Feb. 2010

高輝度光子ビーム源開発室
ニュース
Quantum Beam Technology Program supported by MEXT

世界最高電圧のフォトカソード DC 電子銃が完成：本文７ページを参照

3Vol.

高輝度光子ビーム源開発室ニュース

高輝度光子ビーム源開発室ニュース Vol.3 をお告の要望がありましたので、急遽前半の記事を浦送り致します。ニュース Vol.3 の記事として、最川が書き、後半の素晴らしい達成報告を羽島良一

新の Yb fiber laser 増幅を利用した実用化の話と氏に御願いしました。ニュース Vol.4 の記事はニ9-cell Super Conducting Cavity 開発報告を担当者

ュース Vol.2 で予告しました内容になる予定です。にお願い致しましたとニュース Vol.2 で記述しまご期待下さい。以下「量子ビーム基盤技術開発プしたが、多くの方々から次世代小型高輝度光子ビログラム」シンポジウムの案内です。参加費無料

ーム源開発の報告と 500kV 世界最高電圧達成報ですので、時間が許せば是非ともご参加下さい。

文部科学省「量子ビーム基盤技術開発プログラム」シンポジウム日会

時：平成 22 年 2 月 25 日（木）10:00 〜 18:00
場：コンファレンススクエア エムプラス

入（東京都千代田区丸の内 2-5-2
場：無料

主共三菱ビル 10F）

催：文部科学省
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
催：大学共同利用機関法人 自然科学研究機構 分子科学研究所
独立行政法人 日本原子力研究開発機構

シンポジウム URL：http://kocbeam.kek.jp/qb_sympo.html
参加登録・お問合せ先：
「量子ビーム基盤開発プログラム」シンポジウム 事務局（高エネ研内） E-mail : quantumbeam@ml.post.kek.jp＜プログラム＞
10:00

開式の辞

井上 信（京都大学）

10:10

挨拶

髙谷 浩樹（文部科学省）

10:15

挨拶

髙﨑 史彦（KEK）

10:20

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

浦川 順治（KEK）

11:10

荷電粒子およびフォトンと物質との相互作用−基礎研究の現状とその応用・社会との接点−

2籏野 嘉彦（JAEA）

12:10

昼食

13:40

リング型光源とレーザーを用いた光発生とその応用

加藤 政博（NINS）

14:20

軟Ｘ線の高速偏光制御による機能性材料の探究と創製

雨宮 健太（KEK）

15:00

先端加速器が創る

16:00

休憩

16:20

多様なイオンによる高精度自在な照射技術の開発

17:00

中性子ビーム利用高度化技術の開発

17:40

閉式の辞

新しい産官学連携のかたち

有馬 雅人（先端加速器科学技術推進協議会）

神谷 富裕（JAEA）
加倉井 和久（東北大学）

平井 康晴（佐賀県立九州シンクロトロン光研究センター）

高輝度光子ビーム源開発室ニュース■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
計画の概要

はじめに
2008 年 9 月から文部科学省委託事業として、提案書の 300 字概要は以下のように書いた。

量子ビーム技術プログラムの表記の基盤技術開発

超伝導高周波加速器技術とレーザーパルス蓄積技事業が始まった。目的は 10m サイズ規模の小型術の融合によって、ポストゲノム時代の生命科学線形加速器で十分に利用に供せる平均輝度および研究、ナノ構造解析、創薬、医療診断、マイクピーク輝度のⅩ線ビームを生成できる基盤技術をロリソグラフィへの利用を画期的に飛躍させる開発して、５年目の最終年度にその実証実験を行

軟 X 線から硬 X 線領域の小型高輝度 X 線発生装

い、小型高輝度光子ビーム源の製品化設計案を企置（10m × 6m 程度）を実現する。本装置実現の業に提案することである。この開発計画のために、ために、高品質大強度電子ビーム生成装置、大強大強度線形加速器と大強度高繰り返しレーザー蓄度・高電界超伝導高周波加速装置、高品質短パル積装置による逆コンプトン散乱過程を利用した準ス大強度レーザー蓄積装置、ミクロン精度での電単色・短パルス・準連続Ｘ線生成を行う最先端基

子ビーム軌道制御技術及び、レーザー光路精密調盤技術開発が、多くの利用者の要望に適した小型整といった技術の実用化を図る。また、レーザー高輝度光子ビーム源装置製作に合っていると判断

パルス蓄積装置をアンジュレータに置き換えるこした。そこで光高周波電子源およびレーザー蓄積とによってテラヘルツ波から赤外線の高輝度光子共振器開発の 10 年以上の技術蓄積と実績に基づビーム生成も可能である。

いた詳細な提案書を文部科学省に提出した。その本委託事業採択後、目標とする装置の基盤技術結果、本委託業務が５年計画として採択された。

開発を進めながらその３次元装置概念図を作成し現在、多大なる責任を背負って、多くの参画機関た。図１に示すように、高周波電子源からビームの協力を得て本事業を推進している。

ダンプまで超伝導高周波電子線形加速器の全ての計画の概要、組織、大強度レーザー蓄積装置開先端技術開発が必要であり、さらにマルチ短バン発と加速器基盤技術開発状況および今後の計画にチ光電子ビームおよびＸ線を生成するための高繰ついて報告する。

り返し大強度パルスレーザーが必要である。図１

Quantum Beam Technology Program

Development for Next Generation Compact High Brightness X-ray
Source using Super Conducting RF Acceleration TechniqueLaser Super Cavity
9-cell Accelerating Cavity
L-band RF Gun

9-cell Decelerating Cavity

2k He Refrigerator

Beam Dump

Laser System for Multi-bunch Beam Generation© Rey-Hori

図１ ： 小型高輝度光子ビーム源の３次元装置概念図3

高輝度光子ビーム源開発室ニュース

では 5Hz,1msec 大強度パルス電子ビーム運転をを 1µm 以内の精度で２次元的に移動させて電子仮定しているので、He 冷凍システムが小さなもビームと衝突させる。両ビームの衝突時間精度はのになっている。また、減速超伝導空洞１台をＸ1psec 以内にする必要があるので、電子加速高周線発生後偏向電磁石で電子ビームを曲げた後に設波とレーザーパルス発振器のモードロック信号は置して、ビームのエネルギーを約 1MeV 以下にし高精度で同期させる。現状、100fsec(sigma) 程度てからビームダンプに捨てる設計になっている。の同期が実現できる状況である。電子線形高周波基盤技術の研究開発組織関連を図 2 に示す。総加速器では、電子バンチ長 10psec(FWHM) の高合技術蓄積、総合システム構築および性能実証

品質マルチバンチビームを必要なエネルギーま実験は幹事機関である KEK が中心になって行う。

で加速する。本開発プログラムでは 30MeV からこの装置に関わる基盤技術開発を若手研究者が自50MeV の最大エネルギーを想定して、1m 長の主的に進めて、その研究指導および開発過程で新超伝導高周波加速空洞を使う。光高周波電子銃でしい技術を確立させることによって、優秀な若手5MeV マルチバンチ電子ビームを発生して、超伝研究開発者を育てることも本事業の目的であると

導高周波加速空洞 35MV/m 1 台で加速すること考えている。

によって、40MeV の大強度電子ビームを衝突チェンバーへ輸送する。この小型線形加速器が最高性能で運転できた場合に 40MeV の最大エネルギ

大強度レーザー蓄積装置開発
大強度高繰り返しレーザーパルスをーの実現可能性があると言うことになるので、実10µm(sigma) 程度に絞り込み、さらに電子ビーム

証実験では２台の 1m 長超伝導高周波加速空洞をも同程度サイズに絞り込み衝突させて、レーザー電子ビーム加速に使う予定である。

（光子ビーム）を効率良くＸ線ビームに変換する。

以上の説明から大強度レーザーシステムへの要

通常 10 度程度の衝突角を持つように超高真空衝

求は以下のように決めた。

突チェンバーの中に高反射率ミラーで構成した光

１．レーザーパルスの繰り返しは 100MHz 以上の準連続運転。

共振器とレーザーパルスを通す小さな穴を持った電子ビームダクトを取り付ける。レーザーの位置

２．レーザーパルスエネルギーは 10mJ 以上としOrganization and Responsibility
Committee for project
evaluation

Compact and reliable Multi-beam Klystron R&D㪟㫀㪾㪿㩷㫇㫆㫎㪼㫉㩷㪩㪝

Osaka U. 㪧㪿㫆㫋㫆㪄㪺㪸㫋㪿㫆㪻㪼㩷㪩㪝㩷㪞㫌㫅
SANKEN
Main Institute
New CooperativeKEKInstituteL-band Photo-cathode RFGunHiroshima U.
Laser storage
RF GunPhoto-cathodeSC RF Accelerator development
System design, Operation, Performance
Measurement
Education for young scientists
ATF, STF㪟㫀㪾㪿㩷㫊㫋㪸㪹㫃㪼㩷㪟㪭㩷㪧㪪Hitachi

DC High Voltage Source㪟㫀㪾㪿㩷㫊㫋㪸㪹㫃㪼㩷㪟㪭㩷㪧㪪㪡㪘㪜㪘DC High Voltage PS
Photo-Cathode㪧㫌㫃㫊㪼㪻㩷㪣㪸㫊㪼㫉㩷㪪㫋㫆㫉㪸㪾㪼
ERL
Electron Source
High Quality and Intensity e- sourceDevice㪮㪸㫊㪼㪻㪸㩷㪬㪅
X-ray detector
Laser Compton Exp㪅

Ultra-Compact
Accelerator

U. of Tokyo
Photo-cathode
Input coupler

図２ ： 基盤技術の研究開発組織関連図4

ToshibaCompact Klystron高輝度光子ビーム源開発室ニュースて、目標は 50mJ。
３．衝突点でのレーザーサイズ 10µm(sigma) 程ームダクトは共振器のレーザー収束点を通る。また、衝突チェンバーの傍の光学架台（大気中）上にレーザー発生装置と制御インターフェースを設度。
このレーザー平均パワーは 1MW 以上になるの置することになる。

で、現在レーザー開発の研究所で実現されている100kW の 10 倍以上になる。ファイバーレーザー

加速器基盤技術開発

増幅と光共振器を使った新しいレーザー大強度化

高品質マルチバンチ電子ビーム生成では、既にの実験を昨年から開始した。既に、ミラーやファ

1.5 cell S-band RF Photo-cathode Gun を 使 っ てイバーを何度か破壊してしまい、問題点を克服し0.5nC/bunch, 300 bunches/pulse 運転によりマルながら高い目標に向かっている。国際特許の申請

チバンチビーム負荷補正や電子ビーム収束実験ををしているので、ここでは詳しい説明を省く。

進めている。電子バンチの規格化エミッタンス

一方、レーザーサイズを 10µm(sigma) 程度には 1mmmrad 以下にする必要があるのでバンチ絞り込むために、新しい４枚ミラー光共振器の開強度を 0.5nC/bunch 以下としている。今年の秋

発を進めている。光共振器の共鳴状態を維持するには 3000 bunches/pulse 運転を行い軟Ｘ線生成ためには、高反射率ミラーの位置を圧電素子でオによる利用試験を開始する。可能であれば 8000ングストローム程度の精度で安定に制御する必要bunches/pulse 運転も行い、軟Ｘ線強度を上げるがある。これは光共振器への入射レーザーの位相ことによって実用化の意義を明らかにしたい。

を光共振器内の蓄積レーザーパルスの位相に合わ

KEK では ILC および ERL の将来計画に必要な超せて、レーザー蓄積を実現するためである。現状

伝導加速空洞開発を精力的に進めている。本プロ

では入射レーザーエネルギーの 1000 倍程度の蓄グラム用に実用的なパルス運転 30MV/m と CW積が実現していて、衝突点でのレーザーサイズは運 転 20MV/m の 1.3GHz 9-cell super conducting

30µm(sigma) になっている。この実績値は、２cavity 製作技術開発をお願いした。現状は図４に枚ミラー光共振器で実現できたものである。新し示すように、製作した空洞の 25% がパルス運転

い３次元４枚ミラー光共振器は複雑な装置であるで 30MV/m を達成している。2011 年までにはパが、蓄積増幅率を 10000 倍以上にして、レーザルス運転用空洞製作技術が確立して、実用的な空ーサイズを 20µm(sigma) 以下にできる可能性を洞２台が実証実験に供給される計画である。

持っている。現在、この装置のプロットタイプを電子ビームとレーザーパルスを 10µm(rms) ま作り、基本性能試験を行っている。また、フランで絞り込み、安定なマルチバンチ衝突により高スの開発協力グループが提案している３次元４枚輝度 X 線生成を実現するには最先端ビーム制御ミラー光共振器装置を 2010 年夏ごろ 1.3GeV 電技術が必要である。そのために図５の S-band RF子蓄積リングに設置して、秋に 25MeV 高輝度ガ

Gun と 3m S-band 加速管を使った常伝導高周波ンマ線生成実験を行う。図３にフランスの複雑な加速装置を使って、逆コンプトン散乱によるＸ線光共振器装置と我々のプロットタイプを示す。ビ生成の総合基盤技術を開発している。放射線医学

e-beam
図３ ： フランスの複雑な光共振器装置と我々のプロットタイプ３次元４枚ミラー光共振器

5高輝度光子ビーム源開発室ニュース

総合研究所の先進小型加速器事業の装置を拡張し子ビーム強度になる。本実験終了後、レーザー装て、Ｘ線検出器開発や干渉性回折電磁波放射実験

置等は Compact ERL 装置に移設して、CW 高輝も可能なように現在組み替えている。2010 年 5度 X 線生成実験に使えるようにする。Compact

月から電子ビーム・レーザー衝突実験を再開する。

ERL がビーム運転を行っていれば、そこでも応用実験の試験が可能になる。

今後の予定
レーザー蓄積装置の平均パワーを 100kW から1000kW に上げる技術開発を 2010 年と 2011 年
で行いながら、電子ビームとレーザーパルスの衝
突実験により高輝度Ｘ線生成が可能であることを示す。そこで実用のためのサンプル照射実験を図５の常伝導加速装置で行い、実用化のための技術蓄積を進める。さらに図６に示す超伝導加速器設備を 2011 年度に完成させて、最終の実証実験を 2012 年の秋まで行うことになっている。ここでは 162.5MHz で 1msec pulse 長のマルチバンチ電子ビーム生成 (162,500bunches/pulse) を行い、加速することになる。バンチ当たりの電子ビーム強度を 0.1nC/bunch と仮定しても、16mA の電図４ ： パルス運転用 1.3GHz 超伝導空洞図面と性能試験結果

図５ ： 常伝導加速器による総合基盤技術開発装置

図６ ： 超伝導加速器による最終実証実験装置

6高輝度光子ビーム源開発室ニュース■ 500kV フォトカソード DC 電子銃の開発状況
超伝導加速による光子源において発生する光子

図 7 に開発中のフォトカソード DC 電子銃の構（Ｘ線）の輝度、強度を増大するには、電子ビー成を示す。空間電荷効果による電子ビームエミッ

ムを連続的に加速する運転モード（CW 運転）がタンスの増大を抑止するためには、電子を高電界、望ましい。CW 運転を実現するには超伝導加速器、高電圧で引き出す、すなわち、カソードとアノー電子銃ともにパルス運転モードとは異なる性能ドの間隔を短くする必要がある。このような理由の装置が必要であるため、本プロジェクトでは、により、絶縁セラミック管を貫通するサポートロ

CW 運転用の超伝導加速空洞、電子銃の開発が行ッドを使ってカソードを真空チェンバーの中央にわれている。本稿では、原子力機構（JAEA）グ設置している。サポートロッドはフォトカソード

ループが分担している CW 運転用の低エミッタン

DC 電子銃に特有の構造であり、一般的な DC 加ス大電流電子銃の開発状況を報告する。

速管（イオン加速器など）には存在しない。

われわれは、CW 運転を実現する低エミッタン低エミッタンス大電流ビームの発生を目指した

ス大電流電子銃として、半導体光陰極を備えた

フォトカソード DC 電子銃は、自由電子レーザー

DC 電子銃（フォトカソード DC 電子銃）を採用し、(FEL) やエネルギー回収型リニアック (ERL) を目的開発を進めている。このタイプの電子銃を採用しとして、これまで研究が行われてきたが、350kVた理由は次の通りである。(1) フォトカソードはの運転実績（米国ジェファーソン研）が最大電圧レーザーを半導体に照射して光電子を発生するもであった。高電圧化を阻む最大の障害は、サポーので、モードロックレーザーからピコ秒の電子パトロッドからの電界放出電子がセラミック管を破ルス列を直接生成し超伝導加速器へ入射できる。

損する現象である。図 8（左）に示すように従来同時に低エミッタンス電子ビームの生成にも適し型のセラミック管ではサポートロッドから放出さている。(2) RF 電子銃（常伝導）では RF 空洞のれた電子がセラミック管の内表面に直接到達す

発熱のために CW 運転が困難であるが、DC 電子る。この時、局所的に電子が集中すると放電によ銃は容易に CW 運転を行うことができ、また DCってセラミックが割れる（クラック）または貫通電源の容量次第で大電流にも対応可能である。

孔が開く（パンチスルー）ことによりセラミック管が使用不能になってしまう。
われわれは、電界放出電子によるセラミック管の破損が生じないよう、ガードリング付きの分割セラミック管を採用し、最適設計を行った。このような構造を用いることにより、サポートロッド

図７ ： 500kV フォトカソード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。 カソード電極の正面にフォトカソードが装着され、 前方から照射されるレーザ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。

図８ ： 従来方式のセラミック管と本研究で採用したセラミック管。 従来方式では電界放出電子がセラミック内表面に到達しセラミックの破損を生じた。 本研究では分割セラミック管とガードリングを組み合わせることにより、 電界放出電子によるセラミックの破損を防ぐ構造とした。

7

からの電界放出電子がセラミック管に到達することがなくなる（図 8（右））。設計では、500kV の電圧を印加した時に、サポートロッドとガードリングの表面電界が 10MV/m 以下になるように、セラミックの口径、長さ、分割数、ガードリングの形状を決定した。なお、過去に同様の分割セラミック管が JAEA の FEL 用熱陰極電子銃 (250kV)、名古屋大学の偏極電子源 (200kV) に採用され、良好な実績があったことも、本方式を採用した根拠のひとつであった。図 9 に今回製作した分割セラミック管と JAEA-FEL のセラミック管を示す。
製作した分割セラミック管にガードリングを装着し、サポートロッドなし、サポートロッドありの構成で、それぞれ高電圧印加試験を行った。サ
ポートロッドなしでは 3 時間程度で、サポートロッドありでは 110 時間程度のコンディショニン
グを経て定格電圧の印加に至った。光子源のユーザー運転を想定した 8 時間連続の電圧印加試験も無放電でクリアーし、世界最高電圧のフォトカソード DC 電子銃が完成した。まもなくビーム引き出し試験を開始する予定である。

図９ ： 500kV フォトカソード DC 電子銃用に製作した分割セラミック管 （左） と、 JAEA-FEL で使用した 250kV 熱電子銃の分割セラミック管 （右）。 500kV セラミック管の大きさは、 直径 400mm、 高さ 750mm である。

Acknowledgments

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

量子ビーム基盤技術開発プログラム（2008-2012 年度）
Quantum Beam Technology Program supported by MEXT

次世代ビーム技術開発課題「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」（拠点責任者：浦川順治）

Development for Next Generation Compact High Brightness X-ray Source using Super Conducting RF Acceleration Technique
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (KEK)High Energy Accelerator Research Organization〒 305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

TEL 029(879)6248