

et al.

(IPAC10)日～28 日BCP on Niobium SRF

国内

Cavity Surface（ポスター）Multipoint T-map System
for Vertical Test of theSuperconducting
Accelerator Cavities（ポ

国内

スター）
Construction of the
S1-Global Cryomodules
for ILC（口頭）国内

Summary of Vertical
国内

スター）
Summary of Results andDevelopment of Online
Monitor for

124

国内

T-mapping/X-ray-mapping in KEK-STF（ポスター）
Review of SRF Cavities
for ILC, XFEL and ERL
Applications（口頭）Recent Progress in the
Energy Recovery Linac
Project in Japan（ポスター）

H. Hayano et

京都国際会議場

2010 年 5 月 23al.

(IPAC10)日～28 日京都国際会議場

2010 年 5 月 23

(IPAC10)日～28 日京都国際会議場

2010 年 5 月 23

(IPAC10)日～28 日Shogo
Sakanaka, et
al.

国内

国内

REALISTIC EVALUATION OF
LOCAL FIELD ENHANCEMENTBASED ON PRECISION

Y. Morozumi

PROFILOMETRY OF SURFACE

国内

DEFECTS（ポスター）
Design of highbrightness light source
based on laser-Compton

Kazuyuki

京都国際会議場

2010 年 5 月 23

undulator for EUV

Sakaue その他(IPAC10)日～28 日京都国際会議場

2010 年 5 月 23

(IPAC10)日～28 日国内

lithograpy mask
inspection（ポスター）
Multi-bunch electron
beam generation based on Yukihisa
Cs-Te photocathode

Yokoyama その

rf-gun at Waseda

他

国内

university（ポスター）
Pulse radiolysis withsupercontinuum probe

Yuji Hosaka そ 京都国際会議場

2010 年 5 月 23

generated by PCF（ポスの他

日～28 日(IPAC10)

国内

ター）
Quantum Beam Technology
Program（口頭）Development of three
dimensional 4-mirror
ring cavities for

高エネルギー加速
Junji Urakawa 器研究機構(PosiPol2010)
T. Akagi etal.

高エネルギー加速器研究機構(PosiPol2010)1252010 年 5 月 31
日～6 月 2 日
2010 年 5 月 31
日～6 月 2 日

国内

国内

intense photon
generation（口頭）Status of the experimentwith the 2-mirror cavity
at KEK-ATF（口頭）S. Miyoshi etal.

Status of 4-mirror

F. Zommer etcavity for ATF（口頭）al.

高エネルギー加速器研究機構(PosiPol2010)
高エネルギー加速器研究機構(PosiPol2010)2010 年 5 月 31
日～6 月 2 日
2010 年 5 月 31
日～6 月 2 日

国内

国内

Development of INTPIX
and CNTPIX
Silicon-On-Insulator

K. Hara et al.

Monolithic Pixel

Scotland, UK

2010 年 6 月 6 日(VERTEX 2010)～11 日

Annecy-Le-Vieux,

2010 年 6 月 15

France (TYL'10)

日から 17 日

国外

Devices（口頭）Applications of a highfinesse Fabry Perot
Cavity for the ILC（口

高橋徹

国外

頭）
理研シンポジウム「先進ものづくり

SOI 技術を用いた放射線
ピクセル検出器の開発

新井康夫(招待講演)

技術によるアナラ
イザーキーコンポ2010 年 8 月 5 日 国内

ーネント開発基盤の構築状況」DEVELOPMENT OF A HIGH
AVERAGE POWER LASER
GENERATING ELECTRONBEAM IN ILC FORMAT FOR

M.Kuriki etal.

姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)

2010 年 8 月 4 日
～6 日

国内

KEK-STF（ポスター）
クライオポンプと NEG ポ
ンプを利用した光陰極試
験装置開発（ポスター）
高温下における NEA-GaAs
表面劣化の研究（ポスター）久保大輔その他
飯島北斗その他

姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)

1262010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日
～6 日

国内

国内

Electromagnetic heat
design of S-band Linac（ポスター）

中園祥央その他

発振型光蓄積装置の開発

本田洋介その（ポスター）

他

L バンドフォトカソード
RF 電子銃の開発（III）(LUCX)の現状報告(4)（ポスター）

KEK-STF における
L-band Photocathode RF
電子銃（ポスター）
3.5 cell S-band フォト
カソード RF 電子銃開発（口頭）
次世代放射光源用光陰極
DC 電子銃の開発（ポスター）ERL 放射光源 500-kV 光陰
極電子銃開発の現状（ポスター）
次世代光源用 500-kV 光陰
極 DC 電子銃の高電圧印加試験（ポスター）
ERL 主加速器用超伝導加速空胴での空洞診断装置の開発（ポスター）ー(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センタ

柏木茂その他（ポスター）

KEK 小型電子加速器

姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)

福田将史その他

高橋義知 その他

青木達朗その他
永井良治その他
西森信行その他
永井良治その他
阪井寛志その他

ERL 主ライナックのためのカプラー開発― 改良

篠江憲治そのセラミック窓のハイパワ

他

ー試験―（ポスター）

姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)

2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日～6 日

2010 年 8 月 4 日～6 日

ERL 超伝導主加速空洞の武藤俊哉その

姫路市文化センタ

入力カプラーによる横方他

ー(第 7 回日本加速 ～6 日
1272010 年 8 月 4 日

国内

国内

国内

国内

国内

国内

国内

国内

国内

国内

国内

国内

向キックの計算（ポスタ器学会年会)ー）S1-Global の導波管分配システム(KEK ILC) （ポスター）
I L C 計画における分布型
R F 源用電源の開発（ポスター）

竹中たてるその他
明本光生その他

KEK 超伝導 RF 試験施設
（STF）での S1 Global の 松本利広そのための高周波源）（ポス他

ター）
国際リニアコライダー計
画のための超伝導加速空山本康史その洞の STF における性能試他

験の最新結果（ポスター）
S1-Global における TESLA
改良型超伝導空洞のクラ加古永治そのイオモジュール試験（ポ他

スター）
STF の状況（ポスター）
ＳＴＦ超伝導空洞用入力
結合器の高周波窓の熱サイクル試験（ポスター）

早野仁司その他
佐藤昌史その他

京大における超伝導空胴の品質検査のための研究

姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
姫路市文化センタ

頓宮拓その他（ポスター）

ー(第 7 回日本加速器学会年会)

2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日～6 日

2010 年 8 月 4 日～6 日

2010 年 8 月 4 日～6 日

2010 年 8 月 4 日～6 日

2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日～6 日
2010 年 8 月 4 日
～6 日

国内

国内

国内

国内

国内

国内

国内

国内

早稲田大学におけるCs-Te フォトカソード RF
電子銃を用いたマルチバ
ンチ電子ビーム生成シス

横山悠久その他

姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)

テムの開発（ポスター）

128

2010 年 8 月 4 日
～6 日

国内

Development of 20kW
input power coupler for
1.3GH ERL main linac － Kenji Shinoe
High power test of the

et al.

renewed ceramic window

姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)

2010 年 8 月 4 日
～6 日

国内

（ポスター）
早稲田大学フォトカソー
ド RF 電子銃における応用 坂上和之その研究の現状と今後の展望

他（ポスター）
Progress of SOI Pixel
Detectors and 3D

姫路市文化センター(第 7 回日本加速器学会年会)
Grindelwald,

Y. Arai et al. Switzerland

Integration（口頭）(Pixel 2010)2010 年 8 月 4 日～6 日

2010 年 9 月 6 日
～10 日

国内

国外

10th European
Cs-Te photo-cathode RF

Conference onelectron gun for applied Kazuyuki

Accelerators inresearches at Waseda

SakaueKEK-ATF における ILC 偏極
陽電子源の為のレーザー

三好修平その蓄積共振器を用いたガン他

マ線生成実験（口頭）
枚鏡光蓄積共振器の開発（口頭）
SOI 技術を用いた読み出
し一体型ピクセル検出器(積分型)の開発（（口頭）SOI 検出器における X 線損
傷 TID 効果の軽減に関する研究（口頭）次世代光量子源用
500kVDC 電子銃のビーム
引き出し試験（口頭）Sep 2010

国外

and Technology

University（口頭）

高輝度偏極光源の為の 4

Applied Research

赤木智哉その他
武田彩希その他
小野善将その他

九州工業大学戸畑キャンパス（日本物理学）九州工業大学戸畑キャンパス（日本物理学）九州工業大学戸畑キャンパス（日本物理学）九州工業大学戸畑キャンパス（日本物理学）2010 年 9 月 11日～14 日2010 年 9 月 11日～14 日2010 年 9 月 11日～14 日2010 年 9 月 11日～14 日

永井良治その北海道大学（日本

2010 年 9 月 15他

原子力学会）

日～17 日

129

国内

国内

国内

国内

国内

Development of a 500-kV
Photo-Cathode DC Gun for N.Nishimori

つくば市

2010 年 9 月 12

ERL Light Sources（ポス et al.

（LINAC2010）日～17 日つくば市

2010 年 9 月 12

（LINAC2010）日～17 日つくば市

2010 年 9 月 12

（LINAC2010）日～17 日つくば市

2010 年 9 月 12

（LINAC2010）日～17 日国内

ター）
GENERATION OF LONG BUNCH Abhay
TRAIN USING RF GUN（ポDeshpandea et

スター）

al.

国内

PHOTOCATHODE
FEMTOSECOND ELECTRON
LINAC AND ITS

J. Yang et al.

国内

APPLICATIONS（ポスター）
DEVELOPMENT OF AN L-BAND
RF GUN FOR
HIGH-DUTY-CYCLE

R. Kato et al.

国内

OPERATION（ポスター）
Development of a main

K. Umemori et つくば市

2010 年 9 月 12al.

（LINAC2010）日～17 日N. Ohuchi et

つくば市2010 年 9 月 12al.

（LINAC2010）日～17 日つくば市

2010 年 9 月 12

（LINAC2010）日～17 日Y. Yamamoto

つくば市

2010 年 9 月 12

et al.

（LINAC2010）日～17 日Updates on Sc Cavity

H. Tongu etつくば市2010 年 9 月 12

Inspection（ポスター）

al.

（LINAC2010）日～17 日linac module for compact
ERL project（ポスター）

国内

S1-GLOBAL Collaborative
effort8-Cavity-Cryomodule: 2
FNAL, 2 DESY and 4 KEK

国内（ポスター）
Cryomodule Tests of
Tesla-like Cavities in
S1-Global for ILC（ポスE. Kako et al.

国内

ター）
Recent Results of 1.3
GHz 9-cell
Superconducting
Cavities in KEK-STF（口

国内

頭）

130

国内

Development of a 500-kV

N. Nishimori

Bonn University

2010 年 9 月 21

et al.

(PESP2010)日～24 日M. Yamamoto

Bonn University

2010 年 9 月 21

et al.

(PESP2010)日～24 日L-band Photocathode RF

H. Sugiyama

Bonn University

2010 年 9 月 21

Gun at KEK-STF(口頭)et al.

(PESP2010)日～24 日Photo-Cathode DC Gun for
ERLs(口頭)High brightness
electron gun test
facility at KEK(口頭)

国外

国外

国外

Cornell
University
Cooling test of HOM
absorber model for cERL
in Japan(口頭)(International
M. Sawamura

Workshop on

2010 年 10 月 11

et al.

Higher-Order-Mod

日～13 日国外

e Damping inSuperconducting
RF Cavities)
Cornell
University(International

RF absorber studies for M. Sawamura

Workshop on

2010 年 10 月 11

cERL in Japan(口頭)Higher-Order-Mod

日～13 日et al.

国外

e Damping inSuperconducting
RF Cavities)
Cornell
University(International

Operation Experience of
HOM absorbers at KEKB(口 T. Furuya
頭)Workshop on

2010 年 10 月 11

Higher-Order-Mod

日～13 日国外

e Damping inSuperconducting
RF Cavities)
International

Status of the opticalcavity R&D at ATF(口頭)高橋徹

Conference Centre 2010 年 10 月 18
Geneva,Switzerland
131

日～22 日国外

International

Japanese cavity:
results, status and大森恒彦

future(口頭)polarized e+ sources?

Geneva,日～22 日国外

Switzerland

Where we are with lasers
performance forConference Centre 2010 年 10 月 18

International
Junji Urakawa(口頭)

Conference Centre 2010 年 10 月 18
Geneva,日～22 日国外

Switzerland
Knoxville,
Tennessee
T. Miyoshi on (Medical Imaging

Recent Progress inbehalf of the Conference andDevelopment of SOI Pixel SOIPIX
Detectors(口頭)17th RoomCollaboratio

Temperaturen

Semiconductor

2010 年 10 月 30
日～11 月 6 日

国外

Detector
Workshop)
光共振器を用いた小型高輝度レーザーコンプトン

仁科加速器センタ
坂上和之

散乱X線源開発(口頭)早稲田大学におけるRF電子銃を用いたマルチバン
チ電子ビーム生成(口頭)S-band Linacを用いたTHz
波発生とイメージング応用(口頭)ー(ビーム物理研究会 2010)

鈴木達也その他
熊木雅史その他

仁科加速器センター(ビーム物理研究会 2010)
仁科加速器センター(ビーム物理研究会 2010)2010 年 11 月 11
日～12 日2010 年 11 月 11
日～12 日2010 年 11 月 11
日～12 日国内

国内

国内

China-Korea-Japan Joint Workshop

Status of development ofa 500kV photocathodeN. Nishimori

on electron/

electron gun for ERL

et al.

photon sources

Dec. 2010.

国外

2011/1/7-10

国内

and applications,light sources (口頭)Shanghai, China,
第 24 回放射光学会
ERL 主加速部クライオモ 梅森健成その年会放射光科学合ジュールの開発(口頭)

同シンポジウム他

つくば国際会議場
132

JAEAにおける500kV光陰

西森信行その

第 8 回高輝度高周極電子銃開発(口頭)他

波電子銃研究会

2011.1

国内

2011.1

国内

2011.1

国内

早稲田大学フォトカソー
ドRF電子銃におけるマルチバンチ電子ビーム生成

坂上和之

第 7 回高輝度高周波電子銃研究会(口頭)Electromagnetic heat
design of S-band
Linac(口頭)
フォトカソード高周波電子銃における可視光駆動と熱問題(口頭)
次世代ERL光源のための500kV光陰極電子銃開発の現状(口頭)中園祥央その、高輝度高周波電他

子銃研究会 2011

中園祥央その他
西森信行その他

次世代ERL光源のための500kV光陰極電子銃開発

福井大学(日本原子力学会 2011 春の 2011 年 3 月
年会)
福井大学(日本原子力学会 2011 年春 2011 年 3 月(Web公開)国内の大会)
新潟大学(第 66 回

西森信行

国内

日本物理学会年会)

2011 年 3 月
25-28 日国内

KEK-ATFにおけるILC偏極
陽電子源の為のレーザー
蓄積空洞を用いた高輝度
ガンマ線生成実験(Web公三好修平その他

新潟大学(第 66 回
日本物理学会年会)

2011 年 3 月
25-28 日国内

開)レーザーコンプトン散乱を用いた高輝度偏極光源

赤木智哉そのの為の4枚鏡光蓄積共振

他

器の開発(Web公開)
3次元4枚共振器における新型フィードバック方式

ップ読み出しボード
SEABAS2の開発(Web公開)

日本物理学会年会)
新潟大学(第 66 回

吉玉均その他の研究(Web公開)
SOIピクセル検出器用チ

新潟大学(第 66 回

日本物理学会年会)

田内一弥その他

新潟大学(第 66 回
日本物理学会年会)

2011 年 3 月
25-28 日2011 年 3 月
25-28 日2011 年 3 月
25-28 日SOIイメージセンサーのX

三好敏喜その新潟大学(第 66 回

2011 年 3 月

線応用(Web公開)

他

日本物理学会年

25-28 日

133

国内

国内

国内

国内

会)

SOI検出器におけるセンサー層の電荷収集(Web公開)

小野善将その他

SOIシリコン検出器の高比抵抗FZ基板の特性につ一宮亮その他

し一体型ピクセル検出器

武田彩希その(積分型)の開発II(Web公他

開)KEK小型電子加速器におけるレーザー蓄積装置を

坂上和之その用いた小型X線源(LUCX)

他の開発(10) (Web公開)

公開)

会)
日本物理学会年
会)

SOI技術を用いた読み出

ソードRF電子銃開発(Web日本物理学会年
新潟大学(第 66 回

いて(Web公開)

3.5cell S-band フォトカ

新潟大学(第 66 回

青木達朗その他

新潟大学(第 66 回
日本物理学会年会)
新潟大学(第 66 回
日本物理学会年会)
新潟大学(第 66 回
日本物理学会年会)

2011 年 3 月
25-28 日2011 年 3 月
25-28 日2011 年 3 月
25-28 日2011 年 3 月
25-28 日2011 年 3 月
25-28 日

国内

国内

国内

国内

国内

フォトカソードRF電子銃とスーパーコンティニュ
ウム光を用いたパルスラ

小方宏一そのジオリシスのシステム構

他

築についての研究(Web公新潟大学(第 66 回
日本物理学会年会)

2011 年 3 月
25-28 日国内

開)フォトカソードRF電子銃を用いたマルチバンチ電

横山悠久その子ビーム加速に関する研他

究(Web公開)

新潟大学(第 66 回
日本物理学会年会)

2011 年 3 月
25-28 日国内

Status of Hiroshima-KEK
Compton Experiment at

高橋徹

ALCPG11

Kensei

The 15th

Umemori on

Hiroshima2011 年 3 月

国外

2011/Mar/3-4

国内

ATF(口頭)Compact ERL Project and
Its SRF Activities(口頭)behalf of ERL International
Collaboratio

Symposium on
134

n TeamSynchrotron
Radiation

EugeneASYMMETRIC LASER

Bulyak, Junji

RADIANT COOLING IN

Urakawa,

STORAGE RINGS（口頭）Frank

New York（PAC2011） 2011.3.28

国外

J. Yang et al. New York（PAC2011） 2011.3.28

国外

Zimmermann
FEMOTSCOND RF GUN BASEDMEV ELECTRONDIFFRACTION (口頭）2. 学会誌・雑誌等における論文掲載
掲載した論文（発表題目）

発表者氏

発表した場所（学 発表した時

国内・名

会誌・雑誌等名） 期

外の別

超伝導加速空洞の高電界化に向加藤茂樹、 加速器学会誌「加 2010 年 4 月

けた研究（その１）

他

超伝導加速空洞の高電界化に向加藤茂樹、 加速器学会誌「加 2010 年７月

けた研究（その２）

他

Performance study of SOI
monolithic pixel detectors for
X-ray application

速器」 Vol.7 No.2 掲載

速器」 Vol.7 No.3 掲載

T. Miyoshi Nucl. Instr. And 2010 年 4 月
et al.

Meth. A (2010),

Development of SOI Pixel

Y. Arai,

Process Technology

et al.

Instr. And Meth.
A623 (2010)
186-188

掲載
2010 年 4 月
掲載

国内

国内

国外

国外

PHYSICAL REVIEW

Present status and first
results of the final focus beam P. Bambadeline at the KEK Accelerator Test et al.

SPECIAL TOPICS ACCELERATORS AND
BEAMS 13, 042801

Facility

2010 年 4 月
掲載

国外(2010) 042801-10
NuclearCompton ring for nuclear waste
management

EugeneInstruments andBulyak et

Methods inal.

Physics Research
A 621 (2010)1352010 年 6 月
掲載

国外

105–110PHYSICAL REVIEW
Micron-scale laser-wire

Stewart T. SPECIAL TOPICS -scanner for the KEK Accelerator Boogert et ACCELERATORS AND
Test Facility extraction line

BEAMS 13, 122801

al.

2010 年 7 月
掲載

国外(2010) 122801-16
次世代放射光源用光陰極直流電子銃
High-voltage testing of a
500-kV dc photocathode electrongun
Luminosity optimization
schemes in Compton experiments
based on Fabry-Perot opticalresonators

永井良治,「光アライアン

羽島良一,

ス」Vol.22, No.1, (2010)

西森信行

38-43

国内

Review of
R. Nagai

Scientificet al.

Instruments, 81,(2010)

国外

033304
PHYSICAL REVIEW
Alessandr

SPECIAL TOPICS -o Variola

ACCELERATORS AND

et al.

BEAMS 14, 031001

2011 年 3 月
掲載

国外(2011) 031001-11
新井康夫、 日本物理学会誌、

SOI 技術を用いた放射線イメージ

三好敏喜、 Vol. 65, No. 9, 2010 年 9 月

センサーの開発

一宮亮、小 実験技術

掲載

国外

貫良行
SOI 技術による X 線ピクセル検出
器の開発

新井康夫、
三好敏喜、
一宮亮、小
貫良行

応用物理学会、放射線分科会会誌「放射線」
Vol.36, No.4,

2010 年 11月掲載

国内

pp. 179-188
NuclearUpgrade of the accelerator forthe laser undulator compact
X-ray source (LUCX)

Masafumi
Fukuda etal.

Instruments andMethods inPhysics Research 掲載
A 637 (2011)
S67–S71136

2011 年 1 月

国外Development of a compact X-ray

NuclearsourceInstruments and

based

on

Comptonscattering using a 1.3 GHz Junji

Methods

superconducting

Physics Research 掲載

RF Urakawa

accelerating linac and a newAlaser storage cavity

S47–S50super-cavity
X-ray

for

sourcea(2011)

Instruments andKazuyuki

compact Sakaue et

based

国外

NuclearDevelopment of a laser pulse
storage technique in an optical637

in 2011 年 1 月

on al.

Methods

Physics Research 掲載
A

laser-Compton scatteringin 2011 年 1 月

637

国外

(2011)

S107–S111
15th

IEEE

Mediterranean
Verticalintegration

ofElectrotechnica

radiation sensors and readout Y. Arailelectronics

MELCON.2010.547

Conference:2010 年 12月掲載

国外5897,2010,
1062-1067
IEEEInternational
Integrated

radiation

image Y. Arai etsensors with SOI technology

al.

SOI

Conference2010 年 12(SOI):
10.1109/SOI.201

月掲載

国外

0.5641403,2010,
Page(s):1-5.
NuclearFemtosecond pulse radiolysis
andfemtosecond

diffraction

Instruments andJinfeng

electron Yang etal.

Methods

Physics Research 掲載
A637

S24–S29137

in 2011 年 1 月(2011)

国外

Nuclear
Instruments andS-bandAbhay

Methods

linac-basedX-raysourcewith

Deshpande

π/2-mode electronlinac

et al.

in 2011 年 1 月

Physics Research 掲載
A

637

国外

(2011)

S62–S66
Laser Driver for a photocathodeofanaccelerator

electron

Quantum
A. K.

linear Potemkin
et al.

Electronics

2011 年 3 月

40(12) 1123-1130 掲載

国外(2010)

Acknowledgments
This report is supported by Quantum Beam Technology Program of the Ministry of
Education, Science, Sports, Culture and Technology of Japan (MEXT).

138