July 2009

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

1Vol.

❶❸

❷❹❼❺

❻

＠ Rey-Hori① Laser Super Cavity② 9-cell Accelerating Cavity③ 9-cell Decelerating Cavity④ L-band RF Gun⑤ 2k He Refrigerator⑥ Beam Dump
⑦ Laser System for Multi-bunch Beam Generation

高輝度光子ビーム源開発室ニュース

本研究開発プログラムが文部科学省からの委託

棄物処理応用に関する記事と光カソード開発責任事業として昨年度８月末に始まり一年が過ぎよう者の栗木さんに電子源技術検討会報告を書いて頂としています。多くの方々の協力により順調に先きました。

端基盤技術開発が進んでいます。既に、本プロ■逆コンプトン散乱で生成するガンマ線の放射性グラムの Web. Site（http://kocbeam.kek.jp/index.

廃棄物の処理処分への利用html）が一般に公開され、活動報告や新技術開発研究開発機構）

羽島良一（原子力成果等を今後掲載しますので、このクォータリー

■広島大学高輝度電子源検討会報告

同様に加速器先端技術開発の情報源としてご関心（広島大学）

栗木雅夫をお持ち頂ければ幸いです。
このクォータリーでは次世代ビーム技術開発課

Quarterly 2 の記事は新しいレーザー安定増幅法に題で目指します表紙の図に示された理想的な光子関する記事を本田洋介さんにお願いします。また、ビーム発生装置に関係します新技術または利用の記事と本プログラム主催下で行われた技術検討

６月に行われました小型高輝度光子源のためのレーザー蓄積共振器開発キックオフミーティング報告を広島大学高橋徹さんにお願いします。ご期待下さい。

会報告を掲載します。Quarterly 1 の内容として、高圧直流電子源開発責任者の羽島さんに放射性廃■逆コンプトン散乱で生成するガンマ線の放射性廃棄物の処理処分への利用
レーザーと高エネルギー電子の逆コンプトン散乱による光子ビームの発生は X 線のみにとどま開発機構では、ガンマ線を使った核種の非破壊分析法を提案し、その基礎研究を行っている。

らず、さらに高いエネルギー（MeV 領域）の光子、図 1 に示すように、原子核は、その陽子と中すなわち、ガンマ線まで可能である。例えば、エ性子の数に応じて、固有の電磁気的な振動モーネルギー 400 MeV の電子ビームと波長 1 μ m のド（励起準位）を持っている。基底準位と励起準レーザーの正面衝突の逆コンプトン散乱では、2.9位の差に等しいエネルギーを持ったガンマ線が原

MeV のガンマ線ビームが得られる。このような子核に吸収されると、原子核は励起される。このガンマ線の利用として期待されているのが、原子励起した原子核は、通常極めて短い時間（フェム力エネルギーの核燃料サイクル、および関連の研ト秒オーダー）でガンマ線を放出して基底準位に究から排出される廃棄物に含まれる放射性核種の戻る。放出されるガンマ線は入射ガンマ線と同じ非破壊分析である。廃棄物の処理処分において安エネルギーを持っているために、あたかも、入全性と経済性を両立するためには、廃棄物中の放射ガンマ線が散乱されたように見えるので、こ射性核種の濃度を精度良く分析定量し、核種の濃の現象を原子核共鳴蛍光散乱（nuclear resonance

度に応じた適切な処分（深地層処分、ピット処分

fluorescence, NRF）とよぶ。特定の核種（例えばなど）を行わなければならない。日本原子力研究ウラン 238）を励起するエネルギーを持ったガン2

高輝度光子ビーム源開発室ニュース㩷䉧䊮䊙✢䉣䊈䊦䉩䊷㩷䉣 䊈䊦䉩䊷นᄌ

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36 Cl

238 U

T 1/2= 3.0x10 5 y

T 1/2= 4.5x109 y

図１ ࿑䋱䋺
： ガンマ線による核種の非破壊分析の原理。
それぞれの核種 （同位体） の原子核には、 固有の励起状䉧䊮䊙✢䈮䉋䉎ᩭ⒳䈱㕖⎕უಽᨆ䈱ේℂ䇯䈠䉏䈡䉏䈱ᩭ⒳䋨ห૏૕䋩䈱ේሶᩭ態が存在しており励起エネルギーはそれぞれ異なる。
測定したい核種 （例えばウラン 238） に固有の励䈮䈲䇮࿕᦭䈱ബ⿠⁁ᘒ䈏ሽ࿷䈚䈩䈍䉍ബ⿠䉣䊈䊦䉩䊷䈲䈠䉏䈡䉏⇣䈭䉎䇯᷹ቯ起エネルギー （2176 keV） と等しいガンマ線を照射すると、 原子核が励起 ・ 脱励起する過程で励起エネ
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ルギーに等しいエネルギーのガンマ線が放出される。 この放出ガンマ線を検出することで核種の存在を䉧䊮䊙✢䉕ᾖ኿䈜䉎䈫䇮ේሶᩭ䈏ബ⿠䊶⣕ബ⿠䈜䉎ㆊ⒟䈪ബ⿠䉣䊈䊦䉩䊷䈮╬䈚
知ることができる。

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U-238䋽8 wt%䇮Th-232䋽25 wt%

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Th-232

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2.0~2.2 MeV-rays
N = 2x109⹜ᢱਛ䈱䉮䊮䊒䊃䊮ᢔੂ䈪⊒↢䈜䉎䊉䉟䉵ᬌ಴䉧䊮䊙✢䈱䉣䊈䊦䉩䊷㩷㩷
図２ ： コンクリート廃棄物に含まれる二つの核種、 ウラン 238 とトリウム 232 を逆コンプトンガンマ線で分析する࿑䋲䋺䉮䊮䉪䊥䊷䊃ᑄ᫈‛䈮฽䉁䉏䉎ੑ䈧䈱ᩭ⒳䇮䉡䊤䊮 㪉㪊㪏 䈫䊃䊥䉡䊛 㪉㪊㪉 䉕ㅒ䉮䊮䊒䊃䊮様子をモンテカルロシミュレーションで計算した結果。

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マ線を外部から照射し、散乱ガンマ線を計測する

準単色ガンマ線を用いることで良好な S/N が得ことで核種の非破壊分析（検知と定量）が可能にられることである。

なる。このような分析法の利点は、（1）ほぼ全てNRF は原子核物理の分野では古くから知られての放射性核種、安定核種の分析が可能であること、いる現象であるが、この原理に基づく核種の非破（2）厚い遮蔽を通した分析が可能であること、（3）

壊分析は、エネルギー可変、準単色、高強度のガ3

高輝度光子ビーム源開発室ニュース

ンマ線が必要なために、これまで実用化されている様子をモンテカルロシミュレーションで計算しない。逆コンプトン散乱は、このような利用に最たものである。二つの核種に対応した NRF ガン適のガンマ線源であり、高輝度コンプトン光源のマ線がはっきりと見えており、バックグラウンド技術が完成すれば、核種の非破壊分析が実用化さノイズと NRF ガンマ線信号の分離も良好であるれると期待される。図２は、ウラン 238 とトリことがわかる。

ウム 232 を含んだコンクリート廃棄物（200 リッ

最近、NRF による同位体の非破壊イメージン

タードラム缶）に、逆コンプトン散乱で発生したグの原理実証実験が、日本原子力研究開発機構、ガンマ線を照射した時の NRF ガンマ線を検出す

産業技術総合研究所、京都大学の共同チームによ50 mm
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50 mm㋕15 mm15 mm
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図３ ： 同位体イメージングの実証実験で用いた試料。試料は 20 mm 角の鉛ブロック（鉛㩷208 を 52% 含む） を 15 mm の鉄板で囲ったものである。 この試料にガンマ線ビ࿑䋳䋺ห૏૕䉟䊜䊷䉳䊮䉫䈱ታ⸽ታ㛎䈪↪䈇䈢⹜ᢱ䇯⹜ᢱ䈲㩷㪉㪇㫄㫄ⷺ䈱㋦䊑䊨䉾䉪䋨㋦ームを照射し、 試料中の鉛 208 による NRF で発生するガンマ線を測定した。

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図４ ： 取得された鉛ブロックの位置と形状。 縦軸はガンマ線の照射位置、 横軸は鉛208 からの NRF ガンマ線の検出量である。 15 mm の鉄板を通して、 鉛ブロックの位置と形状が測定できた。

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高輝度光子ビーム源開発室ニュースり行われた。図３に示すように、厚さ 15 mm のが完成し、これに基づく高輝度ガンマ線が利用鉄板に囲まれた鉛ブロック（鉛 208 を 52% 含む）できるようになると、どうなるであろか？電子に、鉛 208 の励起エネルギー（5512 keV）に同調加速器として 350 MeV、10 mA のエネルギー回したガンマ線ビームを照射し、鉛 208 から散乱収型リニアック（ERL）、レーザーとして蓄積パワされる NRF ガンマ線を測定したところ、図４にー 700kW のスーパーキャビティーを仮定すると、示すように、鉛ブロックの形状を認識することにコンプトン散乱で発生するガンマ線の光子数は毎成功した。実験は産総研の電子蓄積リング TERAS

秒 1013 のオーダーとなり、TERAS で１日かかっで行った。同位体を特定したイメージングとした同位体イメージングが瞬時に完了できることにて は 世 界 最 初 の 実 験 で あ る。（Applied Physics

なる。

Express, 2, (2009) 036502）

このような核種の非破壊分析技術は、放射性廃TERAS で得られるガンマ線フラックスは毎秒棄物の処理処分だけでなく、港湾や空港における106 程度であり、今回の実験はデータ取得に 1 日貨物中の爆発物の検出や、核テロの抑止などにもかかった。
「量子ビーム基盤技術開発プログラム」

適用可能である。安全安心社会の実現に大きく貢で実施している次世代高輝度光子ビーム源の技術献するだろう。

■広島大学高輝度電子源検討会報告2009 年 1 月 22（木）、23（金）の両日にわたり、がおこなわれた。高輝度、コヒーレント、短パ

広島大学高輝度電子源検討会が、広島大学の東広ルス性を兼ね備え、多くのビームラインを設置

島キャンパスで開催された。広島大学の量子ビーできる次世代放射光源として 5GeV クラスの ERL

ム開発センター（先端物質科学研究科）は JAEA（原（Energy Recovery Linac）が有力であることが示子力機構）、KEK（高エネルギー加速器研究機構）、された。またその実現には多方面の協力が不可欠

名古屋大学などのグループと共同で、コンパクトであり、とくに電子銃においては電子銃本体、カERL のための電子銃開発を念頭に、高輝度 DC 電ソード、レーザーが三位一体となり高性能を発揮子銃開発の研究を 2008 年度より開始した。本研できるように開発がすすむことへの期待が示され究会の目的は、その検討状況と最新の研究成果にた。ERL 実証機であるコンパクト ERL は 2008 年

ついて情報を共有するとともに、問題点や今後の3 月 に CDR（Conceptual Design Report）が 出 版研究の方向性について議論することにあった。参され、その実現に向けて具体的検討が進みつつあ加者は外国人を含む 20 名弱であった。

る。

22 日（木）の 13 時 30 分からの検討会の開催に原子力機構の羽島良一氏からは「ERL 入射器にあたり、主催者である量子ビーム開発センターを求められる性能とその達成へのシナリオ」と題し代表して、広島大学の栗木雅夫よりこの会の趣旨た講演があった。大学での開催ということで、教の説明があった。続いて高エネルギー加速器研

育的配慮から光源の歴史からひもとき、その延長究機構、ERL 推進室長である河田洋氏より、「ERL放射光源計画概要とその進捗状況」と題した講演

1 羽島良一 他編、コンパクト ERL の設計研究、KEK Report
2007, JAEA-Research 2008-32 (2008)5高輝度光子ビーム源開発室ニュースに ERL が位置していることが述べられた。回折えると量子効率が急激に減少する傾向がみられ限界光を得るためには 0.1 mm・mrad という極た。また閾値の観測では Cs 終端よりも酸素終端小エミッタンスビームを電子銃で発生させ、そのの場合のほうが閾値がより長波長であり、かつ長増大を抑制しつつ加速する必要があること、その寿命であることが示された。

ためにはカソード材料のバンド構造とレーザー波

22 日（木）のセッション終了後、大学近くの料長の合わせ込み、エミッタンス増大と波形整形な理屋において懇親会が行われた。ビールでの乾杯

ど、多様な物理的プロセスを理解し、制御する必で始まった宴は、日本三大酒処のひとつ、賀茂西要があることが述べられた。最新の研究がわかり

条の地酒が酌みかわされるころには会話が弾み、やすく説明され、学生の興味をひく発表であった。

日頃の研究の苦労や、将来への希望など、幅広い原子力機構の飯島北斗氏からは、250 kV 電子話題が飛び交った。

銃の現状が報告された。GaAs カソードの活性化

23 日（金）は朝 9 時よりセッションが開始されに成功し、レーザー導入系、エミッタンスやバンた。本セッションでは RF 電子銃についての講演

チ長測定などの計測系の整備を終え、ビーム試験が二つ行われた。一つ目は Abhay Deshpande 氏に入るとのことであった。GaAs カソードはレーによる「Mode Separated Photo-cathode RF Gun

ザーへの応答性が悪いとの可能性が指摘されておWork at LUCX」である。Deshpande 氏はインドり、バンチ長測定はエミッタンス保存のための波から来日し、KEK の総合研究大学院大学の学生と形整形という ERL の根幹に関わる部分であるこして研究を続けている。RF 電子銃における二つとから、その結果が注目される。の定在波モード（0 モードとπモード）のセパレ広島大学の正中智慧と久保大輔からは各々ーションを大きくすることで、パフォーマンスの「GaAs 陰極の寿命の温度依存性」「NEA 活性化時向上を意図したものである。続いて早稲田大学のにおける光電閾値」と題した講演があった。ERL

坂上和之氏よりパルスレーザー光共振器と電子ビ

では 100mA のビーム発生時には 16W ものレーームのコンプトン散乱による X 線生成について、ザーがカソードに照射されることになり、温度上最新の研究成果の報告があった。光共振器長をナ昇とそれによるカソードのパフォーマンスの低下ノメーターを下回る精度で制御して、900 程度のが危惧される。今回の実験の結果、80 度 C を超Finess で、レーザーをバーストモードで運転し、

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高輝度光子ビーム源開発室ニュース

X 線 の 輝 度 で 2.75E+5 /sec/mm2/mrad2/0.1%bwを得たとのことであった。

摘された。
続 い て KEK の 本 田 洋 介 氏 よ り、KEK に お け

原子力機構の西森信行氏より「500kV 電子銃のる 電 子 銃 テ ス ト エ リ ア（ILCTA, Injector Line

光陰極準備容器・高電圧容器の設計」と題した発Commissioning Test Area）の計画と現状について表があった。コンパクト ERL のための電子銃に説明があった。AR 南実験室を整備し、名古屋大ついて、中心メンバーはこの間ビデオ会議やメイ学の 200 kV 電子銃を移設するとともに、コンパルを通じて濃密な議論を続けており、本発表で示クト ERL のための電子銃を含む入射部の試験をされた設計案は現状で考えうる技術の粋を集めた行うとのことであった。2009 年度内には電子銃ものといえる。500 kV 電子銃という未踏の領域の基本テストを終え、その後ビームライン、ビーを目指す意気ごみを感じるものであった。

ム診断系の実装を行うよていとのことであり、今続 い て 同 機 構 の 永 井 良 冶 氏 よ り、500 kV -後急速な進展をみせるものと期待される。

10 mA 電源の製作状況について報告があった。

最後に、原子力機構の西森信行氏をまとめ役とCockcroft-Walton 型を採用し、LC フィルタ、サして、今後の DC 電子銃開発計画について議論がージアブソーバなどにより高安定かつ高耐久が実行われた。500 kV 電子銃の高電圧印加テストと現されるとのことであった。250 KV 電源での実それに続くビームテスト、また各大学および研究証を経て、将来の 500 kV - 100 mA 電源もこの方所における計画、そして将来的に 100 mA ビーム針で実現可能との言葉が印象的だった。

引きだしに向けた具体的な検討がなされ、目標に昼食をはさみ、午後のセッションの始めは、広島大学の栗木雅夫より「セラミックサンプルの昇向けたマイルストーンと各研究機関の役割が非常に明確化された。

温脱離測定」という講演であった。GaAs 陰極で最後に、2009 年夏に加速器学会が東海村で行は極高真空が重要であるが、絶縁用に用いられるわれる際に、インフォーマルミーティングの形でセラミックについてはデータが乏しいため、昇温会合をもつことが提案された。以上のように会合脱離法により測定を行ったものである。それによは小規模ながらも密度の濃い議論がなされ、非常ると、今回 500 kV 絶縁管に使用した A99P といに有意義なものであったことを述べ、筆を置くこう材料のガス放出係数は極めて小さい可能性が指とにする。

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Acknowledgments

This Quarterly is supported by Quantum Beam Technology Program of the Ministryof 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 Project 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