平成２１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２２年５月２６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２１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．委託業務の目的………………………………………………………………………………

1

２．平成２１年度の事業計画……………………………………………………………………

1

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

4

４．委員会…………………………………………………………………………………………

5

５．平成２１年度研究成果報告
A．新フォトカソード開発 東大、上坂研… ………………………………………………

8

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…………………………………………………

14

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………………………………………………………………

19

C-2. 直流高圧電子源開発………………………………………………………………

23

C-3. CW 超伝導加速空洞研究開発 ……………………………………………………

30

D．パルスレーザー蓄積装置開発 広大、高橋研… ………………………………………

35

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……………………………………………

40

パルス超伝導加速空洞技術の開発

F．CW 超伝導空洞開発 KEK、古屋グループ…
………………………………………………
CW 超伝導加速空洞技術の開発

46

G．高周波超伝導空洞用入力カプラーの開発 東大、中村研… …………………………

53

高周波超伝導空洞用入力カプラーの開発
H. 小型 1.3GHz 高周波源開発 KEK、福田グループ… ……………………………………

60

小型 1.3GHz 高周波源開発

I．X 線検出装置の実用化開発 KEK、幅グループ…………………………………………

65

X 線検出装置開発

J．X 線測定および利用研究 早稲田、鷲尾研…
……………………………………………

69

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… ……………………
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78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２１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。

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。

14

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
2008 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。2008年度、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。この空洞製作技術の系統的な開発研究を2008年から2010年まで行うことによって、パルス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、2009年度は2空洞の製作を開始する。
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、2009
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、2008年度に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

25

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。2009年度は試験装置の部品製作を行う。また、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予定である。

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。2009年度は、軟Ｘ線検出装置の性能を調べる。

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。2009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る。2008年～2010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、2009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するので、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」を行う。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。

36

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
実 施 場 所
担 当 責 任 者①-A パルス超伝導加速 つくば市大穂１－１
加速器研究施設教授
空洞技術の開発
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
加速器研究施設教授
東カウンターホール
術の開発
古屋 貴章
②電子ビーム・レーザー加速器研究施設准教授
衝突技術の開発（システ つくば市大穂１－１
高エネルギー加速器研究 照沼 信浩
ム統合化）
機構、先端加速器試験棟(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
推進
高エネルギー加速器研究浦川 順治
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。

47

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
発
広島大学大学院先端物質科学研究科

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
実 施 場 所
担 当 責 任 者
高電圧ＤＣ電子源開発
東京都港区西新橋一丁目 主管技師・小瀬 洋一
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
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
業務項目
実 施 場 所
担 当 責 任 者
X線検出器の開発
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

４．委員会
運営委員会等の活動
2010 年 02 月 25 日 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,
コンファレンススクエア エムプラス（東京）
技術検討会等 74 回
2009.08.26
第二回 X 線検出検討会
KEK3 号館 425 号室52009.12.14
第三回 X 線検出検討会
KEK3 号館 425 号室
2009.07.21
空洞製作についての打ち合わせその一、KEK-STF 棟
2009.07.22
空洞製作についての打ち合わせその二、KEK 二号館 406 号室
2010.01.27
超伝導加速モジュールのコンセンサス打合せ KEK2 号館 406 号室
2009.06.16-17 4 鏡共振器開発キックオフミーティング
広島大学
2010.03.02
4 鏡共振器引き継ぎミーティング
KEK-LC コンテナ
定例レーザー蓄積技術打ち合わせ
2009.09.15 量子ビームレーザー打ち合わせ
KEK 2 号館 406 室
2009.10.15 量子ビームレーザー打ち合わせ
広島大学
2009.12.11 量子ビームレーザー打ち合わせ
KEK 2 号館 406 室
2010.01.15 量子ビームレーザー打ち合わせ
広島大学
定例 LUCX Meeting2009.04.02 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.04.09 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.04.16 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.04.23 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.04.30 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.05.14 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.05.21 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.05.28 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.06.04 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.06.11 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.06.18 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.06.25 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.07.02 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.07.09 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.07.17 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.07.23 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.07.30 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.08.13 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.08.27 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.09.03 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.09.17 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.09.24 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.10.01 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.10.08 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.10.22 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.10.29 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.11.05 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.11.12 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.11.19 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.11.26 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.12.03 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.12.10 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2009.12.17 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2010.01.07 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2010.01.14 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2010.01.21 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ

6

2010.01.28 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2010.02.04 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2010.02.18 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2010.03.04 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2010.03.18 小型Ｘ線源実験打ち合わせ（LUCX meeting）KEK-LC コンテナ
2010.03.25 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
日時
会議名
場所
2009.04.27
第 12 回量子ビーム電子銃打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.05.25
第 13 回量子ビーム電子銃打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.06.29
第 14 回量子ビーム電子銃打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.08.05
第 15 回量子ビーム電子銃打ち合わせ
原子力科学研究所
2009.09.04
第 16 回量子ビーム電子銃打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.10.05
第 17 回量子ビーム電子銃打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.11.05
第 18 回量子ビーム電子銃打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.12.29
第 19 回量子ビーム電子銃打ち合わせ
KEK PF二階会議室
2010.02.08
第 20 回量子ビーム電子銃打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2010.03.15
第 21 回量子ビーム電子銃打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
定例 L-band RF 電子銃開発グループ会合
日時
会議名
場所
2009.04.24
第 9 回 L-Band RF Gun 開発 G 打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.06.01
第 10 回 L-Band RF Gun 開発 G 打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.07.06
第 11 回 L-Band RF Gun 開発 G 打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.08.03
第 12 回 L-Band RF Gun 開発 G 打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.09.04
第 13 回 L-Band RF Gun 開発 G 打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.10.13
第 14 回 L-Band RF Gun 開発 G 打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.11.10
第 15 回 L-Band RF Gun 開発 G 打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2009.12.15
第 16 回 L-Band RF Gun 開発 G 打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2010.01.27
第 17 回 L-Band RF Gun 開発 G 打ち合わせ
KEK2 号館 406 室
2010.03.03
第 18 回 L-Band RF Gun 開発 G 打ち合わせ
KEK2 号館 406 室

710

５．平成２１年度研究成果報告
C-2. 直流高圧電子源開発
A. 新フォトカソード:可視光カソード試運転
of PhotocathodeHigh-VoltageDevelopment
DC Electron Guns
DevelopmentNew
概 要
東京大学 18MeV 電子線形加速器にインストールされている、カートリッジ式
フォトカソード高周波電子銃を用いて、可視光レーザー駆動の高輝度電子源の開発を目指し、Na2KSb カソードのビーム試験を行った。266[nm]と 400[nm]の２種類の励起波長に対して飽和電荷量及び、量子効率測定を行った。また、カートリッジ式交換システムを導入して以来、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が生じていた。そこで、冷却管つきの端板を、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、インストールを行った。その結果、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、ほぼ解決することができたと言える。
１．本研究の背景
フォトカソード高周波(RF)電子銃は、高周波を空洞に印加することにより、陰極表面に約 100[MV/m]程度の高電場を発生する。この高電場により、電子源から放出された電子を速やかに相対論的領域まで加速することができる。これによって、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発生が可能である。
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して光電子を発生させ、それを高周波電場（RF）で加速して電子ビームを発生させる。
フォトカソード励起用のレーザーとして、本研究施設では、0.3[TW]のチタンサファイ
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、レーザーを含めたシステムの安定化・小型化の観点から、可視光領域である２倍高調波で駆動するようなフォトカソードの開発が求められる。また、本プロジェクトにおける電子源の第一候補は GaAs であるが、高周波電子銃において長時間運転可能なカソードを目指し、上坂班ではアンチモンベースのカソードの開発を行う。
そこで、本研究では、可視光レーザーで駆動できる可能性のある Na2KSb に注目し、高周波電子銃におけるビーム試験を行う。試験に際し、フォトカソード交換システム導入以来、入力高周波パワーに対する反射波の乱れが生じていた。熱解析を通じて、新端板を設計・製作し、電子銃にインストールを行った。最初に電子銃における電磁熱問題について報告する。その後、Na2KSb の可視光及び紫外光におけるビーム特性試験の結果について、報告する。

2．高周波電子銃の熱問題
Na2KSbカソードは高周波電子銃のような、開放系の高周波場における使用例が無い。そのため、高周波電子銃における挙動を確かめるため、特性試験を行う必要がある。しかし
18-Lにおいて、半導体カソードを使用するためのカートリッジ式交換システム導入以後、
以下のような問題点が生じている。
1、 高周波の反射波が0にならない・・・蓄積電力量が約50%
2、 加速管後のエネルギーが設計値22MeVより低い20.8MeVである・・・高周波電

811

子銃の電場が約70%3、電荷量の飽和(レーザパワーを増やしても電荷量が増えない)が3.1nCと低い
この問題は高周波印加時、空洞内に流れる壁電流によって生じるジュール熱が原因と予測できる。従って、高周波電子銃の熱計算を行い(図１)、冷却系の再構築を行う。

図1

高周波電子銃の熱計算

左:温度分布、右:熱膨張分布

図１から分かるように、端板部分の温度上昇が大きく(11.421度)端板部分に冷却部が必要なことがわかる。また、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である。従って、空洞内の蓄積電力が52%、空洞内電場強度が72%になってしまっている。

3. 新端板設計
カートリッジ式交換システムを導入する際、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、端板製作上全体的にSUSが多くなるよう設計された。
しかし、SUSは銅に比べ熱伝導率が小さいため、新端板に追加する冷却管の効果を十分に得るためには、全体的に銅の割合が多くなるように設計する必要がある。図2は設計した新端板の概念図である。全体的に銅の割合を増やしたことで、冷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る。
図3に新端板の熱計算の結果を載せる。端板部分の温度上昇が3.536度と従来の端板に比べ1/3に抑えられている。また、熱膨張による共振周波数のすれも31kHzに抑えられ、空洞内の蓄積電力は97%、空洞内電場は98%とほぼ規定値に近い値が得られた。

9

12

図2

図3

新端板概念図新端板を用いた高周波電子銃の熱計算 左:温度分布、右:熱膨張分布

4. 新端板を用いたビーム発生実験
図4は端板の違いによる反射波の比較である。新端板では、反射波が0近くまで減少しており、空洞内に十分電力が蓄積されていることが分かる。また、測定された電子ビームが22MeV付近であったこともその事実を表している。

Reflect Wave
(mV)

20

新端板波形

0
-20
-40
-60

旧端板波形

-80
-100

-1

0

1

2

3

Time(μs)

図4

新端板と旧端板での反射波

10
13

4

5. Na2KSbのビーム試験
5.1 Na2KSbフォトカソード
Na2KSbは半導体光陰極の一種であり、光電子増倍管などの光電面に用いられている。ギャップエネルギーが1.0[eV]、価電子帯と真空順位の差(電子親和力)が1.0[eV]で、実効的な仕事関数は2.0[eV]と、金属系光陰極やCs-Te光陰極と比べて非常に低いのが特徴であり、Ti;Saレーザーの2倍高調波(400[nm], 3.1[eV])でも駆動できる。オフラインの試験において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６）。

5.2 寿命測定
18L においては、光電効果による電子発生用の励起レーザーとして 0.3[TW]の Ti;Sa レー
ザー(800[nm]:1.5[eV])を用いている。従来の光陰極から電子を取り出すには３倍高調波(266[nm]：4.6[eV])に波長を変換する必要があり、その変換効率は約 2%で、レーザーの大型化や不安定化を招いている。そこで、レーザーの安定化と小型化という観点から、可視光領域である 2 倍高調波(400[nm]:3.1[eV])で動作できるようなフォトカソードの実用化が望まれている。その１つの候補が Na2KSb であり Na2KSb 電子を真空に引き出すために必要なエネルギーは 2.0eV から Ti;Sa レーザーの 2 倍高調波でも駆動できる。また、Cs を用いないことにより、Cs の蒸発による量子効率の劣化がなく、超時間の動作が期待できる。今回
は、レーザーのセットアップ上の都合から、266nm における Na2KSb の寿命測定を行った。
その結果を図４に示す。

図5．約3ヶ月にわたる量子効率の時間変化
電子銃周りの真空系は 140[l/s]のイオンポンプと 3 台の 400[l/s]NEG ポンプからなるが、RF 印可時のイオンポンプの真空度は 1.2×10-9[Torr]、端板後方の真空度は 2.5×10-8[Torr]であった。光陰極交換直後の量子効率として、約 1.2%を得た。また、0.1%の量子効率で約２ヶ月の動作を確認した。

5.3 可視光・紫外光における、飽和電荷量測定
フォトカソードの劣化の主な要因としては、放電による陰極表面の損傷と、真空中の残留ガスの陰極への表面吸着が考えられる。そこで、真空度の向上を図るために、電子銃ま
わりに、４０[l/s]のイオンポンプを増設し、コンダクタンスが悪く、真空への負荷が大き
かったカソード交換機構の部分を、独立で引ける様にした。また、３つあるゲッターポン

11
14

プの再活性化も行った結果、端板裏において、常時 2×10-9[Torr]以下の真空度を確認し、時には 9×10-10[Torr]に到達することもあった。
ポンプ増設の後、新しくカソードプラグを交換し、カソード挿入から約 22 時間後に、ビーム試験を行った。紫外光(266[nm])及び可視光(400[nm])レーザーを用いて、レーザーパ
ワーを変化させ、電子銃出口での電荷量を測定した。その結果を図６に示す。

図6. Na2KSbの電荷量測定。赤点が可視光を、緑点が紫外光による結果を示す。

可視光による電荷量として2.1[nC]を、紫外光による電荷量として5.5[nC]を確認した。
正味の量子効率として、紫外光において0.23[%]、可視光において0.062[%]を得た。しかし
電子銃からとりだせる、最大の電荷量(飽和電荷量)の励起波長による依存性がみられる。
電子銃の共振空洞における加速電場強度は約100[MV/m]程度であり、電子銃として、少なく
とも5.5[nC]の電子バンチを電子銃出口まで輸送できるのであるが、可視光による電子励起
においては、紫外光より低い飽和電荷量となっている。これは、可視光による駆動において、電子発生に対するなんらかの制限が加わっていることを示している。

6. 平成22年度の予定
高周波電子銃において、Na2KSbが可視光において駆動できることは確認できたが、紫外光に比べて、引き出せる電荷量が低いことも明らかになった。可視光レーザーに対して、
紫外光と遜色ない電子発生を目指すために、陰極表面の劣化の主原因を探るため、酸素や水素分圧に対する応答を検討し、劣化のメカニズムを調べる必要がある。現在、原子力機
構所有のMBE装置の立ち上げを行っており、ヒーターアセンブリの導入も完了した。来年度
は、原機構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
担当者

：
：

上坂
作美

充（東京大学大学院工学系研究科原子力専攻）
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）

12
15

参考文献
2009 年度中の発表および掲載
学会での報告神戸浩多、三好邦博、作美明、上田徹、上坂充、「Electromagnetic heat design of S-band
Linac」、第6回日本加速器学会年会2009、日本原子力機構、2009.8
神戸浩多、三好邦博、作美明、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2009秋の年会、東北大学、2009.9
三好邦博、神戸浩多、作見明、上田徹、上坂充 「東京大学におけるNa2KSb光陰極の可視光駆動試験」, 第6回日本加速器学会年会2009、日本原子力機構、2009.8
K.Miyoshi, K.Kambe, A.Sakumi,Y.Muroya,T.Ueda, M.Uesaka 「Commissioning of Na2K
Photocathode RFgun in S-band Linac」, Particle Accelerator Conference 09

13
16

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目指すものである。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。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行く予定である。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り、段階的に開発および実証を行う。

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をとり、かつ 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。FNAL で電子銃空洞の一次加工を行い、その後 KEK において周波数調整を行った。周波数調整は空洞の一部に圧力を加え、変形させることにより行った。図 1 はチューニングの際の周波数変化を表したもので，縦軸が共振周波数、横軸はチューニングの回数である。大気中での目標周波数 1300.16MHz（真空での周波数

図 1：RF 電子銃空洞の共振周波数のチューニング履歴

14
16
17

1300MHz に相当）に対して、最終的に 1300.19MHz と充分に近い周波数へと合わせ込むことができた。その後、ロウ着けなど最終組み立て作業のため空洞はひとたび FNAL に輸送され、2009 年度 3 月に完成した。
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 KEK において設計および製作が進められ、すでにほぼ完成している。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 Institute for Nuclear Research, ロシア)、IAP(Institutefor Applied Physics, ロシア), 大阪大学、広島大学が共同で開発をすすめていたが、システム全体がほぼ完成し、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。

図 2. 四倍高調波の時間プロファイル。約 1ms 長のマクロパルス列が得られている。
表 1 は達成されたレーザー性能およびそれから予測されるビーム電流についてまとめたものである。Yb fiber レーザーオシレーターが 40.6MHz 繰り返しのモードロック動作により種光となるパルス列を生成する。このパルス列を Pockels cell により繰り返し周波数を 2.71MHz に落とした後、0.9ms パルスの切り出しをおこない、５Hz 繰り返しのマクロパルス構造を生成する。切り出されたマクロパルスは Yb fiber プリアンプおよび Nd: YLF ア
ンプによりパルス内平均パワー80W 程度まで増幅され、さらに非線型結晶により四倍高調波へと変換され、最終的に CsTe の光電効果に必要な 262nm の UV 光が得られる。実際に得られた四倍高調波のレーザーはマイクロパルスあたり 1.9J, マクロパルス内平均パワーで5.1W であり、CsTe 陰極の量子効率を 1%と仮定すれば、バンチあたり 3.8nC、平均ビーム電流 10mA が得られる予定である。図 2 に四倍高調波のパルス形状を示す。横軸に時間、縦軸に四倍高調波のレーザーパワーを表しており、およそ 0.9ms のレーザーマクロパルスが得られている。マクロパルス内のパワー変動は rms で３％未満であり、変動 3％以内という要求仕様を満たしている。
コンポーネント
設計値
Yb fiber oscillator
40.6MHz, 50pJ, 2mW
Nd:YLF 出力（1047nm)
2.71MHz, 30J, 81W
四倍高調波(262nm)
2.71MHz, 1.9J, 5.1W
電子ビーム(1%量子効率）
2.71MHz, 3.8nC, 10mA
表 1. L-band RF 電子銃用レーザーと予想される電子ビームの性能
1815

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見込める。
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進めている。500kV 電子銃のための絶縁セラミック、放電およ
びそれによる損傷防止のためのガードリング電極、カソードサポートロッド、GaAs 陰極準備室や電子銃本体部などの極高真空容器などを開発し、すでに多くのコンポーネントを製作した。今年度はこれらを組み上げ、真空試験、高電圧印加試験をおこなった。電子銃本
体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継続している。現在のところ、ベース真空度は 5E-9Pa 程度、HeNe レーザー(波長 633nm)を用いて、活性化直後の量子効率 10%程度を得ている。また 10-40W のレーザーパワーでビームを引きだし、200 時間以上のカソード寿命を得ている。 また独自に極高真空の実証と、それをもちいた長寿命カソード実証試験のために、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た。このシステムにおいて、クライオポンプのみによ
る排気によりすでに 1.0E-9Pa という高い真空度を得た。このシステムに NEG ポンプを加えて、長寿命カソード実現の基盤技術としての極真空の実証をめざす。カソード活性化チャ
ンバーおよびロードロックチャンバーの製作はほぼ終了しており、本体の真空が確立した段階で順次組込みを行う予定である。

図３. 暗寿命を温度の関数としてあらわしたもの。
高温側で急激に寿命の低減が見られる。
GaAs のバルク結晶の仕事関数は 4.9eV であり、そのままでは光電効果を生じさせるのに真空紫外の光が必要であるが、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が、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19

16

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。測定に使用したレーザーは He-Ne(波長 633nm)である。活性化直後、10%程
度の量子効率が得られるが、時間あるいは引き出し電流が増えるに従い劣化していく。図 3は暗寿命（引き出しビーム電流が極めて小さい状態での量子効率劣化の時定数）の温度依存性を示したデータで、室温では 200 時間程度の寿命が得られているが、80℃程度まで加熱すると、寿命は数時間まで減少することがわかった。実線は温度による脱離現象と真空度できまる劣化の二成分を仮定してデータを再現したもので、室温付近では真空度による劣化の成分が、高温部では熱脱離の効果が支配的であることを示している。ここから得られる NEA 表面の活性化エネルギーはおよそ 1.1eV 程度である。このデータから、運転時間として十分な数百時間以上の寿命を得るには、従来言われてきた真空度の向上のみならず、温度を室温程度に保つことが重要であることがわかった。光陰極で 100mA 程度の平均電流を得るには 10W 以上のレーザーを数 mm 径の小さいスポットに照射する必要があり、少なく
とも数十℃の温度上昇が予測される。このデータから高輝度電子源実現のためには、レー
ザーによる加熱の効果も考慮し、カソードの冷却構造を検討し、熱設計を行う必要がある
ことが明らかとなった。

4．開発スタッフ
責任者
担当者

：
：

栗木雅夫（広島大学先端物質科学研究科）
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（2009 年度中の発表および掲載論文）[1] Chie Shonaka, Masao Kuriki, Daisuke Kubo, Hiromi Okamoto, Hiroyuki Higaki,
Kiyokazu Ito, Masahiro Yamamoto, Taro Konomi, Shoji Okumi, Tsuyoshi Nakanishi, “A
study of Lifetime of GaAs Photocathode for High Brightness Electron Source”, Proc.
Of 23rd Particle Accelerator Conference(PAC09), Vancouver, Canada, MO6RFP069, 2009[2] R. Hajima, N. Nishimori, R. Nagai, H. Iijima, M. Yamamoto, T. Muto, Y. Honda,
T. Miyajima, M. Kuriki, “DESIGN AND FABRICATION OF A 500-KV PHOTOCATHODE DC GUNFORERL LIGHT SOURCES”, Proc. Of 23rd Particle Accelerator Conference(PAC09), Vancouver,
Canada, MO6RFP074, 2009[3] 桑原真人、中西彊、奥見正治、金秀光、前多悠也、宇治原徹、竹田美和、山本将博、
本田洋介、河田洋、飯島北斗、西森信行、永井良治、羽島良一、栗木雅夫, “ERL 放射光源
用電子銃のためのフォトカソード開発”, 第六回加速器学会年会、日本原子力開発機構、
8/5-7, WOPSB03, 2009[4] 正中智慧、栗木雅夫、久保大輔、金田健一、岡本宏己、桧垣浩之、伊藤清 一、山本将
博、許斐太郎、奥見正治、中西彊, “GaAs 光カソード加熱によるダーク寿命の低下についての研究”, 第六回加速器学会年会、日本原子力開発機構、8/5-7, FPPSA15, 2009[5]柏木茂、加藤龍好、杉本直哉、古橋建一郎、寺沢賢和、森尾豊、磯山悟朗,杉山陽栄、
浦川順治,早野仁司,久保大輔、正中智慧、栗木雅夫、神戸浩多, “Ｌバンドフォトカソー
ド RF 電子銃の開発 II”, 第六回加速器学会年会、日本原子力開発機構、8/5-7, FPPSA12,2009[6]山本将博、金秀光、前多悠也、宇治原徹、竹田美和、栗木雅夫、正中智慧、久保大輔、
栗栖普揮、本田洋介、宮島司、内山隆司、武藤俊哉、松葉俊哉、坂中章吾、佐藤康太郎、
斎藤義男、本田融、小林幸則、河田洋、西森信行、永井良二、飯島北斗、羽島良一、桑原
真人、奥見正治、中西彊, “KEK における ERL 放射光源用 500kV 電子銃の開発計画”, 第1720

六回加速器学会年会、日本原子力開発機構、8/5-7, FPPSA08, 2009[7]S. Kashiwagi, R. Kato, Y. Morio, K. Furuhashi, Y. Terasawa, N. Sugimoto, G.
Isoyama,H. Hayano, H. Sugiyama, J. Urakawa, K. Watanabe,M. Kuriki, C. Shonaka and“ Development of a Photocathode RF Gun for an L-band Electron Linac”,
D. Kubo, ”
Proceedings of FEL2009 (Liverpool, UK), TUPC20, 2009[8] N. Nishimori , R. Nagai, H. Iijima , R. Hajima, M. Yamamoto, T. Muto, Y. Honda,
T. Miyajima, M. Kuriki, M. Kuwahara, S. Okumi, T. Nakanishi, “DEVELOPMENT OF A
500-KV PHOTO-CATHODE DC GUN FOR THE ERL LIGHT SOURCES IN JAPAN”, Proceedings of
FEL2009 (Liverpool, UK), TUPC17, 2009[9]M. Kuriki, C. Shonaka, D. Kubo, H. Okamoto, H. Higaki, K. Ito,M. Yamamoto, T. Konomi,
S. Okumi, M. Kuwahara, T. Nakanishi, “Darklifetime degradation of GaAs cathode”,
Proceedings of Workshop on Ultrafast electron and photon beams (Xian, China), tobe published in Nucl. Instr. and Meth. A, 200918
21

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、平成 2１年度より本プロジェクトに本格的に参画した。本プロジェク
トで開発する 500 kV DC 電子銃の高電圧導入部を小型化・高信頼化することを目的に、高電圧試験装置を製作した。特に、本番の電子銃と同レベルの真空度での評価を可能とするため、チタン製の真空容器を採用し、質量分析によって真空の質と耐電圧の関係を解析可能な装置構成とした。
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５００
ｋV 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 107～12Ω・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、セラミックス管の形状を最適化して電界を均一化することで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。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、実体系の高耐電圧セラミックス管の設計に先立って、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必要がある。
今年度は、部品レベル、処理レベルでの耐電圧評価が可能な高電圧試験装置の設計と製作を行った。これらの成果を以下に述べる。

19
22

２．高電圧試験装置
高電圧試験装置の概念図を図１に示す。Ti チャンバー、セラミックス管、真空計などの真空部品は、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。DC 電子銃に近い真空条件で耐電圧試験することで、真空度の違いによる不確定さを排除する。
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
分圧計

TMP
IP
DRP

直線導入機
A

図１

高電圧試験装置の概念図

TiチャンバTMP

IP
図２

分圧計（質量分析計）

高電圧試験装置の外観

2023

図２は実際の装置外観である。現在はセラミックス管を未装着状態で真空排気を進めており、図３の排気特性のように真空漏れがないことを確認した。図４の分圧データに示すように常温での排気では質量数１８の水と質量数２の水素が残留する予想通りの状態であることが確認できた。今年度中に加熱脱ガス後の到達真空度 5×10-9Pa を達成
できる見通しである。
1E-03
1E-03

圧力
圧力 Ｐ
Ｐ （Pa）
（Pa）

1E-04
1E-04

1E-05
1E-05

1E-06
1E-06
0.1
0.1

11
排気時間 ｔｔ （hr）
（hr）
排気時間

10
10

図３ 常温での到達真空度

1E-04

圧力 P （ Pa ）

1E-05
1E-06
1E-07
1E-08
1E-09
0

50

100
150
質量数
チタンチャンバ 初回排気時マススペクトル（8hr後）200

図４ 分圧測定結果

３．まとめ、次年度の予定
２００９年度は、DC 電子銃の部品レベル、処理レベルでの耐電圧評価が可能な高電圧試
験装置を製作した。製作した高電圧試験装置は常温での真空排気試験まで実施した。次年
度は、セラミック管を装着し、３００ｋV の電圧印加を確認した後、テストピースを装着して耐電圧試験を行う。これにより DC 電子銃の小型化・高信頼化設計・製造に不可欠な耐電圧基礎データを取得する。さらに、耐電圧基礎データに基づいて、小型・高信頼５００ｋV

2124高耐電圧セラミック管の概念設計を完了する予定である。

開発スタッフ
責任者
担当者

：
：

小瀬 洋一（日立ハイテクノロジーズ）
江見 恵子、橘内 浩之、石井 良一、佐藤（日立ハイテクノロジーズ）

修、大橋

利幸

参考文献（２００９年度中の発表および掲載論文）[1]. “耐電圧試験装置の開発進捗” 高輝度電子源検討会（2009 年 12 月, 高エネルギー加速器研究機構）, 小瀬洋一

22
25

C-2.
C-2. 直流高圧電子源開発
直流高圧電子源開発
Developmentof High-Voltage
High-Voltage DC
DC Electron
Electron Guns
Guns
Development of
概
概 要
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。直流高圧電子源の 500 kV 電子源の主要な開発要素である絶縁セラミック管について、分割型セラミック管とガードリングを組み合わせた独自の設計を採用し装置の製作を行った。高電圧試験の結果、光陰極直流電子源
として世界最高となる 500 kV の安定な電圧印加に成功した。
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、電子源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源として、半導体光陰極を備えた直流高圧電子源（フォトカソード DC 電子銃）を採用し、開発を進めている。このタイプの電子源を採用した理由は次の通りである。(1) フォトカソード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 電子源（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、直流高圧電子源
は容易に CW 運転を行うことができ、また直流電源の容量次第で大電流にも対応可能である。
図１に開発中の直流高圧電子源の構成を示す。空間電荷効果による電子ビームエミッタ
ンスの増大を抑止するためには、電子を高電界、高電圧で引き出す、すなわち、カソードとアノードの間隔を短くする必要がある。このような理由により、絶縁セラミック管を貫通するサポートロッドを使ってカソードを真空チェンバーの中央に設置している。サポー
トロッドはフォトカソードを備えた直流高圧電子源に特有の構造であり、一般的な直流加速管（静電型イオン加速器など）には存在しない。
低エミッタンス大電流ビームの発生を目指した直流高圧電子源は、自由電子レーザー(FEL)やエネルギー回収型リニアック(ERL)を目的として、これまで研究が行われてきたが、350 kV の運転実績（米国ジェファーソン研）が最大電圧であった。高電圧化を阻む最大の障害は、サポートロッドからの電界放出電子がセラミック管を破損する現象である。図２（左）に示すように従来型のセラミック管ではサポートロッドから放出された電子がセラミック管の内表面に直接到達する。この時、局所的に電子が集中すると放電によってセラミックが割れる（クラック）または貫通孔が開く（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。
今年度は、別途製作したセラミック管、サポートロッド、ガードリングを装着して高電圧印加試験を行い、直流高圧電子源の世界最高電圧 500 kV を達成した。さらに、陰極表面洗浄装置、極高真空用排気装置、ビームダンプの製作を行い、電子ビーム引き出し試験に着手した。これらの成果を以下に述べる。

２．直流電子源のための絶縁セラミック管の開発と高電圧印加試験
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２（右）、
図３）。設計では、500 kV 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

23
26

電界が 10 MV/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 用熱陰極電子源(250 kV)、
名古屋大学の偏極電子源(200 kV)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。製作した分割型セラミック管を図４に示す。
セラミック管の分割数、ガードリングの形状の最適化設計を行った結果、分割数を 10段としガードリングの形状を決定した。セラミック管の各段の長さは 65 mm であり直径は400 mm である。サポートロッドの直径は 101.6 mm でありガードリングの内直径はサポート
ロッドのほぼ 2.7 倍とした。静電場シミュレーションコード、POISSON による電場計算の結果、ガードリングを順方向とした場合のガードリング表面とサポートロッド表面でのそれ
ぞれの最大電場は 6.83 MV/m と 8.34 MV/m であり、逆方向とした場合は 13.9 MV/m と8.67 MV/m である。各段の分割抵抗は 500 MΩ とした。ガードリングの方向については順方向の場合は各部分での電場を小さくでき、逆方向の場合の電場はやや大きくなるが X 線等
により放出される 2 次電子をガードリングで抑えることができる。セラミック管およびガードリングは両方向の設置が可能な形状で製作されている。ガードリング、サポートロッ
ド、真空チャンバの材質はガス放出速度、2 次電子放出係数、スパッタリン係数に配慮しす
べてチタン製とした。
高電圧電源、セラミック管は+0.2 MPa の SF6 ガス中で使用されることを前提に製作されており、高電圧印加試験はその SF6 ガス中で行った。排気速度 1 m3/s の磁気軸受け型ター
ボ分子ポンプによりセラミック管内部と真空チャンバ内の排気を行い、約 8 時間、最高温度 190℃のベーキングを行い 3×10-8 Pa 以下の真空度に到達した後に高電圧の印加を開始した。250 kV 程度から真空中での小さな放電が現れその後約 110 時間程度コンディショニン
グで 550 kV まで到達した（図５）。550 kV までのコンディショニングを完了した後、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を行った。8 時間にわたり一度も放電を生じることなく、連続運転試験をクリアーした（図６）。また、図７に示すビームダ
ンプ等の製作を行った。

24
27

図１：開発中の直流高圧電子源の構成。絶縁用のセラミック管の上端に負電位（-500 kV）を印加する。カソード電極の中央にフォトカソードが装着され、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。

25
28

図２：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。

図３：

ガードリングにより、電界放出電子がセラミック管に衝突することを防ぐ。

図４：

絶縁タンク内に据えつけられた分割型セラミック管の様子。

26
29

図５： 550 kV までの高電圧コンディショニングの履歴。累計約 110 時間で 550kV までの電圧印加に成功した。

図６：光子源のユーザー運転を想定し 8 時間連続で電圧を印加した際の印加電圧、負荷
電流、真空度、放射線量の様子である。これらの挙動から 8 時間、無放電で安定に電圧2730を印加出来ていることが分かる。

図７：製作したビームダンプの写真。

３．まとめ、次年度の予定
2009 年度は、昨年までに製作した直流高圧電子源（DC 電子銃）の絶縁セラミック管、ガードリング、サポートロッド、高電圧電源を組み合わせて、絶縁セラミック管の高電圧試験を行った。高電圧コンディショニングでは 550 kV の電圧まで印加した。また、500 kV で
8 時間の無放電記録を得た。これは光陰極直流電子源として世界最高の電圧であると同時に、フォトカソードと組み合わせて 0.1 mm-mrad のエミッタンスを持つ高輝度大電流電子ビー
ムを生成可能な性能である。来年度は、ビーム引き出し試験を進める予定である。

開発スタッフ
責任者 ： 羽島 良一（日本原子力研究開発機構）
担当者 ： 永井 良治、西森 信行、飯島 北斗(平成 21 年 6 月 30 日まで)（日本原子力研究開発機構）

参考文献（２００９年度中の発表および掲載論文）
[1]

[2]

[3]
[4]

“JAEA/KEK Gun Status”, N. Nishimori, R. Nagai, H. Iijima, R. Hajima, M.
Yamamoto, T. Miyajima, T. Muto, Y. Honda, M. Kuriki, M. Kuwahara, S. Okumi,
T. Nakanishi, The 45th Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop on Energy
Recovery Linacs (ERL09), Ithaca, USA, June 2009.
“ERL 放射光源用 500 kV DC 電子銃の光陰極準備システムと高電圧真空容器の開発”, 西森信行, 永井良治, 羽島良一, 飯島北斗, 山本将博, 武藤俊哉, 本田洋介, 宮島司, 栗木雅夫, 桑原真人, 奥見正冶, 中西彊, 第 6 回日本加速器学会年会, 茨城, 2009 年 8 月“ERL 放射光源用 500 kV DC 電子銃の高電圧印加試験”, 永井良治, 西森信行,
羽島良一, 飯島北斗, 山本将博, 武藤俊哉, 本田洋介, 宮島司, 栗木雅夫, 桑原真人, 奥見正冶, 中西彊, 第 6 回日本加速器学会年会, 茨城, 2009 年 8 月“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.

28
31

Miyajima, T. Muto, Y. Honda, M. Kuriki, M. Kuwahara, S. Okumi, T. Nakanishi,
The 31st International Free Electron Laser Conference, Liverpool, UK, Aug.
2009.
[5]
“次世代 ERL 放射光源のための 500 kV 光陰極電子銃の開発”, 西森信行,永井良治, 飯島北斗, 山本将博, 武藤俊哉, 本田洋介, 宮島司, 栗木雅夫, 奥見正冶,
中西彊, 羽島良一, 日本原子力学会 2009 年秋の大会, 仙台, 2009 年 9 月[6]“次世代放射光源のための 500 kV-DC 電子銃の光陰極準備・電子銃容器開発の現状”, 西森信行, 羽島良一, 永井良治, 飯島北斗, 本田洋介, 武藤俊哉, 山本将博, 桑原真人, 奥見正治, 中西彊, 栗木雅夫, 第 7 回高輝度高周波電子銃研究会、
仙台, 2009 年 11 月
[7]
“ERL 放射光源のための低エミッタンス大電流電子銃の開発”, 羽島良一, 永井良治, 西森信行, 飯島北斗, 本田洋介, 武藤俊哉, 山本将博, 桑原真人, 奥見
正治, 中西彊, 栗木雅夫, 日本放射光学会年会, 姫路, 2010 年 1 月[8]“次世代光量子源用 500kVDC 電子銃の高電圧印加試験”, 永井良治, 西森信行,
羽島良一, 飯島北斗, 本田洋介, 武藤俊哉, 山本将博, 桑原真人, 奥見正治, 中西彊, 栗木雅夫, 日本原子力学会 2010 年春の年会、水戸, 2010 年 3 月[9]“次世代放射光源のための DC 電子銃光陰極準備・電子銃容器開発の現状”, 西
森信行, 永井良治, 羽島良一, 飯島北斗, 本田洋介, 武藤俊哉, 山本将博, 桑原
真人, 奥見正治, 中西彊, 栗木雅夫, 日本原子力学会 2010 年春の年会、水戸,2010 年 3 月[10] “エネルギー回収型リニアック次世代放射光源のための要素技術開発とコンパク
ト ERL の建設”, 羽島良一, 中村典雄, 坂中章悟, 小林幸則, 「加速器」Vol.6,
No.2, 149-157. 2009 年 7 月[11] “High-voltage testing of a 500-kV dc photocathode electron gun”, R. Nagai,
R. Hajima, N. Nishimori, T. Muto, M. Yamamoto, Y. Honda, T. Miyajima, H.
Iijima, M. Kuriki, M. Kuwahara, S. Okumi, T. Nakanishi, Review of Scientific
Instruments, 81, 033304 (2010)2932

直流高圧電子源開発
CW 超伝導加速空洞研究開発
C-3.C-2.
DC Electron
Development
R&D onof
CWHigh-Voltage
Superconducting
Cavity Guns
概 概要
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 ダンパーの開発を進めた。
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）が立ちにくい空洞が必要である。そのため昨年度は、HOM の Q
値の低い空洞を設計・製作した。超伝導空洞の空洞壁では HOM 損失がほとんどないため、空洞内で励起された HOM 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。そのため HOM ダンパーの性能が実際の空洞の Q 値の大きさに影響する。超伝導空洞は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、2K の低温に冷却される。そして HOM ダンパーは空洞間に配置されるため、空洞と共にクライオモジュールの中に設置される。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 HOM ダンパーで使用される高周波吸収体も低温での使用になるため、広範囲の周波数での吸収特性に優れたものであるだけでなく、低温においても十分な吸収特性を持つことが要求される。しかしこれまでの HOM ダンパーは常温で用いられるタイプのものがほとんどであったため、フェライト、セラミックなどの各種材料の高周波特性に対する低温温度特性を系統的に測定した例はない。そこで、われ
われは、GM 冷凍機を用いた低温試験装置を用いて、常温から 40K の低温にわたって複数種類の高周波吸収体の誘電率、透磁率の周波数特性および温度特性を測定し、HOM ダンパーに最適な高周波吸収体を選択した。

30
33

8
6
4
2
0

0

50

100

150

温度 (K)

200

250

300

Co2Z

2GHz
3GHz
4GHz
5GHz
6GHz
7GHz
8GHz
9GHz
10GHz

10

比透磁率（虚数部）

比透磁率（虚数部）

IB004

2GHz
3GHz
4GHz
5GHz
6GHz
7GHz
8GHz
9GHz
10GHz

10

8
6
4
2
0

0

50

100

150

温度 (K)

200

250

300

図１ 2 種類のフェライト（IB004、Co2Z）の比透磁率の虚数部の温度特性の測定結果。
2GHz から 10GHz の周波数範囲を表示。Co2Z(右)は低温になるにつれて比透磁率が小さくなるのに対し、IB004(左)は低温ほど比透磁率が大きくなるため、HOM ダンパーの高周波吸収体に適している。

２． HOM ダンパー材料の高周波特性の測定
低温試験装置は GM 冷凍機の先端にヒーターと温度計を取り付けた低温ステージを設置
し、断熱真空槽の中に設置する。測定材料を外径 7mm、内径 3mm のドーナッツ状に加工し、専用の同軸ホルダーに収納して低温ステージに固定し、ネットワークアナライザを用いてサンプルの透過率・反射率を測定し、誘電率・透磁率を求める。このとき低温ステージのヒーターを加熱・制御することによって低温ステージ上のサンプルの温度を変えながら測定することができる。計 8 種類のフェライトとセラミックについて 50MHz～10GHz、
40K～280Kまでの測定を行ったその結果の例を図１に示す。フェライト IB004 のように低温ほど透磁率の虚数成分（高周波の吸収に関係する）が大きくなる素材が HOM ダンパーの高周波吸収体として最適である。
HOM ダンパーとしてビームパイプを伝播してきた HOM をすべて吸収するのが理想であるが、現実の HOM ダンパーにおいては高周波吸収体の厚みや長さ、設置位置などによって反射したり、透過したりする割合が変わる。そのため電磁波解析コードを用いて HOM ダンパーにおける高周波吸収体のサイズや位置の最適化を行った。フェライトの長さおよび厚さを変えたときのフェライトの Q 値を図２に示す。フェライトが長くなるに連れて HOM の Q
値が減少していくが、フェライトの設置場所を変えたときのフェライトの Q 値が最小にな
る位置および値はほぼ同じになっている。また長くなるに連れて設置場所による変化も減
少していく。フェライトが 8cm 以上であればその差は 30%以下となる。次にフェライト厚さに関しては、厚くなるほど、フェライトの Q 値の最小値は小さくなるが、最大値と最小値の差は反対に大きくなる。これは条件が合えば大きな吸収特性が得られるが、条件が外れた場合はあまり吸収されなくなることを意味する。フェライトが厚くなるとビームパイプ
を進行する HOM とのマッチングが悪くなって反射が増えるため、逆に損失が減るためと考
えられる。

31
34

フェライト長さ
フェライト長さ

5cm
5cm
6cm
6cm
7cm
7cm
8cm
8cm
9cm
9cm
10cm
10cm
11cm
11cm

フェライトＱ値

200000200000150000150000100000100000フェライト厚さ
フェライト厚さ

140000140000

1mm
1mm
2mm
2mm

1200001200003mm
3mm

100000100000フェライトＱ値

250000250000

4mm
4mm
5mm
5mm

80000
80000
60000
60000
40000
40000

50000
50000
00

20000
20000
35
35

40
45
50
55
60
40
45
50
55
60
エンドセル・アイリスからフェライトまでの距離
エンドセル・アイリスからフェライトまでの距離 (cm)
(cm)

65
65

00

35

40
45
50
55
60
エンドセル・アイリスからフェライトまでの距離 (cm)65

図２ フェライトの長さ（左）、厚さ(右)によるフェライト Q 値の変化。(左)フェライ
トが長くなるにつれて、フェライト Q 値が減少し、位置による変化も小さくなる。（右）フェライトが厚くなるとフェライト Q 値の最小値は減少するが、最大値も増加し、フェライト位置による影響が大きくなる。

３． HOM ダンパーの試作測定結果をもとに HOM ダンパーの試作機の設計・製作を行った。フェライトの脱落を防
ぐため、フェライトと下地の金属との接合が強固な熱間等方加圧焼結法（Hot Isostatic
Pressing :HIP）によりフェライトを焼結させる方法を用いる。またフランジ接続の自由度
や熱収縮の余裕のため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部分に櫛歯が互いに噛み合った構造をしている櫛歯型 RF ブリッジを用いた。RF 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、RF 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。しかし、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 RF 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３に示す。HOM ダンパーの冷却特性を調べるために図４のようなフェライトなしの HOM ダンパー試作機を製作した。

32
35

4Kアンカー
80Kアンカーベローズ

櫛歯型RFブリッジ
フェライト
図３

図４

HOM ダンパー試作機の概略図

フェライトなし HOM ダンパー試作機

３．まとめ、次年度の予定
直流高圧電子源と組み合わせて大電流を CW で加速するための超伝導加速空洞における主要な要素機器である HOM ダンパーの開発を進めた。液体窒素温度で良好な高周波特性を有するフェライト材料を選定し、HOM ダンパーの試作を行った。今後は、試作機の液体窒
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する予定である。

33
36

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（２００９年度中の発表および掲載論文）[1] “KEK ERL HOM Absorber Development”, M. Sawamura, T. Furuya, K. Umemori, H. Sakai,
K. Shinoe, The 45th Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs(ERL09), Ithaca, USA, 2009 年 6 月[2] “KEK ERL Cryomodule Development”, H. Sakai, T. Furuya, E. Kako, S. Noguchi,
S. Sakanaka, T. Shishido, T. Takahashi, K. Umemori, K. Watanabe, Y. Yamamoto, M.
Sawamura, K. Shinoe, The 45th Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery
Linacs (ERL09), Ithaca, USA, 2009 年 6 月[3] “ERL 用 HOM ダンパーの開発”, 沢村勝, 梅森建成, 古屋貴章, 阪井寛志, 篠江憲治,
第 6 回日本加速器学会年会, 茨城, 2009 年 8 月[4] “ERL HOM Absorber Development”, M. Sawamura, T. Furuya, K. Umemori, H. Sakai,
K. Shinoe, 14th International Conference on RF Superconductivity (SRF 2009)2009 年 9 月[5] “Development of Input Coupler for ERL Main Linac”, H. Sakai, A. Ishii, K. Umemori,S. Sakanaka, M. Sawamura, K. Shinoe, T. Takahashi, N. Nakamura, T. Furuya, 14th
International Conference on RF Superconductivity (SRF 2009), 2009 年 9 月[6] “Status of 9-cell Superconducting Cavity Development for ERL Project in Japan”,
K. Umemori, T. Furuya, H. Sakai, T. Takahashi, K. Shinoe, M. Sawamura, 14th
International Conference on RF Superconductivity (SRF 2009), 2009 年 9 月[7] “Compact ERL Linac”, K. Umemori, T. Furuya, E. Kako, S. Noguchi, H. Sakai, T.
Shishido, T. Takahashi, K. Watanabe, Y. Yamamoto, K. Shinoe, M. Sawamura, 14th
International Conference on RF Superconductivity (SRF 2009), 2009 年 9 月[8] “ERL 主加速器のためのモジュール開発の現状”, 梅森建成, 阪井寛志, 沢村勝, 篠江
憲治, 高橋毅, 古屋貴章, 日本放射光学会年会, 姫路, 2010 年 1 月[9] “ERL 用 HOM ダンパーの冷却試験”, 沢村勝, 梅森建成, 古屋貴章, 阪井寛志, 篠江憲
治, 日本原子力学会 2010 年春の年会、水戸, 2010 年 3 月[10]“エネルギー回収型リニアック次世代放射光源のための要素技術開発とコンパクト
ERL の建設”, 羽島良一, 中村典雄, 坂中章悟, 小林幸則,「加速器」Vol.6, No.2, 149-157.
2009 年 7 月[11]“Eccentric fluted beam pipes to damp quadrupole higher order modes”, M. Sawamura,
T. Furuya, H. Sakai, T. Takahashi, K. Umemori, K. Shinoe. Physical Review Special
Topics – Accelerator and Beams, 13, 022003 (2010)37

34

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
蓄積装置開発を行っている。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 21 年度は，4 鏡共振器の試作器を作成し，その特性の測定と計算の比較から共振器の詳細設計に向けたデータを得た。これと平行して，
KEK-ATF 加速器における 2 鏡共振器のパスル蓄積率の増大，それに伴う共振器制
御精度の向上と光子生成の実証による加速器運転下におけるレーザー蓄積共振器動作技術開発を行った。
1. 平成２１年度開発事業
本事業では、パスル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2 項目を同時に達成するため、本事業に置いては、4 枚の鏡からなるリング型の共振器の開発を行っている。平成 20 年度は，3 次元 4 鏡光共振器を光学定盤上に構築しその基本特性の測 図 １ 平成 20 年度に構築した 3 次元 4 鏡定を行った（図１）。その結果，3 次元構成の 共振器試験テストベンチ
4 鏡光共振器は，左右円偏向のレーザーを分離して蓄積することができ，高速切り替え可能な
円偏向Ｘ線源の構築に非常に有用であることを見いだした。また，実際の加速器運転下におけるレーザー共振器の制御とレーザー電子散
乱による光子生成技術の習得のため，KEK-ATFに 2 鏡共振器を導入して光子生成実験を遂行した。
21 年度は一体型 3 次元 4 鏡共振器を試作し特性の実測や鏡の位置調整方法等の工学的観点からの問題点の洗い出しなどを行った。また 図 ２ 平成 21 年度に作成した 3 次元 4 鏡共
ATF 実験では，高反射率の鏡の導入によるレー 振器試作器
ザー蓄積率の増大を測った。これらと平行して，光共振器の高精度制御のためのデジタルフィードバックシステムの開発ベンチを準備し，その開発に着手した。
3 次元 4 鏡共振器の試験

3835図２に本年度作成した 3 次
元 4 鏡光共振器の試作器を示す。2 枚の平面鏡と 2 枚の集
光用凹面鏡から構成されるリング型共振器である。図 3 は4 枚の鏡の配置を示している。
レーザー伝搬経路上の鏡間距
離は 42cm，周長は，168cm である。また，共振器の周長（すなわちレーザーの共振条件）
を変えずに，鏡間の相対距離 図 3 3 次元 4 鏡共振器の光学系配置。本試作器では，を変更することができるよう d1~d4 の設計値は 420mm。は共振器の周長を変えずに鏡~になっており，共鳴状態を維 の相対位置を変える場合の変化量（本文参照）。
持したまま，レーザーの集光
条件を変化させて，レーザー
光の伝搬や集光の状況を調べることができる。
光共振器はその原理上，共振器内部の光の状態を直接観測することはできないため，共振器外部における透過光測
定から内部状態を計算によって推測する必要がある。そのために，3 次元 4 鏡共振器内及び透過光の伝搬計算の方法を確立した。その過程に於い 図 4 共振器からの透過光の測定セットアップ。共振器て，3 次元共振器中では，光 からの透過光（赤線）を光センサー（PD）で測定する。
の像が楕円形となり，楕円の軸が回転しながら伝搬していることが分かった。これ共振器内の光が軌道角運動量をもった状態を形成して伝搬していることを意味している。図4,5 に共振器外部における透過光測定のセットアップと光の像の測定結果を示す。測定
結果と計算は良く一致してお図 5 図４の装置によって測定した透過光の形状（左）り，これをもとに共振器内にと=2mm における計算結果（右図）

図 6 共振器内の集光点近傍におけるレーザー光の形状。図 3 中のパラメータ d=0.2mm の場合。z=0 が集光点に対応しており，そこにおいて，楕円の長軸，短軸はそれぞれ約 37m，
30m である。

36
39

おける光の伝搬を計算することの妥当性を示している。共振器内部のレーザー集光点近傍における像の変化を図 6 に示す。前述のように，4 鏡共振器では，共振条件を維持したまま，鏡の相対位置を変えることによって共振器内の集光点における集光状態を変えることができるが，図はレーザーを小さく集光するようにした場合（=0.2mm）である。計算の結果，集光点において，レーザーを強く集光すると，それに伴って，光の像がより扁平になることが分かった。また今回試作した共振器の構造では楕円の長軸約 37m，短軸約 30m が限界であることが判明した。この限界は鏡の配置に依存することが分かっている。今回の試作器では鏡間の距離が総て等しい配置になっているが，今後この計算を基に，より小さな集光経を可能とする共振器の形状を探索する。
これらと平行して，より高精度の共振器制御のためのデジタルフィードバックシステムの開発を目指して，FPGA によるプログラム可能な高速 AD-DA ボードを購入し，フィードバ
ックシステム開発に着手した。平成 22 年度はこの基本技術の開発を目指している。
レーザーと電子線によるγ線生成実
験KEK－ATF において、パスルレーザーと 2 鏡ファブリペロー型共振器を用いたγ線生成実験を行い、実際の加速器
運転下における共振器の動作とレーザ

図 ７ KEK-ATF に導入された 2 鏡共振器
ー・電子散乱によるγ線生成の実証を行った。
平成 20 年度は、反射率 99.6%の鏡で共振器を構築し，入射レーザーの約250 倍を蓄積することに成功したが，本年度は一方の鏡を反射率 99.9%のものに交換した。これによってレーザー強度の増大率を約 760 倍に向上することが可能となった。その反面，高い増大率を達成するための共振器制御により高い精度が必要となった。昨年度の場合，共振状態の維持に必要な 2 鏡間の距離の精度は 0.6nm 以下であったが，増大率の向上にともなって，0.3nm 図 8 レーザー・電子散乱において測定されたγ線以下の精度が必要となった。その一方，のエネルギー分布。
レーザーと加速器の電子との衝突のためには，レーザーパルスと電子バンチの間のタイミ
ングの制御も同時に行わなければならい。一般に，共振器の蓄積率維持のための高精度・高速フィードバックとタイミングの制御は相反するが，共振器状態のモニター信号におけるノイズの低減やフィードバックシステム構成の改良によって，平均 760 倍の蓄積率を維持した状態で 2ps のタイミングゆらぎを達成した。2ps はレーザーのパルス長(5ps) および，
電子バンチ長(30ps)に比べて短く，レーザー電子衝突実験に十分な性能である。図８に今回得られたガンマ線のスペクトルを示す。図は 1 個のレーザーパスルと 1 個の電子バンチの衝突によって得られたガンマ線のエネルギー分布をしめしており，平均 265MeV は 1 回の衝突あたり，10.5 個の光子生成に対応する。

2. 平成 21 年度のまとめと 22 年度計画

3740

3 次元 4 鏡共振器開発
共振器の試作器による測定と計算の比較から，内部における光伝搬の計算方法を確立した。その結果をもとに以下の研究開発を目指す。

試作器の運用によって判明した鏡の位置制御などにおける工学上の改良。
レーザー・電子衝突の効率の観点から共振器内のレーザーの集光状態を最適化す
る 4 鏡の構成設計

以上をもとにした 4 鏡共振器の開発
高精度共振器制御システム開発
平成 21 年に購入した高速 AD-DA ボードをもとにデジタルフィードバックシステムの開発を進める。また，共振器本体だけでなく，光学系全体の制御の効率化と高精度化をめざし
た，空間位相変調器をシステムに取り入れるための開発に着手する。
KEK-ATF における光子生成実験の推進
平成 2１年度に高反射率鏡によるレーザー蓄積率の増大とそれによる生成光子強度の向上に成功した。22 年はさらに蓄積率を増大させる。それによって，加速器運転条件下における共振器制御技術のさらなる向上と光子生成の実証をめざす。
また，協力して研究をすすめている，フランス線形加速器研究所のグループが独自に開発した 4 鏡共振器を KEK-ATF に組み込むことを計画している。この作業を共同で行い。本事業にその結果をフィードバックする。

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）

学会発表など赤木智哉

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 第 6 回日本加速器学会 2009 年 8 月
永田修司 高輝度偏極光子源の為の新型レーザー蓄積共振器の開発 I 日本物理学会
2009 年分科会 2009 年 9 月
三好修平 高輝度偏極光子源の為の新型レーザー蓄積共振器の開発 II 日本物理学会
2009 年分科会 2009 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共振器を用いたガンマ線生成実験 日本物理学会第 65 回年次大会 2010 年 3 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 日本物理学会第 65 回年次
大会 2010 年 3 月
高橋 徹
Status of the Compton Experiment at the ATF
TILC09高橋 徹
Status of the Compton Experiment at the ATF
Photon09
高橋 徹
4 Mirror Cavity R&D in Japan
PoiPol2009
高橋 徹
Compton Experiment at the ATF“a status report” 2009 Linear Collider
Workshop of America
高橋 徹
Status of the optical resonant cavity development LCWS/ILC10
大森 恒彦 Compton experiment at ATF
LCWS/ILC10
公表論文
S. Miyoshia, T Akagia, S. Arakib, Y. Funahashib, T. Hirosec, Y. Hondab, M. Kurikia,
X. Lid, T. Okugib, T. Omorib, G. Peid, K. Sakauec, H. Shimizub, T. Takahashia, N.
Terunumab, J. Urakawab, Y. Ushioa and M. Washioc “Photon generation by laser-Compton
scattering at the KEK-ATF”, arXiv:1002.3462v1, (Nuclear Instruments and Method 誌

3841

に掲載受理 http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2010.03.075)
Hirotaka Shimizu, Sakae Araki, Yoshisato Funahashi, Yosuke Honda, Toshiyuki Okugi,
Tsunehiko Omori, Nobuhiro Terunuma, Junji Urakawa, Masao Kuriki, Shuhei Miyoshi,
Tohru Takahashi, Yasuaki Ushio, Tachishige Hirose, Kazuyuki Sakaue, Masakazu Washio,Pei Guoxi, Li XiaoPing, et.al. “Photon Generation by Laser-Compton Scattering Using
an Optical Resonant Cavity at the KEK-ATF Electron Ring”, Journal of Physical Societyof Japan, Vol. 78, No.7, 074501-1 -- 074501-7 (2009)39
42

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 年度完成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た高電界を出せるものである。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と高次モード減衰の開発研究のため、HOM ダンパー付き２セル空胴および 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を行なった。平成２１年度の最も重要な成果は、HOM ダンパー付き２セル空胴およびHOM ダンパー付９セル加速空洞を縦型試験クライオスタットに装備して高電界試験を行い、初期の性能を達成した事である。これは表面処理工程と空洞アセ
ンブリー工程に改善の効果があった事を示している。次年度の目標は、これらの結果を組入れた実機の製作に取り掛かる予定である。
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は、加速効率を上げるために加速セルを多連化して、かつ HOM を減衰させる構造を持たせ、かつビーム通過アパーチャーを拡げてウェーク場の影響を極小化するような加速構造とする設計である。材質は高純度のニオブ材を使用し、成形はプレス加工、バルジ加工などにより行い、溶接部での不純物混合やボイドなどを避けるため真空中での電子ビーム溶接により製作していく。高い加速勾配を得るためにさらに重要なのは RF 場がかかる空洞内面の平滑度と清浄度である。製造過程で平滑度を保ち、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コンタミの付着を無くする事が重要である。本開発では、このような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って、製作誤差の評価と内面平滑度の評価を行う。さらに表面処理を行ないその内面検査を行なって、表面処理の評価を行い、最終的に高電界試験を行う。図１に開発中の９セル加速空洞の縦型高電界試験結果の１例を示す。この例では 37.8MV/m の高電界まで加速電場を上げる事ができた事を示している。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、それに近い性能まで到達している。

40
43

図１：９セル加速空洞 MHI-008 の縦測定結果

2. ２セル超伝導空洞の開発
より大電流の加速を行なう時の問題点はビーム加速に供する高周波大電力を空洞に供給する必要がある事、また、その大電流により励起される HOM のパワーを効率よく取出す事である。これを両立させるためには、HOM の引き出しを容易にする極小連結セルである２セルを採用した。大電力を扱う事のできる入力カップラーを多数装備してより大電力を空洞に供給できるようにし、効率よく HOM にカップルできる HOM ダンパーを数多く配置し、それらをシンメトリーに配置してウェーク場の偏りをさける構造とした。図 2 に示した試作
空洞は入力カップラー2 台と HOM 取出カプラーを 5 台装着しているものである。本年度の開発研究においてこのような２セル加速空洞の試作開発を行なった。
本年度に試作された２セル空洞を縦型クライオスタットに設置して高電界試験がおこなわれた。その結果を図３に示す。温度 2K での電界性能は 43.7MV/m まで到達し、初期の性
能目標 15MV/m を大きく上回った。Q 値が低く測定されているのは、この測定のためだけに装着しているアンテナつきステンレス製端板の高周波ロスから発生しているもので、空洞そのものの性能ではない。

図２：２セル加速空洞

4144

図３：２セル加速空洞の縦型高電界試験結果

4.

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一定に保持しなければならないが、実際には、
電磁界応力による空洞変形でローレンツ・デチューニングが起こり、時間とともに空洞共振周波数が大きく変化して離調していき、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、さらに入射電力と入射高周波位相を制御するRFフィードバックをONにして、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。
本開発研究の関連研究であるビーム加速のための試験として横置きクライオスタットに装着した９セル超伝導空洞のパルスRF運転試験が準備中である。ここでは、各種のピエゾ
チューナーが試験される予定であり、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る。図４にその組立状況の写真を示す。ブレードチューナーとサクレー型チューナーのそれぞれにピエゾチ
ューナーを組込んでいるところである。２１年度中は、横置きクライオスタットへの組付
け準備をおこなっていて、冷却して大電力試験を行なうのは２２年度になる予定である。

4245

図４：ブレードチューナーとサクレー型チューナーの空洞への取付を行なっているところ。
ピエゾチューナーの動作原理がそれぞれ異なっており、その性能比較により、よりよいチューナーの開発を行なう事ができる。

５．総括
平成２１年度の最も重要な成果は、９セル空洞と 2 セル空洞の試作を行い、縦型高電界試験においてそれぞれ 37.8MV/m、43.7MV/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中である。次年度の目標は、これら試作した９セル空胴、２セル空胴をもとに実機の製作に取り掛かる予定である。

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）
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）

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p194-196.
[2] 加古永治、宍戸寿郎、野口修一、早野仁司、渡辺 謙、「STFベースライン超伝導空洞用大電力高周波入力結合器」第３回日本加速器学会年会プロシーディング、仙台(2006) p136-138.

43
46

[3] 野口修一、梅森健成、加古永治、阪井寛志、宍戸寿郎、篠江憲治、早野仁司、山本康
史、渡辺 謙、文 成益、徐 慶金、「STFベースライン超伝導空洞システムの開発」
第３回日本加速器学会年会プロシーディング、仙台 (2006) p133-135.
[4] 宍戸寿郎、加古永治、野口修一、早野仁司、渡辺謙、「STFベースライン超伝導空洞における加速モードの周波数調整」第３回日本加速器学会年会プロシーディング、仙台(2006) p865-867.
[5] 渡辺 謙、加古永治、宍戸寿郎、野口修一、早野仁司、「ILCベースラインのための超伝導空洞の高調波モードに関する研究」第３回日本加速器学会年会プロシーディング、
仙台 (2006) p877-879.
[6] 宍戸寿郎、梅森健成、加古永治、野口修一、早野仁司、山本康史、阪井寛志、篠江憲
治、渡辺 謙、「STFベースライン超伝導空洞における加速モードの周波数調整と性能測定」第４回日本加速器学会年会プロシーディング、和光 (2007) p452-454.
[7] 渡辺 謙、加古永治、宍戸寿郎、野口修一、早野仁司、「ILC超伝導空洞のための高調波モードに関する研究」第４回日本加速器学会年会プロシーディング、和光 (2007)
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[8] 加古永治、野口修一、早野仁司、宍戸寿郎、佐藤昌史、渡辺 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.
[9] 山本康史、加古永治、佐藤昌史、宍戸寿郎、野口修一、早野仁司、渡辺 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.
[10] 山本康史、加古永治、佐藤昌史、宍戸寿郎、野口修一、早野仁司、渡辺 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.
[11] 加古永治、「超伝導空洞の高周波設計」高エネルギー加速器セミナー OHO '06テキ
スト、 (2006) 7章 p1-29.
[12] 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、渡辺 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.
[13] 渡辺 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[14] K. Watanabe, H. Hayano, S. Noguchi, E. Kako, T. Shishido, “Higher Order Mode
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Scotland (2006) p747-749.
[15] E. Kako, H. Hayano, S. Noguchi, T. Shishido, K. Watanabe, Y. Yamamoto,“Construction of the Baseline SC Cavity System for STF at KEK”, Proc. of PAC07,
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[16] K. Sennyu, H. Hara, M. Matsuoka, “Design and Fabrication of Superconducting
Cavities for STF”, Proc. of PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA (2007)
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[17] E. Kako, H. Hayano, S. Noguchi, N. Ohuchi, M. Sato, T. Shishido, K. Watanabe,
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Proc. of EPAC2008, Genoa, Italy (2008) p868-870.
[18] 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 Diagnostic System
for the Vertical Test of the STF Baseline 9-cell Cavity at KEK”, Proc. ofEPAC2008, Genoa, Italy (2008) p643-645.

44[19] K. Sennyu, H. Hara, M. Matsuoka, T. Yanagisawa, “Status of the Superconducting
Cavity Development for ILC at MHI”, Proc. of EPAC2008, Genoa, Italy (2008)
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Components”, Proc. of SRF2005, Ithaca, New York, USA (2005) ThP30.
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Beijing, China (2007) TUP60.
[23] E. Kako, H. Hayano, S. Noguchi, T. Shishido, K. Umemori, Y. Yamamoto, K. Watanabe,
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Baseline 9-cell Cavities at KEK”, Proc. of SRF2007, Beijing, China (2007) WEP10.
[24] Y. Yamamoto, H. Hayano, E. Kako, S. Noguchi, T. Shishido, K. Umemori, H. Sakai,
K. Shinoe, S.I. Moon, K. Watanabe, Q.J. Xu, “Cavity Diagnostic System for the
Vertical Test of the Baseline SC Cavity in KEK-STF”, Proc. of SRF2007, Beijing,
China (2007) WEP13.
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Design for ILC Superconducting Cavity”, Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Research
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[27] 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.
[28] Y. Iwashita, H. Fujisawa, H. Tongu (Kyoto University), H. Hayano, K. Watanabe
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cavities”, Proc. of SRF2009, Berlin, Germany (2009) TUPPO040.
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Saeki, M. Sawabe, K. Ueno, K. Watanabe(KEK) , “Surface characterization of
niobium samples electropolished together with real cavities”, Proc. of SRF2009,
Berlin, Germany (2009) TUPPO086.
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K. Watanabe(KEK) , C. Antonie, S. Berry, F. Eozenou, Y. Gasser, B.
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Berlin, Germany (2009) THPPO085.
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couplers at KEK”, Proc. of SRF2009, Berlin, Germany (2009) THOBAU02.
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Sawamura(JAEA), “Compact ERL Linac”, Proc. of SRF2009, Berlin, Germany (2009)
FROAAU04.

45

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。昨年度は CW ビームシステムの概念設計の検討とともに、CW ビーム対応型高電界超伝導空洞試作機の性能測定ならびに入力結合器の設計、システムに不可欠な大電力高周波源開発を行った。そこで本年度はそれらの基本
構成要素の開発を継続すると共に新たに高調波減衰器の設計を始め、さらにこれらを集約する CW 空洞モジュール設計に着手した。

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 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。

5046

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 型空洞として試作した 1.3GHz ニオブ空洞形状を図２に示す。高調波対策として大口径ビームパイプ及び 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。この形状の問題はアイリス径を大きくしたことによる電場の集中とそれに伴う電子放出の影響であり、試作 9 連空洞のここまでの最高
電場は 17MV/m である（図３）。その原因究明のために電子放出などの現象を正確に把握しその場所を特定するための空洞診断技術の開発を積極的に進めてきた。
計測中の空洞外面に沿ってセンサー群を周回させる低温下での放射線観測（図４）は 8-9セル間のアイリスでの電子放出を示唆した（図５）。昇温後の内部観察で該当箇所に図６に見られる小突起が発見され、電子の軌道シミュレーションはこの場所が電子放出源である可能性を示した。そのためこれを機械的に除去し、その効果を見るための低温測定を進めている。

図２：CW 駆動型 9 セル超伝導加速空洞形状

51
47

図３

9 連試作空洞の性能測定結果
図４

図５9 連空洞の放射線分布。横軸は回転角度。150 度の○印位置に図６の突起が発見され

図６

空洞診断装置8 セルと 9 セルの間のアイリス溶

接シ―ム脇に小突起が見つかった。

た。
３－２. 入射空洞開発
入射空洞は加速電圧は低いがビームへ伝送する高周波電力が大きいため、２本の入力結合器を装備する 2 セル型超伝導空洞を採用する（図７）。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。昨年度に試作したこの形式の空洞について、今年度は空洞単体での性能試験を実施し、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。現在は入力結合器の電力試験を準備している。
52
48

図７：CW 型入射用 2 セル超伝導空洞形状

４. 周辺部品の開発
主空洞の重要な要素として、入力結合器、高調波減衰器、周波数チューナーなどがあり、それらの開発を行った。主空洞には 20kW 級の CW 電力が全反射状態で供給されるため、結合度とともにセラミック窓やベローズの定在波に対する位置が冷却対策として重要な意味を持つ。試作部品を使って冷却条件などの試験を進めていたが、ある定在波条件下では 4kW
でもセラミック窓が昇温・破損する事態が発生した。これは冷却対策として行った窓周辺の寸法変更により、セラミック部に 1.3GHz の共振モードが出現したために生じた発熱が原因であることが判明した。その対策としてセラミック厚みを 6.2mm から 5.4mm へ薄くした
改良窓を製作し、その共振周波数を 30MHz 上昇させた。現在はその電力試験の準備を進めている。高調波減衰器には、広帯域の確保と CW ビームによる 150W 高調波電力を考慮した
結果、フェライトを用いたビームライン型を採用することにした。フェライトは 70K に冷却され、2K 空洞への熱侵入を減らすためにクシ歯型の RF コンタクト付きベローズで熱絶縁される。このため 70K でのフェライトの減衰特性の計測を進めるとともにフェライトなしのベローズ構造を試作し、切削油や製作手順などフェライトを保護する製作手法の確立、両フランジ間の自由度計測、冷却方式の検証などの試験を続けている（図８）。周波数チューナーには、粗調整用のスライドジャッキ、微調整用のピエゾ素子を併用した可動範囲
が 600kHz 級の周波数チューナーを採用し、その設計と試作を進めている。

図８

オフセットを計測中の試作ダンパー（フェライトなし）。

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
タット構造の設計を進めている（図９）。本年度はその基本設計を完成し、材料強度や板厚の設定およびそれに基づく空洞構造の機械強度、固有振動モードと補強の解析を行い、強度保証と高圧ガス保安法対応のための資料作成を行った。また構造設計に必要な情報と
53

49

して、チタンフランジやガスケットの組合せ、チューナー用ロードセルや高周波コネクタ
ーなどの極低温への適応性や熱伝導率の実験計測などを進めている。

図９

CW ビームシステム主空洞モジュール

６. 300kＷ・CW 大電力マイクロ波源の完成と試験
平成 20 年度、クライストロンの要素部品の開発を行い、部品として①電子銃②入力及び中間空洞③出力空洞及び出力回路④コレクター⑤外部アクセサリー（集束コイルや架台）などが製作され、一部コールド試験での評価などを行った。引き続いて平成 21 年度ではそれらの部品を合体し真空管としての完成(排気、ベーク、電圧エージングを含む)に到った。この完成したクライストロンと平成
20 年度製造完了した 1.3GHｚ帯の CW、150kＷサーキュレータを用いて総合的な評価試験を行った。本評価では、本来使用する大電力直流電源の製作スケジュー
ル及び設置場所の問題から、次の段階に譲り、平成 21 年度は予備品として KEK にある仮電源で約200kＷのマイクロ波電力まで評価した。但し製造元の東芝での検収では必要な使用は全て満足し、

図 10：300kW クライストロンの仕様と試験結果（検収データ）

又効率も 60％以上という優秀な54
50

結果を確認した。図 10 にその時のデータを示す。
図 11 にクライストロンアセンブリ単体の写真と、KEK での評価試験のための据付時の写真を示した。ここでは直流高電圧 44kV 印加して大電力マイクロ波電力 150kW までの試験を行った。150kW 出力は仮電源での電圧による制限と、サーキュレータの仕様が 150kW であることから決めたものである。又その後位相測定その他必要なデータを全て取り終え、ひとまず 300kW 大電力クライストロンの開発は成功裏に終了した。今後は量子ビーム計画で必要な CW 超電導加速空洞の開発研究のマイクロ波源として開発に供される。

図 11：写真右は KEK で据付。手前にサーキュレータがある。写真左はクライストロンアセンブリ単体の写

７. 次年度へ向けて真。

上記結果を踏まえて２２年度では（１） 生産前 9 連空洞試作機の完成と性能確認試験の実施。
（２） 主空洞モジュール用の本機部品の製作を開始する。
（３） 周辺部品開発としては、フェライト付きダンパーの試作を進めており、
次年度はそれを用いて 70K の低温試験を行う。また周波数チューナーについても、極低温下での動作試験を実施する。
（４） CW クライストロンを使った高周波電力試験設備の整備。
（５）2 セル入射空洞用入力電力結合器の電力試験を推進する。

開発スタッフ
責任者：

古屋貴章（高エネルギー加速器研究機構）

担当者：

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) H. Sakai, K. Umemori, S. Sakanaka, T. Takahashi, T. Furuya, A. Ishii, K. Shinoe,
N. Nakamura, M. Sawamura, “Development of Input Power Coupler for ERL Main Linac
in Japan”, Proc. of the SRF2009, Berlin, 2009.
55512) M. Sawamura, T. Furuya, K. Umemori ,H. Sakai, K. Shinoe, “ERL HOM Absorber
Development”, Proc. of the SRF2009, Berlin, 2009.
3) M. Sawamura, T. Furuya, K. Umemori ,H. Sakai, K. Shinoe, T. Takahashi, “Statusof 9-cell Superconducting cavity development for ERL project in Japan”, Proc.
of the SRF2009, Berlin, 2009.
4) K. Umemori,“Status of the Energy Recovery Linac Project in Japan”,
5) S. Fukuda、他、“RF SOURCE OF COMPACT ERL (cERL) IN KEK”、 第 6 回日本加速器学会年会、日本原子力研究開発機構

原子力科学研究所、2009 年 8 月 5 日-７日．

56
52

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
昨年度の大電力試験において観測されたcold窓の急激な温度上昇は、共鳴周波数が1.3GHz加速周波数に非常に近いダイポールモードが原因であることが高周波シミュレーションによって示された。そのために、セラミック窓の厚みを6.2mmから5.4mmに変更して共鳴周波数を30MHzほど高くする設計とし、その設計をもとに改良cold窓が製作された。改良cold窓のローレベル測定の結果、共鳴周波数がほぼ設計通りの周波数にあることが示された。また、cold窓の液体窒素による冷却試験では、熱設計に大きな問題がないことが確認された。さらに、
warm窓を用いて真空下で大電力試験を行い、磁場がピークとなる定在波をwarm
窓に与えた時に20kWまでのパワーを投入することができた。
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。CW型超伝導空洞はエネル
ギーを回収するものとし、加速勾配20MV/m運転時にQL=2×107、最大入力パワー20kWを基本仕様とする入力カプラーを前年度に設計した。前年度にはまた、入力カプラーで重要なコンポーネントである２種類のセラミック窓（cold窓とwarm窓）とベローズを試作し、テストスタンドを構築して大電力試験を行った。空冷によるベローズの温度上昇の抑制は概ね良好であったが、セラミック窓の１つであるcold窓で急激な温度上昇が見られ、結果的にcold窓のセラミックが割れることとなった（図１参照）。その後、窓単体の詳細なローレ
ベル測定を行い、セラミック窓の構造に起因する1.305GHzの吸収ピークが存在すること、そしてそのピークが温度上昇により1.3GHzに近づいてくることが判明した(図２参照)。今年度は、その原因究明を行った後、cold窓の設計を修正し、新たに改良cold窓を製作・試験した。また、前年度製作した断熱槽内でcold窓の液体窒素温度下における冷却試験を行った。さらに真空状態でwarm窓を用いた大電力試験を行い、warm窓での２次電子放出などの測定を試みた。

57
53

図１：大電力試験後の割れた cold 窓。

図２：温度に対する S21 の変化。1.305GHz 付近に共鳴ピークが見られる。

２． cold 窓の改良
前年度の大電力試験後の cold 窓のローレベル測定で、1.3GHz 付近に共鳴ピークが存在することが判明した。今年度はまず、HFSS および MW-Studio によるこの cold 窓の詳細な高周波シミュレーションを行った。図３がその計算結果である。1.3GHz 付近にダイポールモードの共鳴ピークがあることが分かった。Q 値はおよそ 1×104 程度であり、ローレベル測定の結果に見られたピークに近いものであった。
この共鳴ピークはセラミック窓の誘電率、厚み、及び内導体、外導体の半径に依存することが分かった。このピークがローレベル測定で見られる共鳴ピークである可能性が高い
ため、これらの依存パラメータの中で変えることが可能なセラミック窓の厚みに対して、
この共鳴周波数の依存性を計算で求めた。図４が、計算で求めたセラミック窓の共鳴周波数とセラミック窓の厚みとの関係である。計算では厚みを 1mm 小さくすることでおよそ39MHz 変化することが分かった。そこで改良 cold 窓のセラミック厚を前の設計値 6.2mm よりも 0.8mm 小さい 5.4mm とし、30MHz 程度周波数を上げる設計とした。図５が実際に製作した改良 cold 窓である。セラミック窓を薄くしたことによる機械的な影響は見つからず、真空リークもなかった。改良 cold 窓の S-parameter を測定した結果を旧 cold 窓と比較して
図６に示す。HFSS の計算による周波数の変化が+31.2MHz に対し、周波数測定のピークの変化が+30.0MHz となり、ほぼ設計通りにピークがずれていることが確認できた。

5854

図３:セラミック窓に立つダイポールモード（計図４：セラミック窓の共鳴周波数とセラ

算）。

ミック窓厚との関係(計算)。

図５:改良 cold 窓(写真)。

図６：改良前後の cold 窓のローレベル測定
結果。

３．cold 窓の液体窒素温度冷却テスト
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。特に内導体からの発熱は投入パワー10kW の定在波の状況下では、30W 程度の発熱が 80K の温度定点に集中すると予想される。この発熱を cold 窓を通じてその外部にある 80K の温度定点から吸収しようとしているが、発熱を設計通りに吸収できるかが一つの課題である。今年度
は前年度製作した断熱槽を用いて、液体窒素冷却時におけるセラミック窓の入熱が設計通りであるかを確認した。

59
55

図７: 断熱槽に入れる前の冷却試験のセットアップ(右図)と液体窒素冷却時にヒーターを発熱させた時の温度上昇を示したグラフ（左図）。

図７（右図）が冷却試験のためのセットアップである。断熱槽内につるされた液体窒素
溜めからブレード線を通じてセラミック窓を窒素温度まで冷却する。パワー投入時の発熱を模擬するため、内導体にはヒーターが取り付けられている。内導体、セラミック窓外部（外導体）の温度、ブレード線の温度、および液体窒素溜めの温度は熱電対により測定される。図７（左グラフ）は、一旦セラミック窓を断熱槽内にて液体窒素温度まで冷却した
後に、ヒーターで 31W のパワーを入れたときの温度上昇を示している。横軸は時間軸であるが、ヒーターにパワー投入後１０時間程度でおよそ平衡状態になっている。cold 窓外部が本来 80K の温度定点を模擬するのであるが、今回はブレード線の長さなどによって温度定点が発熱時に温度上昇し、内導体は-95℃(178K)、外導体は-144℃(129K)の温度となった。
この測定された内外導体の温度差と熱計算の結果を表１に示す。計算ではセラミック材であるアルミナ(Al2O3)の熱伝導度として常温での値 31W/m/K を使用した。
内外導体の温度差
測定値

46.9℃

計算値

41.2℃

表１：31W投入時の内外導体の温度差
測定の温度差が計算値よりも１割ほど温度上昇が大きいものの、およそ計算と良い一致を示していることが表１から分かる。この結果から、セラミック材の熱伝導度は液体窒素
温度時でもほぼ同じと考えられ、セラミック窓から内導体の発熱を吸収するという我々の60
56

設計は現状では問題ないことが確認された。今後、クライオモジュールに組み込む際に適切なブレード線の長さや個数を考慮し、カプラー設計に反映する予定である。

４．真空条件下での 20kW 大電力試験
前年度の大電力試験は真空条件下で行っていなかったので、今年度は割れずに残った
warm 窓に端板をつけて、その間を真空にして定在波にて大電力試験を行った。

図８：warm 窓大電力試験のセットアップ（図図９：定在波の磁場ピークがセラミック窓には磁場ピークが warm 窓に立つ場合）。

立つ時の計算結果(HFSS)。

図８は大電力試験のセットアップである。図９のように warm 窓から端板までの距離を変
えて電場および磁場の分布を計算し、電場および磁場が warm 窓でピークになるように端板の距離を決めた。電場ピークが立つ端板と磁場ピークが立つ端板の２種類を用意し、それぞれの条件下で大電力試験を行った。まず磁場ピークが warm 窓に立つときの大電力試験を行った。図１０がその時のパワー投入の履歴である。最初、投入パワー14.5kW までは放電や真空度悪化によるインターロックは作動しなかったが、14.5kW で放電用アークセンサー（セラミック窓を直視している光センサ）が反応した。その後は、9kW 前後でも頻繁にアークセンサーによるインターロックが作動するとともに、それに伴う電子放出がセラミック
窓近傍のプローブから検出された。これはセラミック窓上での２次電子放出が原因と予想される。この状態がしばらく続いた後に大きな真空度悪化によるインターロックが作動したが、その後は徐々に投入パワーを上げることができた。15kW で同じくアークセンサーによるインターロックの発生が頻発したが、大きな真空度悪化によるインターロックが働いた後には投入パワーを上げることができ、最終的に 20kW までのパワーが投入できた。大電力試験後にベローズとセラミック窓を観察したが、特に大きな割れやメッキの剥がれなどなかった。放電プロセスを経た後には、磁場ピークで 20kW までの大電力に対して warm 窓
は問題なく動作することが分かった。

6157

図１０: 大電力試験で磁場ピークを warm 窓に立たせた時のパワー投入履歴。左図：
9kW-15kW までの履歴。右図：15kW-20kW までの履歴。赤は投入パワー（第一軸）を示し、
青は真空度(第二軸)を示している。

次に電場ピークでの大電力試験を行ったが、4kWパワー投入後に真空が大きく漏れ、最終的にwarm窓が割れる結果となった。これは、図１に示したものと同様にダイポールモードの共鳴ピークによる急激な発熱による割れであると考えられる。cold窓同様にwarm窓のセラミック厚を変更することでこの発熱や割れを回避することができる。電場ピークによる放電レベルの測定は改良cold窓による大電力試験にて行う予定である。

５．まとめ
前年度の大電力試験におけるcold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、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。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、31MHzだけ共鳴周波数をずらした改良cold窓を製作した。この改良cold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。
また、断熱槽を用いたcold窓の液体窒素温度での冷却試験を行い、温度分布の測定値が概ね計算と一致する結果を得た。これにより熱設計に大きな問題がないことが確認できた。
さらに、warm窓を用いて真空下の大電力試験を行った。定在波の磁場ピークをwarm窓に立てた状態では、9kWと15kW付近で２次電子放出によると思われる発光が頻発したものの、その後は20kWまでパワーを投入することができた。それに対し、電場ピークでは4kW付近で真空リークと同時に急激な温度上昇が起こり、セラミックの割れが起こった。これは、前年度のcold窓のセラミックの割れと同じく、投入した1.3GHz高周波が共鳴ピークに当たってセラミック窓の発熱で割れたものと予測される。今後は、共鳴ピークをずらした改良cold
62
58

窓にて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うことになる。
また、高周波設計と熱設計の方針を決定し、実機カプラーの設計・製作を行う。

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
2009 年度中の発表および掲載
発表論文[1] H. Sakai et al., “Development of input power coupler for ERL main linac inJapan”, Proceedings of SRF2009, Berlin, Germany, 2009, pp.684-688.
[2] 阪井寛志 他、「ERL 主ライナックのための 1.3GHz 入力カプラーの開発」、 第６回加速器学会プロシーディングス、東海、茨城 (2009)。
[3] H. Sakai et al.,“KEK ERL Cryomodule Development”, Proceedings of ERL2009,
Ithca, New York (2009).
[4] K. Umemori et al., “COMPACT ERL LINAC”, Proceedings of SRF2009, Berlin,
Germany, 2009, pp.896-901.

6359

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。
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 年度に完成することを目指して開発する。 その超伝導加速空洞に大電力マ
イクロ波を供給するシステムが必要であるが、本研究では小型 1.3ＧＨｚ高周波源の開発をテーマとしている。今までの国際リニアコライダーなどの 1.3GHz・
超伝導加速器では大電力高周波源として、1 本のクライストロンから 5ＭＷや 10ＭＷと言った大電力高周波を発生してそれを多くの空洞に分配すると言う方式を取っている。このシステムをとる背景としては、高周波源は電源、クライス
トロンを含めて高価なものであるので大きい電力のものを 1 台作り、それを分配したほうが結局コスト的に安くなると言う考え方がある。一方で通常の用途
では 1.3GHz 9 セル超伝導空洞１台に必要な高周波電力は、超電導であるがゆえに空洞ロスは少なく、加速電界と加速電流の積だけで決まってしまう。例えば
本研究の場合の小型高フラックス X 線源用加速器で空洞 1 台当たり 300ｋＷ程度の電力で十分である。従ってそのような小さい電力の高周波源を開発するほうが従来の流れに比べて無駄が無いと言える。一方でそのようなものを空洞の台数だけ製作すると、この高周波源は小型でもコスト的には高くなる。従って本研究では、従来と異なった方式、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ある。
基本的な構成としては、モジュレーションアノード電極付きクライストロンというものでマイクロ波を発生させる。空洞 2 台に付き 1 台のクライストロンが使用される構成とする。パルス運転をする高周波は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部分でクライストロン内部の電流を変調させて発生される。このモジューレーションアノード電極は単にポテン
シャルの変化を与えるだけであるから電力は食わない。電力は結局共通である
直流高圧電源で供給される。パルス電力を取った時に生ずる電圧降下分をバウ
ンサー回路などで保障するとコンデンサーバンクを小さく出来、又変調器も共通化すると小型化されたシステムが構築される。次の発生した電力を空洞まで分配するシステムであるが、これは 1.3ＧＨｚ帯の導波管で分配されるが本件の6460場合 2 空洞を考えているので、高性能の電力分配器が必要である。もしこの分配器が高い方向性を持ち、各空洞からの反射が別の空洞へ行くことがな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も応用することが可能で将来的な応用性が高い研究テーマであると思われる。
１．モジュレーションアノード付きクライストロンの開発概略で述べたように本研究で

表 1 モジュレーションアノード付きクライストロン

はモジュレーションアノード付の仕様、及び電源の仕様

きクライストロンが必須である。
2 空洞へ先頭パルス電力 750kW を供給するとして、60％ぐらいの高効率を仮定すると表１のような仕様が必要である。本年度はこの仕様を実現するためのクライス
トロンの設計から先ずはじめた。
図 1 にシミュレーション結果の 1
例を示した。特に通常のアノードとカソード間の電位、モジュレー
ションアノードとカソード間の電位の様子も図 1 に示してあるが、これは電子銃の設計に対して重要なものである。高周波のシミュ
レーションでも効率 60％到達できる設計が実現したので、これをベースにしてモジュレーション
アノード付きクライストロンの製作に取り掛かった。設計と製造の工程の時間的な制約のために平成２１年度は本体の真空管化直前までの工程にとどめた。
平成 22 年度に残りの工程、すなわち排気ベークを行い、その後チップオフして真空管化する。その後電圧及び高周波のエージング(プロセッシング)を行い完成となる。図２に現在製作中のモジュレーションアノード付きクライストロンの外観図を示す。

65

61

図１

モジュレーションアノード付きクライストロンのシミュレーション結果

図２

クライストロンアセンブリの概観

6662

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

図 3 分布型高周波源の概念図
モジュレーションアノード付きクライストロンへ電力を供給するシステムは概略で述べたように直流電源とモジュレーションアノード変調器からなる。また直流電源の構成要素として重要なものはスィッチング電源、コンデンサーバンク、保護回路としてのクローバ回路（又は高速半導体ＳＷ遮断機）、バウンサー回路、及び複数負荷時に一方が故障した
際に各負荷を切り離す高圧ＳＷなどがある。又モジュレーションアノード用変調器の場合はパルス変調をかけるための高電圧半導体ＳＷが重要な開発要素である。これらの電源に関するブロックダイアグラムを図３に示す。平成 21 年度ではこの部分のうち、モジュレー
ションアノード用変調器の製作、直流電源の構成部品の購入などを行った。直流電源の完成と総合運転は平成 22 年度を予定している。

3.

電力分配系の開発
電力分配系の概略は概要の所で示した。図４にその構成を示す。平成 21 年度では高い方向性を持つマジックティー型電力分配器の開発を行った。

67

63

Magic Tee
Directional Coupler

Dummy Load

図４ 分布型高周波源の高周波分配系

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
2009 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.

(8)

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

68
64

I. X線検出装置開発
C-2. 直流高圧電子源開発
Developmentof X-ray DC
detectors
Electron Guns
Development of High-Voltage
概 概要
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。２００９年度は、昨年度の予備的評価で有望であった GEM を応用したガス検出器と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。
GEM

型 検 出 器 はGEM(GasElectronMultiplier)と呼ばれる多孔両面銅箔ポリイミ
ドフォイルを使って放射線の電離信号をガス増幅するもので、２次元の位置情報を保持できるという画期的な特長を有する。さらにこのフォイルに金メッキを施すことにより、硬Ｘ線にも感度のある検出器を構成することができる。
右図にその概念を示す。本年度は実際にこのような金メッキ加工の GEM の多層検出器を試作してその、有効性についての検討を行った。評価の一環として、管電圧 125kV のＸ線発生装置を用いた透視イ
メージングを行った（下左図）。
写真中央に置かれた２０センチ厚のコンクリートブロックに埋め込まれた鉄筋が右下図に示すように明瞭に画像化できていることがわかる。
今年度までに、原理実証としての評価はほぼ終了できたものと考えており、次年度より、大面積で高速処理が可能なシステムの構築に向けて開発を進める。
Ｘ線の微細イメージングの取り組みとしては引き続きＳＯＩ技術に基づくシリコンピク
6965

セル検出器の可能性の評価・検証に取り組んだ。ＳＯＩピクセルの実現にとって、潜在的な問題点はＸ線センサーとして機能する下側シリコン層を空乏化するために印可されるバ
イアス電圧が、上側回路層のデバイス（例えばＦＥＴなど）の動作に影響を与える可能性（バックゲート効果）である。
このバックゲート効果を抑制するための方策として今年度検討が進められたのが、埋め込
みＰ型ウェル（Buried P Well: BPW）の導入である。これは左図に示すようにＳＯＩ基盤の上面から絶縁層下部を狙ってｐ型イオンを打ち込むことで導電性のレイヤーをそこに形成するものである。こうする
ことでこのレイヤーに任意の電位を外部から与えることが可能となり、下側シリコン層に与えられたバイアス電圧によるバックゲート効果を遮蔽できる。
今年度は実際にＢＰＷを打ち込んだテストチップを作成し、その Id-Vgs 特性を
ＢＰＷのないものと比較してみた。右
図上が、ＢＰＷのないＦＥＴの測定結果であり、下側シリコンのバイアス電圧が０Ｖ（黒点）では示された良好な閾値カーブが、電圧を上げていくに従って崩れていき、５０Ｖ以上ではほとんどトランジスターとして動作しない
ことを示している。一方ＢＰＷを施しその電位を０Ｖに固定したチップでは（右下図）バイアス電圧の印可による
ＦＥＴの閾値カーブへの影響が完全に抑制されていることが見て取れる。
このようにしてＳＯＩシリコン検出器において、十分高いバイアス電圧を印可しながら回路を正常動作できる見通しが立った。高いバイアス電圧の印可は厚い空乏層の形成を意味するため、今回のＢＰＷ導入は高エネルギーＸ線に対するより高い検出効率の可能性を拓いたことになり、その意義は極めて大きい。
この成果を踏まえて、来年度以降この SOI ピクセルによる高精細 X 線検出器の実用システム実現に向けさらに開発研究を続けていく予定である。
70

66

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
2009 年度中の発表および掲載“Development of Hard X−ray

Detectorwith GEM” by Shoji

Uno（KEK）

1st International Conference on Micro Pattern Gaseous Detectors, 12-15 June 2009, Kolympari,Crete, Greece
1.

「GEM を用いた硬 X 線検出器の開発」黒石将弘（信州大学）
日本物理学会2.

2009 年秋季大会

2009 年 9 月 10-13 日

甲南大学“Development of New Type Gaseous Gamma Camera with GEM” by T.Koike (Tokyo
University of Science)
2009 IEEE Nuclear Science Symposium & Medical Imaging Cnference, 23-31 October
2009, Orland, Florida, USA

3.

“Developments of SOI Monolithic Pixel Detectors”, Y. Arai et al.
Technology and Instrumentation in Particle Physics 2009 in Tsukuba, Japan, 11-17
March, 2009, Preprint submitted to TIPP09, to be published in NIM A

4.

“Silicon-on-insulator technology enables next-generation radiation image
sensors”, Yasuo Arai and Toshinobu Miyoshi, 5 August 2009, SPIENewsroom. DOI:
10.1117/2.1200907.1725.

5.

“Development of SOI Pixel Process Technology”, Y. Arai* et al.
7th International“Hiroshima”Symposium on Development and Applications of
Semiconductor Tracking Devices, International Conference Center Hiroshima,
Japan, Aug. 29-Sep.1, 2009, to be published in Nucl. Instr. and Meth. A.

6.

“Reduction techniques of the back gate effect in the SOI Pixel Detector”, R.
Ichimiya, Y.Arai, K. Fukuda, I. Kurachi, N. Kuriyama, M. Ohno, M. Okihara, for
the SOI Pixel collaboration, Proceedings of Topical Workshop on Electronics for
Particle Physics (TWEPP-09), 21-25 Sep. 2009, CERN-2009-006, pp. 68-71

7.

“New Techniques in SOI Pixel Detector”, Y. Arai, 2009 IEEE Nuclear Science
Symposium and Medical Imaging Conference, Orlando Florida, Oct. 25-31, 2009,8.
9.

Conference Record,“SOI pixel 検出器の TCAD による構造最適化”一宮亮、ほか 2009 年 9 月 11 日、日本物理学会秋季大会（甲南大学）“SOI pixel 検出器におけるバックゲート効果の埋め込み P ウェルによる抑制”、 瀬賀智子ほか、2009 年 9 月 11 日、日本物理学会秋季大会（甲南大学）
71

67

10. “CDS機能を備えた積分型SOI pixel 検出器の性能評価”、 池本由希子ほか、2009年
9 月 11日、日本物理学会秋季大会（甲南大学）
11. “SOI 技術を用いた読出し一体型ピクセル検出器の開発（TCAD による放射線損傷の研究）”、 河内山真美ほか、2009 年 9 月 11 日、日本物理学会秋季大会（甲南大学）.
12. “X 線照射による SOI MOS トランジスタ特性への影響の研究”、 小貫良行ほか、2009
年 9 月 11 日、日本物理学会秋季大会（甲南大学）
13. “SOI 技術を用いた ILC 衝突点ビームモニタ“ペアモニタ”の読み出し回路の開発'、
佐藤優太郎ほか、2009 年 9 月 11 日、日本物理学会秋季大会（甲南大学）
14. “大面積化を目指した計数型 X 線 SOI イメージセンサー(CNTPIX3)”、 三好敏喜ほか、
2009 年 9 月 28 日、日本物理学会秋季大会（熊本大学）

68

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、本年度は位置読み出し型（撮像型）検出器の開発・評価
及びその試験用線源の構築を行った。次年度は引き続き位置読み出し型の検出器の評価を行っていくとともに常伝導加速器を用いた軟 X 線検出試験を行っていく予定である。
1.

はじめに

本プロジェクトにおいて X 線を生成する手法は周知の通りレーザー光を高エネルギーの電子ビームによって散乱する『レーザーコンプトン散乱法』である。レーザーコンプトン X
線の特徴としては、①

小型な X 線源が構築可能であること②

X 線の散乱角が広く大面積への照射に適していること③

線源サイズを極限まで小さくできること④

X 線の偏光制御がレーザーの偏光制御によって容易に行えることなどが挙げられる。昨年度までの検出器開発としては、まずはレーザーコンプトン散乱による X 線を検出することに特化していたが、今年度からは特に上記②③を評価するための検出器開発及び試験用線源の構築を行っている。実際には撮像型の検出器により大面積の照射試験を行うとともに、線源サイズが小さいという利点の検証のために、屈折コントラ
ストイメージングなどを試験する。その際の比較対象及び実機での試験の前段階評価として電子ビームによる制動放射光を用いた準単色 X 線源の開発を行っている。それぞれについて以下章毎に報告する。

2.

密着露光撮像用フォトレジストの開発研究

本プロジェクトでは次年度に常伝導線形加速器とレーザー蓄積装置を用いた軟 X 線領域の高輝度 X 線生成を行う予定である。その際に有力な撮像方法としては、密着露光型の撮像が最もシンプルかつ高分解能が期待できる。密着露光型とは試料をフィルムなどに密着させて設置し、X 線を照射することによって透過した X 線がフィルムを感光するという、X7369

線光学系などの必要ない手法である。このフィルムとしてレジストを用い、読み出しにAFM(原子間力顕微鏡)を用いることによって高分解能な撮像が期待できる。通常このレジスト材としては PMMA(ポリメタクリル酸メチル樹脂)が用いられるが、PMMA は感光閾値が高く、撮像に多大な時間を要するだけでなく、高分解能な撮像に必要な X 線強度も大きくなってしまう。密着露光型の撮像の分解能は光子の統計雑音によって制限される。PMMA で 50nm 程度の分解能を得るには約 4×1014photons/cm2 の X 線強度が必要となる。この必要 X 線強度を下げるためには検出器の効率、つまり撮像器の感度を向上させる必要がある。我々は化学増幅型 Deep-UV 用レジストを試験し、さらにその高感度化を行った。
まずは感光閾値の測定及び軟 X 線による感光の確認を、UV 光照射は水銀灯(中心波長254nm)、軟 X 線照射は九州シンクロトロン光研究センターSAGA-LS 軟 X 線分光ライン BL12を用いて行った。その結果を以下の図 1 に示す。レジストとしては東京応化製 Deep-UV 用
化学増幅型フォトレジスト TDUR-P722 を用いた。化学増幅型レジストを用いることによって従来の PMMA よりも約 1～2 桁の感度の向上が見られる。

(A)254nm における測定(B)250eV 軟 X 線における測定(C)400eV における測定

図 1：化学増幅型 Deep-UV 用レジストの感光閾値測定(A)(B)(C)はそれぞれ 254nm の UV 光、250eV の軟 X 線、400eV の軟 X 線による感光閾値測
定の結果を示している。それぞれの閾値測定の結果は 2.6mJ/cm2、16mJ/cm2、2.1mJ/cm2 であった。閾値が異なるのはレジストにおける光の吸収効率が光子エネルギーによって異なるためである。化学増幅型レジストを用いることによって PMMA で必要とされていた 4×
1014Photon/cm2 に比べて約 1 桁の感光閾値の感度の向上が確認された。予想された 2 桁までは届かないが、レジストの感度や解像度は現像プロセスによっても大きく変化する。上記
はメーカー推奨の現像液・現像時間等の条件下で行った実験結果であり、今後現像プロセスの最適化を行っていくつもりである。
次にさらに本レジストを高感度化するために UV プレ照射法を開発し、試験した。UV プ
レ照射法の概念図を図 2 に示す。図 2 の右上及び図 1 の測定結果にも示されているように
レジスト材はある閾値以上において反応が開始され、撮像される。そこでより高感度化を図るために閾値付近まで UV 光を用いて前もって照射しておき、その後軟 X 線によって撮像することにより、必要とされる X 線強度を極力抑えることが可能である。そのプロセスは
74

70

図 2 に示してある通りで、通常は露光を行い、PEB(Post Exposure Baking)で反応させて、反応部分を溶解させる。それに対してプレ照射法ではまず水銀灯などの UV 光でプレ照射を行い、PEB で一部反応させておき、その後本照射を行い、PEB/現像を行う。プレ照射の UV
光の強度を適当に選ぶことによって、閾値直前からの軟 X 線による本露光が可能となる。
250eV/400eV それぞれにおけるプレ照射法試験結果を図 3 に示す。

図 2：UV プレ照射法概念図及びその現像プロセス(A)250eV におけるプレ照射法試験(B)400eV におけるプレ照射法試験

図 3：UV プレ照射法の実証試験結果
UV プレ照射を行っていない Blank のレジストに対して大幅に感光閾値が減少し、感度が向上していることがわかる。今回の高感度化では 2 桁は届かないが 1 桁以上の高感度化が確認でき、その感光閾値は 1×1013Photons/cm2 程度(400eV)であった。次年度予定されている軟 X 線強度としては、パルスでの露光では十分でなく、分解能も 50nm を期待するのは厳
しいが、まずは X 線の検出後に実証試験として行っていく予定である。
75

71

3.

高速ゲートイメージング機器
本プロジェクトの最終目標として挙げられている X 線のエネルギーは数 keV～数 10keV程度と前節のレジストがターゲットとしている 1keV 以下の軟 X 線領域とは異なっている。
最終的には分解能も求める上で X 線レジストなどを検討する必要があるが、前述のような高感度化の点で手軽に使用できる UV 光が利用できないことなど課題は残っている。
そこで昨年度の検出器の試験結果も踏まえ、位置読み出しの可能な蛍光面付
MCP(Micro-Channel Plate)と高速ゲート切り出しを行うイメージインテンシファイヤを組み合わせたイメージング装置を立ち上げた。MCP は 2 次電子発生効率の高い材質に多数の小さな穴を施した構造となっており、200μm 程度の位置分解能が期待できる。また、昨年度の試験により加速器室環境化において最高の S/N が期待でき、かつ高速応答特性も持ち合わせている。以上のような特徴から、実証試験に使用する検出器として最適と判断し、検出システムの構築を進めている。検出器の構成を以下の図４に示す。

(Ａ)検出システム概念図(Ｂ)検出システム外観

図４：実証試験用 X 線検出器システム
生成された X 線はチタン窓を通り検出器システムに導入される。軟 X 線にも対応できる
よう、真空を切ることなくビームラインに直接接続することも可能になっている。蛍光面付き MCP としては F2225-31、イメージインテンシファイヤは C9016-23(ともに浜松フォトニクス社製)を採用している。蛍光面の有効径は 40mmφであり、②に挙げた特徴の確認のために広い領域のイメージングに十分な広さを確保している。蛍光面の蛍光寿命は 200～
400ns であり、電子ビーム列の時間幅～1ms(実機)と～20μs(LUCX)に対して十分小さい。すでに早稲田大学における電子加速器を用いて生成した制動放射光を用いて動作試験は終了しており、現時点でも実機に設置して計測可能であるが、次節で述べる構築中の準単色線源を用いてさらに試験を行っていく予定である。

76

72

4.

準単色 X 線源開発

レーザーコンプトン散乱 X 線の特徴として前述した③線源サイズが極小化できる点が X
線像を取得する際に有効になる。レーザーコンプトン散乱 X 線の線源サイズはレーザーもしくは電子ビームサイズで決まるため、数μm のオーダーまで小さくすることができる。線源サイズの小さい X 線ビームを用いることによって、通常 X 線で行われている吸収コント
ラストによるイメージングに加え、屈折コントラスト(試料による X 線の屈折を利用し境界を強調する手法)によるイメージングが可能となる。
この特徴を実証するため、及び撮像 X 線検出器系の試験を行うために早稲田大学電子加速器を用いた準単色 X 線生成システムを構築した。その構成図を以下の図５に示す。加速器によって生成された約 4MeV の電子ビームはチタン窓を通り真空中から取り出され、Bragg
反射板に入射する。本試験では X 線のエネルギー測定システムでも用いている HOPG を Bragg
反射板として採用している。HOPG に入射した電子ビームは HOPG 内で制動され、制動放射光を生成する。その中で Bragg の条件を満たした X 線が反射され、電子ビームと分けられるといった構成である。実際に検出器に届く X 線は電子ビームと反射

図５：準単色 X 線生成システムの構成図
X 線コリメータの成す角度で決まるが、4MeV の電子から生成される制動放射光は広がり角が大きいため、10％程度のエネルギー幅を持った X 線が検出器まで到達していると思われ

2

Total X-ray
X-ray Energy
Energy [keV/train/mm[keV/train/mm2]]
Total

る。以下の図６に HOPG の角度に対する X 線強度の測定結果を示す。
551.2
1.2 10
10
5

5
11 10
10
4

4
88 10
10
4

4
66 10
10
4

4
44 10
10
4

4
22 10
10

00

00

22

44
66
HOPG
HOPG Angle
Angle [deg][deg]

図６：検出 X 線強度の HOPG 角度依存
77

73

88

この測定は反射角度 7 度(Ex～30keV)でのセットアップで取得した結果である。実際にHOPG の角度 3.5 度付近ピークが見られ、反射が行われており、かつ十分な強度が得られていることがわかる。しかしながら、いまだにベースバックグラウンドの寄与も大きく、さらなる改善が必要であるとともに、実際に Bragg 条件で選ばれた X 線のエネルギーが検出されていることを確認する必要がある。この X 線源の線源サイズは電子ビームのサイズで決まり、チタン窓直下に設置した電子ビームコリメータの径を変えることによって自由に選択することが出来る。実際にこの X 線を用いて前節 X 線検出器を試験するとともに屈折
コントラストイメージング像を取得することによって、線源サイズによる屈折コントラス
トの強弱の確認及び実機での像との比較対象として用いることができると考えている。

5.

総括
昨年度研究開発を開始し、現在までに『X 線の強度(時間方向強度分布)』『X 線のエネル

ギー』『X 線の強度分布(撮像)』が可能な X 線検出装置を構築・開発した。X 線の強度はシンチレーション検出器・Si-PIN や Cd-Te などの半導体検出器を昨年度開発し、時間方向強度分布は MCP を用いて検出できることを示した。X 線のエネルギーは X 線スペクトロメーターとして HOPG(Highly Oriented Pyrolytic Graphite)を用いることで測定できる。X 線の撮像システムとしては蛍光面付 MCP を用いた大面積撮像システムを立ち上げた。また、本量子ビームプログラムでは前段試験として、軟 X 線領域の光子ビームの生成も来年度予定
されているため、軟 X 線用の検出器としてレジスト材を用いた撮像の研究開発も並行して進めている。
来年度は今年度開発を行った準単色 X 線源において、線源サイズの比較的大きな X 線での像を取得し、実機での模擬とするとともに夏ごろから KEK-LUCX 加速器において予定されている軟 X 線生成試験に参加し、検出部を担当する予定である。また、昨年度末ごろより本プログラム内で開発(レーザー蓄積装置グループ)されたレーザー円偏光の高速切換え手法によって、X 線の偏光計測の必要性が増している。上記研究項目と合わせ、偏光計測系に関して検討を行っていく予定である。

開発スタッフ
責任者：

鷲尾方一（早稲田大学）

担当者：

鷲尾方一(早稲田大学)

参考文献（２００９年度中の発表および掲載論文）[1]“Observation of pulsed x-ray trains produced by laser-electron Compton
scatterings” Kazuyuki Sakaue, Masakazu Washio, Sakae Araki, Masafumi Fukuda, Yasuo
Higashi, Yosuke Honda, Tsunehiko Omori, Takashi Taniguchi, Nobuhiro Terunuma, Junji
78

74

Urakawa, Noboru Sasao, Rev. Sci. Instrum., 80(12) (2009) 123304 1-7.
“[2]”Improvementof an S-band RF gun with a Cs2Te photocathode for the KEK-ATF” N.

Terunuma, A. Murata, M. Fukuda, K. Hirano, Y. Kamiya, T. Kii, M. Kuriki, R. Kuroda,
H. Ohgaki, K. Sakaue, M. Takano, T. Takatomi, J. Urakawa, M. Washio, Y. Yamazaki,
J. Yang, Nucl. Instrum. Meth. A613 (2010) 1-8.
[3] “Development of a Compact X-ray Source and Super-sensitization of Photo Resists
for Soft X-ray Imaging” T. Gowa, N. Fukutake, Y. Hama, K. Hizume, T. Kashino, S.
Kashiwagi, R. Kuroda, A. Masuda, A. Oshima, T. Saito, K. Sakaue, K. Shinohara, T.
Takahashi, T. Urakawa, K. Ushida and M. Washio, J. Photopolym Sci. Technol. 22(5)(2009) 691-696.
[4]“Development of Compact Coherent EUV Source Based on Laser Compton Scattering”
S. Kashiwagi, R. Kato, G. Isoyama, K. Sakaue, A. Masuda, T. Nomoto, T. Gowa, M. Washio,
R. Kuroda and J. Urakawa, Radiat. Phys. Chem. 78 (2009) 1112-1115.
[5] “Stabilization of a Non-Planar Optical Cavity using its Polarization Property”
Yosuke Honda, Hirotaka Shimizu, Masafumi Fukuda, Tsunehiko Omori, Junji Urakawa,Kazuyuki Sakaue, Hiroshi Sakai, Noboru Sasao, Optics Communications, Vol. 282, (2009)
3108-3112.
[6] “Photon Generation by Laser-Compton Scattering Using an Optical Resonant Cavity
at the KEK-ATF Electron Ring” Hirotaka Shimizu, Sakae Araki, Yoshisato Funahashi,
Yosuke Honda, Toshiyuki Okugi, Tsunehiko Omori, Nobuhiro Terunuma, Junji Urakawa,
Masao Kuriki, Shuhei Miyoshi, Tohru Takahashi, Yasuaki Ushio, Tachishige, Hirose,
Kazuyuki Sakaue, Masakazu Washio, Pei Guoxi, Li XiaoPing, Journal of the PhysicalSociety of Japan, Vol.78 No.7. (2009) 074501.
[7] “Design of a mode separated RF photo cahode gun” Abhay Deshpande, Sakae Araki,
Masafumi Fukuda, Kazuyuki Sakaue, Nobuhiro Terunuma, Junji Urakawa, Noboru Sasao,
Masakazu Washio, Nucl. Instrum. Meth., A600, (2009) 361-366.
[8] “FEMTO-SECOND PROFILE MONIITOR USING PULSED LASER STORAGE IN AN OPTICAL CAVITY”
K. Sakaue, M. Washio, S. Araki, M. Fukuda, Y. Higashi, Y. Honda, T. Taniguchi, T.
Terunuma, J. Urakawa, N. Sasao, Proceedings of Free Electron Laser Conference 2009,
TUPC23 (2009)[9] “3-Dimensional Beam Profile Monitor Based on a Pulse Storage in an Optical Cavity
for Multi-bunch Electron Beam” K. Sakaue, M. Washio, N. Sasao, S. Araki, M. Fukuda,
Y. Honda, Y. Higashi, T. Taniguchi, N. Terunuma, J. Urakawa, Proceedings of Particle
Accelerator Conference 2009, WE3GRC04 (2009)

79
75

“
[10]”Present
Status of a Multi-Bunch Electron Beam Linac Baced on Cs-Te Photo-CathodeRF-Gun at Waseda University” Tatsuya Suzuki, Junji Urakawa, Shigeru Kashiwagi, Yuta
Kato, Ryunosuke Kuroda, Kazuyuki Sakaue, Toshikazu Takatomi, Nobuhiro Terunuma,
Hitoshi Hayano, Tatsuki Fujino, Akihiko Masuda, Aki Murata, Masakazu Washio, Particle
Accelerator Conference 2009, MO6RFP102 (2009)“[11]”Improvementof Compact Pico-Second and Nano-second Pulse radiolysis system at

Waseda University” A. Fujita, Y. Hama, Y. Hosaka, T. Nomoto, K. Sakaue, M. Washio,
S. Kashiwagi, R. Kuroda, K. Ushida, Particle Accelerator Conference 2009, TU6PFP027,(2009)[12] “Development of laser pulse storage in an optical super-cavity for a compact
X-ray source based on laser-Compton scattering” Kazuyuki Sakaue, Masakazu Washio,
Sakae Araki, Masafumi Fukuda, Yasuo Higashi, Yosuke Honda, Hirotaka Shimizu, Takashi
Taniguchi, Junji Urakawa, Noboru Sasao, International Conference on Ultra-short
Electron and Photon Beams, (2009)[13]「早稲田大学フォトカソード RF 電子銃におけるビーム物理研究」鈴木達也, 浦川順治,
柏木茂, 加藤雄太, 黒田隆之助, 坂上和之, 高富俊和, 照沼信浩, 早野仁司, 藤野達樹,
村田亜希, 鷲尾方一, 日本物理学会 第 64 回年次大会, 2009 年 3 月[14]「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(7)」坂上和之, 荒木栄, 浦川順治, 笹尾登, 谷口敬, 照沼信浩, 東保男, 福田将史, 本田洋介,
武藤俊哉, 鷲尾方一, 日本物理学会 第 64 回年次大会, 2009 年 3 月[15]「早稲田大学 RF 電子銃加速器システムの現状と今後の展望」坂上和之, 青木達朗, 鈴木達也, 藤田晃宏, 別當良介, 保坂勇志, 横瀬潤一郎, 横山悠久, 鷲尾, 方一, 浦川順治,
照沼信浩, 早野仁司, 柏木茂, 黒田隆之助, 第 6 回加速器学会年会 2009 年 8 月[16]「レーザー蓄積装置を用いたレーザーコンプトン散乱 X 線生成試験及び今後の展望」
坂上和之, 荒木栄, 浦川順治, 谷口敬, 照沼信浩, 東保男, 福田将史, 本田洋介, 笹尾登,
鷲尾方一, 第 6 回加速器学会年会 2009 年 8 月[17]「早稲田大学 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」鈴木達也、浦川順治、柏木茂、黒田隆乃助、坂上和之、高富俊和、照沼信
浩、早野仁司、横瀬潤一郎、横山悠久、鷲尾方一, 第 6 回日本加速器学会年会, 2009 年 8月[18]「早稲田大学フォトカソード 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」鈴木達也, 浦川順治, 柏木茂, 黒田隆之助, 坂上和之, 高富俊和, 照沼信浩, 早野仁司, 増田明彦, 横瀬潤一郎, 横山悠久, 鷲尾方一, 第 7 回高輝度・高周波電子銃研究会, 2009 年 11 月
[19]「KEK 小型電子加速器における RF 電子銃開発及びその利用研究」坂上和之, Abhay
Deshpande, 荒木栄, Alexander Aryshev, 浦川順治, 笹尾登, 清水洋孝, 高富俊和, 照沼信
8076

浩, 福田将史, 本田洋介, 鷲尾方一, 第 7 回高輝度・高周波電子銃研究会, 2009 年 11 月

8177

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 and Laser
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。本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できた。2010 年度中に軟Ｘ線領域
で応用実験に関する試験運転が可能になるようにマルチバンチ電子ビーム生成実験を行い、100 bunches/pulse から 300 bunches/pulse 運転まで電子ビーム強度を上げることが可能になった。
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。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あげている。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。

2. マルチパルス X 線生成実証試験と改造
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)にて行った。以下の図 1 にその構成図、図 2 に衝突点付近のレイアウト図を示す。

図 1：LUCX 加速器構成図

8278

旧 LUCX 加速器は電子源であるフォトカソード RF 電子銃と 3m の線形加速管から構成され、ビームエネル
ギー約 40MeV の 100Bunches/Train マ
ルチバンチビームを生成可能であった。レーザー蓄積装置との相互作用点は 2 つの四極電磁石によって収束された位置に設置されており、その後電子ビームは偏向電磁石で地面方向にダンプされ、生成した X 線は Be
窓を通して大気中に取り出された。

図 2：衝突点付近の構成図
まずマルチパルス X 線実証試験として以下の図 3 に示されるシンチレーション検出器を用いて測定を行った。シンチレータとしては厚さ 150μm の LYSO(Lu2(1-x)Y2xSiO5:Ce)を用いており、シンチレーション光を光電子増倍管によって増幅して検出した。
このシンチレータの厚さは低エネル
ギーの光子を効率よく検出できるよう計算機シミュレーションによって最適化した。シンチレーション検出器の直前には鉛コリメータを設置し、

図 3：シンチレーション検出器構成図

生成 X 線の中心部分のみを切り出して検出する構成になっている。

83

79これによって検出された X 線の信号を以下の図 4・5 に示す。

図 4：衝突タイミングプロット

図 5：衝突レーザ強度依存プロット

図 4 のタイミングプロットは衝突レーザーのタイミングをスキャンした際のバックグラ
ウンドを差し引いたプロットで、衝突が達成していないタイミングではゼロを示し、実際に衝突が達成されている際には最大約 1500Counts の信号が得られている。この時間幅はレーザーと電子ビームの時間幅に依存しており、約 7.5ps(rms)と予想通りの値が得られている。また、図 5 は実際に X 線の強度がレーザー強度に対して線形に変化していることを示している。これらの図 4・5 より実際にこの X 線がレーザーコンプトン散乱によって生成されたものであると確認できた。
以上の 2008 年度の実験結果から 108 photons/sec 以上のＸ線強度を得るには、S-band 高周波源を 1 台から独立な 2 台システムに変更して、ビームエネルギー約 50MeV の 100
bunches/train (2nC/bunch)マルチバンチ電子ビーム生成を可能にする必要がある。図 6 は改造後の RF System を示す。図 7 は
2nC/bunch の Beam
Loading を補正した場
合の旧システムと改造後のシステムの計算結果である。また、衝突点における電子
ビームサイズを小さ

図 6 高周波電力系の改造、2010.10 完成予定。左が旧システム、

く（直径で 30m in

右が改造後の RF システム。

sigma 以下）して、beambackground を減らすために、RF Gun 電子源の直後に光電子励起用レーザーパルス入射のためのシケーンとコリメータが入れられる装置改造を行うことにした。さらにビーム試験に基づいた多くの知見から改造装置は図 8 に示されるものになった。2010 年 3 月に RF Systemを除いて、装置改造が完成したので、1 台の高周波源で運転を再開して 6 月までに放射線安
全確認審査を受ける状況になった。電子ビームサイズで 16 倍、電子ビーム強度で 5 倍、レーザー強度で 20 倍にすることによってＸ線強度が三桁上がるように要素技術開発を進めて
84

80

いる。

3. 新高周波電子源の設計・製作と性能測定結果
新高周波電子源空洞設計を行い、空洞製作を開始した。設計では無負
荷 Q 値を 15%程度上げか
つ 0-mode と-mode の周
波数差を 8.6MHz まで拡げることができた。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、5.6sec、5.0MeV
ビーム生 成加速も認められるよ うにできる可能性がある。
2009 年秋までに行っ

図7

100 bunches/pulse (2nC/bunch) beam loading 補正、

旧システムでは 23MeV までしか加速できない。改造後は 50MeVまで加速できる。

図 8 上が改造後の LUCX、下が旧 LUCX。
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 1/3 以下にできた。また、簡単に 300 bunches/pulse 電子ビームも行えた。
図９は新高周波電子源の写真と 300 bunches/pulse を beam dump まで輸送した時の 300
bunches のビームエネルギー測定結果である。高周波電子源空洞内の最高加速電界は
85
81

120MV/m 以上で安定に運転できた。

4. 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。図 10 はパル
ス毎に X 線を検出しつ
つ衝突タイミング依存の測定を行った結果であ る 。 Y 軸 の Bunch
Number は値が小さいほど前方のバンチを用いて生成した X 線である
ことを示している。図10 から見て取れるようにバンチ毎に最適な衝突タイミングがシフト

図 9 新高周波電子源写真と 300 bunches のエネルギー測定結していることがわかる。 果、energy spread: 0.75%, bunch charge: 0.53nC, total
これはマルチバンチビ charge: 160nC, beam energy: 5.25MeV。
ーム加速の際のビームローディング補正が不十分であったためにバンチ間隔にずれが生じ、引き起こされた現象である。実機ではさらに長いトレインを用いるため、この効果はさらに顕著になり高精度のビームローディ
ング補正が必須である。
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 線生成実験を行い、この高精度衝突技術の開発と蓄積を進める。2008 年度の実
験では、ビームサイズ、パルス長がそれぞれ 30um、10ps のレーザーパルスと 60um、

図 10：パルス毎のタイミング依存

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 um 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8682

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 10um 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。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、5MeV-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線の利用実証試験も行うことになる。

5. 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してきた。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いる。2008年～2010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。
本基盤技術開発研究では、実証試験装置を 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ことになる。必要とする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、小型高輝度光子ビーム源開発室（KEK-2 号館 4 階 406号室）を作った。プロジェクトで得られた成果を発信するための Web ページを公開した。
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してる。ま8783

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年度秋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。

6. 参考文献[1]. R. Hajima, N. Nishimori, R. Nagai, H. Iijima, M. Yamamoto, T. Muto, Y. Honda,
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本田洋介、河田洋、飯島北斗、西森信行、永井良治、羽島良一、栗木雅夫, “ERL 放射光源
用電子銃のためのフォトカソード開発”, 第六回加速器学会年会、日本原子力開発機構、
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将博、許斐太郎、奥見正治、中西彊, “GaAs 光カソード加熱によるダーク寿命の低下についての研究”, 第六回加速器学会年会、日本原子力開発機構、8/5-7, FPPSA15, 2009[4]. 柏木茂、加藤龍好、杉本直哉、古橋建一郎、寺沢賢和、森尾豊、磯山悟朗,杉山陽栄、
浦川順治,早野仁司,久保大輔、正中智慧、栗木雅夫、神戸浩多, “Ｌバンドフォトカソー
ド RF 電子銃の開発 II”, 第六回加速器学会年会、日本原子力開発機構、8/5-7, FPPSA12,2009[5]. 山本将博、金秀光、前多悠也、宇治原徹、竹田美和、栗木雅夫、正中智慧、久保大輔、
栗栖普揮、本田洋介、宮島司、内山隆司、武藤俊哉、松葉俊哉、坂中章吾、佐藤康太郎、
斎藤義男、本田融、小林幸則、河田洋、西森信行、永井良二、飯島北斗、羽島良一、桑原
真人、奥見正治、中西彊,“KEK における ERL 放射光源用 500kV 電子銃の開発計画”, 第六回加速器学会年会、日本原子力開発機構、8/5-7, FPPSA08, 2009[6]. S. Kashiwagi, R. Kato, Y. Morio, K. Furuhashi, Y. Terasawa, N. Sugimoto, G.
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T. Miyajima,

M. Kuriki, M. Kuwahara, S. Okumi, T. Nakanishi, “DEVELOPMENT OF A

500-KV PHOTO-CATHODE DC GUN FOR THE ERL LIGHT SOURCES IN JAPAN”, Proceedings of88
84

FEL2009 (Liverpool, UK), TUPC17, 2009[8]. M. Kuriki, C. Shonaka, D. Kubo, H. Okamoto, H. Higaki, K. Ito,M. Yamamoto, T.
Konomi, S. Okumi, M. Kuwahara, T. Nakanishi, “Darklifetime degradation of GaAs
cathode”, Proceedings of Workshop on Ultrafast electron and photon beams (Xian,
China),

to be published in Nucl. Instr. and Meth. A, 2009[9]. 赤木智哉 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[10]. 永田修司
会

第 6 回日本加速器学会

2009 年 8 月

高輝度偏極光子源の為の新型レーザー蓄積共振器の開発 I

2009 年分科会

日本物理学2009 年 9 月[11]. 三好修平 高輝度偏極光子源の為の新型レーザー蓄積共振器の開発 II 日本物理学会2009 年分科会

2009 年 9 月[12]. 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第 65 回年次大会[13]. 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 3 月
日本物理学会第 65 回

年次大会 2010 年 3 月[14]. S. Miyoshia, T Akagia, S. Arakib, Y. Funahashib, T. Hirosec, Y. Hondab, M.
Kurikia, X. Lid, T. Okugib, T. Omorib, G. Peid, K. Sakauec, H. Shimizub, T. Takahashia,
N. Terunumab, J. Urakawab, Y. Ushioa and M. Washioc “ Photon generation bylaser-Compton scattering at the KEK-ATF”, arXiv:1002.3462v1, (Nuclear Instruments
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Okugi, Tsunehiko Omori, Nobuhiro Terunuma, Junji Urakawa, Masao Kuriki, Shuhei
Miyoshi, Tohru Takahashi, Yasuaki Ushio, Tachishige Hirose, Kazuyuki Sakaue, Masakazu
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2009, Preprint submitted to TIPP09, to be published in NIM A[21]. “Silicon-on-insulator technology enables next-generation radiation image
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90

86

J. Yang, Nucl. Instrum. Meth. A613 (2010) 1-8.
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Kashiwagi, Yuta Kato, Ryunosuke Kuroda, Kazuyuki Sakaue, Toshikazu Takatomi, Nobuhiro
Terunuma, Hitoshi Hayano, Tatsuki Fujino, Akihiko Masuda, Aki Murata, Masakazu Washio,
Particle Accelerator Conference 2009, MO6RFP102 (2009)9187

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Sakae Araki, Masafumi Fukuda, Yasuo Higashi, Yosuke Honda, Hirotaka Shimizu, Takashi
Taniguchi, Junji Urakawa, Noboru Sasao, International Conference on Ultra-short
Electron and Photon Beams, (2009)[44]. 「早稲田大学フォトカソード RF 電子銃におけるビーム物理研究」鈴木達也, 浦川順
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洋介, 武藤俊哉, 鷲尾方一, 日本物理学会 第 64 回年次大会, 2009 年 3 月[46].「早稲田大学 RF 電子銃加速器システムの現状と今後の展望」坂上和之, 青木達朗, 鈴木達也, 藤田晃宏, 別當良介, 保坂勇志, 横瀬潤一郎, 横山悠久, 鷲尾, 方一, 浦川順治,
照沼信浩, 早野仁司, 柏木茂, 黒田隆之助, 第 6 回加速器学会年会 2009 年 8 月[47]. 「レーザー蓄積装置を用いたレーザーコンプトン散乱 X 線生成試験及び今後の展望」
坂上和之, 荒木栄, 浦川順治, 谷口敬, 照沼信浩, 東保男, 福田将史, 本田洋介, 笹尾登,
鷲尾方一, 第 6 回加速器学会年会 2009 年 8 月[48]. 「早稲田大学 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」鈴木達也、浦川順治、柏木茂、黒田隆乃助、坂上和之、高富俊和、照沼
信浩、早野仁司、横瀬潤一郎、横山悠久、鷲尾方一, 第 6 回日本加速器学会年会, 2009 年
8月[49]. 「早稲田大学フォトカソード 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」鈴木達也, 浦川順治, 柏木茂, 黒田隆之助, 坂上和之, 高富俊和, 照沼信浩,
早野仁司, 増田明彦, 横瀬潤一郎, 横山悠久, 鷲尾方一, 第 7 回高輝度・高周波電子銃研究会, 2009 年 11 月
[50]. 「KEK 小型電子加速器における RF 電子銃開発及びその利用研究」坂上和之, Abhay
Deshpande, 荒木栄, Alexander Aryshev, 浦川順治, 笹尾登, 清水洋孝, 高富俊和, 照沼
信浩, 福田将史, 本田洋介, 鷲尾方一, 第 7 回高輝度・高周波電子銃研究会, 2009 年 11 月

92

88

7. 成果の外部への発表
学会等における口頭・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）

発表者氏

発表した場所（学会名等名）

Status of the Compton
Experiment at the ATF 高橋

徹

（口頭）

つくば市、エポカル(TILC09)

発表した時期国内・外の別2009 年 4 月 18 日

国内2009 年５月６日

国外招待講演、Developmentof CW Laser Wire in
Storage Ring and本田洋介

Pulsed Laser Wire（口Vancouver, Hyatt
Hotel (PAC09)

頭）Simulations of Mode
Separated RF Photo
Cathode Gun（ポスタ
ー）

Abhay
Deshpande
その他

Vancouver, Hyatt2009 年５月４日

Hotel (PAC09)～7 日

Vancouver, Hyatt2009 年５月４日

Hotel (PAC09)～7 日

Orsay, TTC

2009 年 6 月 16 日

Meeting, France～19 日

Orsay, TTC

2009 年 6 月 16 日

Meeting, France～19 日

Orsay, TTC

2009 年 6 月 16 日

Meeting, France～19 日

Orsay, TTC

2009 年 6 月 16 日

Meeting, France～19 日

Orsay, TTC

2009 年 6 月 16 日

Meeting, France

～19 日

国外

Micron Size
Laser-Wire System at
the ATF Extraction
Line, Recent Results
and ATF-II Upgrade（ポAlexander
Aryshev
その他

国外

スター）
Regional report ASIA（口頭）
STF cryomodule tset
（口頭）

早野仁司

加古永治

Cavity and package
production for野口修一

KEK-STF（口頭）Surface study byusing sample plate（口 佐伯学行
頭）
KEK-STF cryomodule
assembly report（口
頭）

大内徳人

93

89

国外

国外

国外

国外

国外

STF cryomodule testplan（口頭）
STF T-mao results（口
頭）

大内徳人

山本康史

Recent inspection
results by渡邉謙

Kyoto-camera（口頭）STF new-EP
commissioning（口頭）4 Mirror Cavity R&D inJapan （口頭）

上野健治

高橋

徹

Orsay, TTC

2009 年 6 月 16 日

Meeting, France～19 日

Orsay, TTC

2009 年 6 月 16 日

Meeting, France～19 日

Orsay, TTC

2009 年 6 月 16 日

Meeting, France～19 日

Orsay, TTC

2009 年 6 月 16 日

Meeting, France～19 日

Lyon, IPNL

2009 年 6 月 23 日

(PoiPol2009)

～26 日

国外

国外

国外

国外

国外

早稲田大学 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

鈴木達也
その他

日本原子力研究開発機構（第 6 回日本
加速器学会）

2009 年 8 月 5 日～
7日

国内

ムの開発（ポスター）
レーザー蓄積装置を用いたレーザーコンプト
ン散乱 X 線生成試験及び今後の展望（ポスタ

坂上和之
その他

日本原子力研究開発機構（第 6 回日本
加速器学会）

2009 年 8 月 5 日～
7日

国内

ー）
KEK－ATF ダンピング
リングにおける
Laser-Wire システム

清水洋孝

による Beam Size 及その他

び Emittance 測定と日本原子力研究開発機構（第 6 回日本
加速器学会）

2009 年 8 月 5 日～
7日

国内

その改良（ポスター）
周回発振型光蓄積装置
によるレーザーコンプ

本田洋介

トン光源用レーザー標

その他

的の提案（ポスター）
KEK-ATF における ILC
偏極陽電子源の為の光赤木智哉

蓄積共振器を用いた高その他

輝度ガンマ線生成実験

日本原子力研究開発機構（第 6 回日本
加速器学会）
日本原子力研究開発機構（第 6 回日本
加速器学会）

94
90

2009 年 8 月 5 日～
7日

2009 年 8 月 5 日～
7日

国内

国内

II（ポスター）

L バンドフォトカソー
ド RF 電子銃の開発（II）（ポスター）
S-BAND COMPACT X-RAY
SOURCE WITH Pi/2 MODE
ELECTRON LINAC（ポスター）
KEK 小型電子加速器(LUCX)の将来計画（ポ
スター）

柏木

茂

その他
Abhay

日本原子力研究開発機構（第 6 回日本
加速器学会）
日本原子力研究開

Deshpande 発機構（第 6 回日本
その他
福田将史
その他

加速器学会）
日本原子力研究開発機構（第 6 回日本
加速器学会）

2009 年 8 月 5 日～
7日

2009 年 8 月 5 日～
7日

2009 年 8 月 5 日～
7日

国内

国内

国内

招待講演 Development
for Compact X-ray
Source based on

西安(ICFA

Compton Scattering

Workshop on

using 1.3GHz

浦川順治

Ultra-Short

Superconducting RF

electron/photon

Accelerating Linac

beams)

2009 年 9 月 7 日～
10 日

国外

and New Laser Storage
Cavity（口頭）Development of alaser pulse storage

西安(ICFA

technique in an
optical super-cavity

坂上和之

for a compact X-ray

その他

source based on

Workshop on
Ultra-Shortelectron/photon

2009 年 9 月 7 日～
10 日

国外

beams)

laser-Compton
scattering（ポスター）

西安(ICFA

Upgrade of theaccelerator for theLaser Undulator
Compact X-ray source(LUCX)（ポスター）

福田将史
その他

Workshop on
Ultra-Shortelectron/photon
beams)

95
91

2009 年 9 月 7 日～
10 日

国外

招待講演 High quality

西安(ICFAand highcurrenthighcurrent
electron source based
electrona photoCs-Te
on a Cs-Te

Workshop on
鷲尾方一

electron/photon

photo-cathodeRF-guncathodeRF-gun（口頭）の新型レーザー蓄積共振器の開発 I（口頭）
高輝度偏極光子源の為の新型レーザー蓄積共振器の開発 II（口頭）2009 年 9 月 7 日～
10 日

国外

beams)（口頭）
高輝度偏極光子源の為

Ultra-Short

三好修平

甲南大学（日本物理 2009 年 9 月 10 日

その他

学）

永田修司

甲南大学（日本物理 2009 年 9 月 10 日

その他

学）

福田将史

岡山大学（日本物理 2010 年 3 月 20 日

その他

学会）

～13 日

～13 日

国内

国内

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(8)（口

～23 日

国内

頭）
Ce-Te フォトカソード
RF-Gun を用いたマルチ 横瀬潤一

岡山大学（日本物理 2010 年 3 月 20 日

郎その他

学会）

電子ビームの RF 振幅

横山悠久

岡山大学（日本物理 2010 年 3 月 20 日

変調法を用いたエネル

その他

学会）

赤木智哉

岡山大学（日本物理 2010 年 3 月 20 日

その他

学会）

バンチ電子ビーム生成

～23 日

国内

システムの開発（口頭）フォトカソード RF-Gun
におけるマルチバンチ
～23 日

国内

ギー補正に関する研究（口頭）
高輝度偏極光源の為の４枚鏡光蓄積共振器の開発（口頭）
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(口頭）

茨城大学（日本原子浦川順治

力学会年会、企画セ
ッション）

96

92

～23 日
2010 年 3 月 26 日
～28 日

国内

国内

学会誌・雑誌等における論文掲載[1]. “Photon Generation by Laser-Compton Scattering Using an Optical Resonant Cavity
at the KEK-ATF Electron Ring” Hirotaka Shimizu, Sakae Araki, Yoshisato Funahashi,
Yosuke Honda, Toshiyuki Okugi, Tsunehiko Omori, Nobuhiro Terunuma, Junji Urakawa,
Masao Kuriki, Shuhei Miyoshi, Tohru Takahashi, Yasuaki Ushio, Tachishige, Hirose,
Kazuyuki Sakaue, Masakazu Washio, Pei Guoxi, Li XiaoPing, Journal of the PhysicalSociety of Japan, Vol.78, No.7, (2009) 074501-1 ～ 074501-7.
[2]. “Stabilization of a Non-Planar Optical Cavity using its Polarization Property”
Yosuke Honda, Hirotaka Shimizu, Masafumi Fukuda, Tsunehiko Omori, Junji Urakawa,Kazuyuki Sakaue, Hiroshi Sakai, Noboru Sasao, Optics Communications, Vol. 282, (2009)
3108-3112.
[3]. “Experimental result of Lorentz detuning in STF phase-1 at KEK-STF”, Y.
Yamamoto, H. Hayano, E. Kako, T. Matsumoto, S. Michizono, T. Miura, S. Noguchi, M.
Satoh, T. Shishido, K. Watanabe, Proc. of SRF2009, Berlin, Germany (2009) TUPPO007.
[4]. “Cryomodule tests of the STF phase-1 at KEK”,E. Kako, H. Hayano, S. Noguchi,
M. Satoh, T. Shishido, K. Watanabe and Y. Yamamoto, Proc. of SRF2009, Berlin, Germany(2009) TUPPO021.
[5]. “R&D of nondestructive inspection systems for SRF cavities”,Y. Iwashita, H.
Fujisawa, H. Tongu (Kyoto University), H. Hayano, K. Watanabe and Y. Yamamoto(KEK),
Proc. of SRF2009, Berlin, Germany (2009) TUPPO040.
[6]. “Surface characterization of niobium samples electropolished together with realcavities”, X. Zhao, R. L. Geng(JLAB), Y. Funahashi, H. Hayano, S. Kato, M. Nishiwaki,
T. Saeki, M. Sawabe, K. Ueno, K. Watanabe(KEK) , Proc. of SRF2009, Berlin, Germany(2009) TUPPO086.
[7]. “R&D for the post-EP process of superconducting RF cavity”, 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), Proc. of SRF2009, Berlin, Germany (2009)
THPPO085.
[8]. “Advances and performance of input couplers at KEK”, E. Kako, S. Noguchi, M.
Satoh, T. Shishido, K. Watanabe, Y. Yamamoto (KEK) , H. Jenhani(LAL-Orsay), T. X.
Zhao(IHEP), Proc. of SRF2009, Berlin, Germany (2009) THOBAU02.
[9]. “Silicon-on-insulator technology enables next-generation radiation image
sensors”, Yasuo Arai and Toshinobu Miyoshi, 5 August 2009, SPIE Newsroom. DOI:
10.1117/2.1200907.1725.
[10]. “New Techniques in SOI Pixel Detector”, Y. Arai, 2009 IEEE Nuclear Science97

93Symposium and Medical Imaging Conference, Orlando Florida, Oct. 25-31, 2009,
Conference Record,[11]. “100-femtosecond MeV electron source for ultrafast electron diffraction”
Jinfeng Yang, Koichi Kan, Nobuyasu Naruse, Yoichi Yoshida, Katsumi Tanimura, Junji
Urakawa /dx.doi.org/10.1016/j.radphyschem.2009.05.009,[12]. “Development of Compact Coherent EUV Source Based on Laser Compton Scattering”
S. Kashiwagi, R. Kato, G. Isoyama, K. Sakaue, A. Masuda, T. Nomoto, T. Gowa, M. Washio,
R. Kuroda and J. Urakawa, Radiat. Phys. Chem. 78 (2009) 1112-1115.
[13]. “Observation of pulsed x-ray trains produced by laser-electron Compton
scatterings” Kazuyuki Sakaue, Masakazu Washio, Sakae Araki, Masafumi Fukuda, Yasuo
Higashi, Yosuke Honda, Tsunehiko Omori, Takashi Taniguchi, Nobuhiro Terunuma, Junji
Urakawa, Noboru Sasao, Rev. Sci. Instrum., 80(12) (2009) 123304 1-7.
[14]. “Development of a Compact X-ray Source and Super-sensitization of Photo Resists
for Soft X-ray Imaging” T. Gowa, N. Fukutake, Y. Hama, K. Hizume, T. Kashino, S.
Kashiwagi, R. Kuroda, A. Masuda, A. Oshima, T. Saito, K. Sakaue, K. Shinohara, T.
Takahashi, T. Urakawa, K. Ushida and M. Washio, J. Photopolym Sci. Technol. 22(5)(2009) 691-696.
[15]. “High-voltage testing of a 500-kV dc photocathode electron gun”, R. Nagai,
R. Hajima, N. Nishimori, T. Muto, M. Yamamoto, Y. Honda, T. Miyajima, H. Iijima, M.
Kuriki, M. Kuwahara, S. Okumi, T. Nakanishi, Review of Scientific Instruments, 81,033304 (2010)[16]. “Eccentric fluted beam pipes to damp quadrupole higher order modes”, M.
Sawamura, T. Furuya, H. Sakai, T. Takahashi, K. Umemori, K. Shinoe. Physical Review
Special Topics – Accelerator and Beams, 13, 022003 (2010)[17]. “Improvement of an S-band RF gun with a Cs2Te photocathode for the KEK-ATF”
N. Terunuma, A. Murata, M. Fukuda, K. Hirano, Y. Kamiya, T. Kii, M. Kuriki, R. Kuroda,
H. Ohgaki, K. Sakaue, M. Takano, T. Takatomi, J. Urakawa, M. Washio, Y. Yamazaki,
J. Yang, Nucl. Instrum. Meth. A613 (2010) 1-8.
[18]. “Photon generation by laser-Compton scattering at the KEK-ATF”, S. Miyoshi,
T. Akagia, S. Arakib, Y. Funahashib, T. Hirosec, Y. Hondab, M. Kurikia, X. Lid, T.
Okugib, T. Omorib, G. Peid, K. Sakauec, H. Shimizub, T. Takahashia, N. Terunumab,
J. Urakawab, Y. Ushioa and M. Washioc, arXiv:1002.3462v1, (Nuclear Instruments andMethod 誌に掲載受理 http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2010.03.075)

98

94

国
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

内・名

会誌・雑誌等名） 時期

外の別

Photon Generation by
Laser-Compton Scattering Using
an Optical Resonant Cavity at
the KEK-ATF Electron Ring
Stabilization of a non-planar
optical cavity using its
polarization property

Hirotaka

Journal of the

Shimizu,

Physical Society

et al.

of Japan2009 年 4月掲載

Y. Honda, Optics

2009 年 5

et al.

月掲載

Comminications

Experimental result of Lorentz Y.
detuning in STF phase-1 at

Yamamoto Proc. of SRF2009
Yamamoto,

KEK-STF, etetal.al.

Cryomodule tests of the STF

E. Kako,phase-1 at KEK

et al.

R&D of nondestructiveY.

inspection systems for SRF

Iwashita, Proc. of SRF2009
Iwashita

cavitiesal.al.
,etet

Proc. of SRF2009

2009 年 7月掲載
2009 年 7月掲載
2009 年 7
月掲載

国外

国外

国外

国外

国外

Surface characterization of
niobium samples

X. Zhao,

electropolished together withet al.

Proc. of SRF2009

2009 年 7月掲載

国外

real cavities
R&D for the post-EP process of T. Saeki,
superconducting RF cavity

et al.

Advances and performance of

E. Kako,

input couplers at KEK

et al.

Proc. of SRF2009

Proc. of SRF2009

2009 年 7月掲載
2009 年 7
月掲載

国外

国外

SPIE Newsroom.

Silicon-on-insulator
technology enables

Y. Arai,

DOI:

2009 年 8

next-generation radiation

et al.

10.1117/2.12009

月掲載

07.1725.

image sensors

99
95

国外

IEEE Nuclear
New Techniques in SOI Pixel

Y. Arai,

Detector

et al.

Science2009 年 10

Symposium andMedical Imaging

月掲載

国外

Conference
Jinfeng

100-femtosecond MeV electron

EUV

SourceBasedonproducedlaser-electronand2009 年 11
月掲載

et et
al.al. Chemistryi,

Observation of pulsed x-ray
trains

国外

RadiationS.

Laser Kashiwag
Kashiwagi, Physics

Compton Scattering

月掲載

Chemistry

et al.

Development of Compact Coherent

2009 年 11

Physics andsource for ultra fast electron Yang,diffraction

Radiation

Rev.

Sci.

by K.Sakaue
K.Sakaue, Instrum., 80(12) 2009 年 12Compton ,et al.
et al. (2009)

scatterings

国外

123304 月掲載

国外

1-7.

Development of a Compact X-ray
Source and Super-sensitization T. Gowa,

J.

Photopolym 2009 年 12

of Photo Resists for Soft X-ray et al.

Sci. Technol.

月掲載

国外

ImagingHigh-voltage

testingofa500-kV dc photocathode electron

Review
R. Nagai,et al.

gun
Eccentric fluted beam pipes toM.

N.

with a Cs2Te photocathode for Terunuma
Terunuma,
the KEK-ATF
PhotonbyS.
laser-Compton scattering at the Miyoshi,
KEK-ATF

月掲載

Special Topics – 2010 年 1
Accelerator and 月掲載

国外

et al.

100
96

国外

Beams
Nucl.
Meth.

,etetal.
al.
generation2010 年 1

Physical Review,etetal.
al.

Improvement of an S-band RF gun

Scientific
Instruments

damp quadrupole higher order Sawamura
Sawamura,
modes

of

Nucl.
Meth.

Instrum. 2010 年 2
月掲載

Instrum. 2010 年 3
月掲載

国外

国外