MOPPH046

Proceedings of FEL 2007, Novosibirsk, Russia

OPERATION OF NEAR-INFRARED FEL AT NIHON UNIVERSITY*
K. Hayakawa#, Y. Hayakawa, K. Nakao, K. Nogami, T. Tanaka, LEBRA, Funabashi, Japan
A. Enomoto, S. Fukuda, K. Furukawa, S. Michizono, S. Ohsawa, KEK, Ibaraki, Japan
M. Inagaki, T. Kuwada, T. Sakai, I. Sato, Nihon University, Tokyo, Japan
Abstract
The near-infrared FEL at Laboratory for Electron BeamResearch and Application (LEBRA) in Nihon University
has been operated for a variety of scientific applications
since 2003. The stability of the FEL power was improved
appreciably by the advanced stability of the 125MeV
electron linac. Currently fundamental FEL wavelength
ranges from 1 to 6 microns, which is restricted by theelectron energy and the optical devices. The higher
harmonics in the visible region is also available [1]. The
maximum macropulse output energy of 60mJ/pulse has
been obtained at a wavelength of 1725 nm. The short FEL
resonator length at LEBRA results in relatively highoptical energy density on the surface of the resonatormirrors; present copper-based Ag mirrors in use at
LEBRA are not durable enough for long-term operation.
Generation of intense harmonics by means of nonlinear
crystals has been tested. The preliminary results havedemonstrated the conversion efficiencies of 3 to 9% for
the second harmonic generation by the fundamental FEL
in the wavelength region from 1400 to 1800nm.

The FEL beam line and the optical resonator systemhave been installed to provide the near-infrared FEL forvarious studies [2]. To increase the FEL gain, magnetic
bunch compression has been performed in the 90-degree
bending system [3].
Table 1: Main parameters of the LEBRA linac.
Accelerating rf frequency

2856

MHz

Klystron peak output rf Power

30

MW

Number of klystrons

2Electron energy

30~125

MeV

Energy spread (FWHM)

0.5~1

%

Macropulse beam current

200

mA

Macropulse duration

20

μsec

Repetition rate

12.5

Hz

Table 2: LEBRA undulator parameters.

INTRODUCTION

Resonator length, L

6.718

m

The electron linac at LEBRA has a conventional
configuration. It consists of the DC electron gun with adispenser cathode, the prebuncher which is a 7-celltravelling wave structure, the buncher which is a 21-celltravelling wave structure and three 4-m long regularaccelerating sections. The specifications of the electron
linac are listed in Table 1. Schematic layout of theaccelerating structures, the RF system and the beam lines
for FEL and parametric X-ray (PXR) generations areshown in Fig. 1.

Undulator period

48mm

Undulator length

2.4m

Number of periods

50

Maximum K (rms)
1.35
To generate a monochromatic and spatially coherent
X-ray beam, the PXR beam line has been installed next to
the FEL beam line.

Signal generator
RF amp.

FC

Klystron
Attenuator
Phase
shifterMagnetic lensElectron
Gun Prebuncher

FEL
Beam Line

PXR
Beam Line
Coil

Buncher

Steering coil

Q triplet

4-m Acc Section 4-m Acc Section 4-m Acc Section

Analyzer

FC

Figure 1: Schematic layout of the accelerating structures, RF system and the FEL and the PXR beam lines___________________________________________*"Academic Frontier" Project for Private Universities: matching fund subsidy from MEXT, Japan, 2005-2007#
hayakawa@lebra.nihon-u.ac.jp

FEL operation114

Proceedings of FEL 2007, Novosibirsk, Russia

The undulator consists of a planar Halbach-type
permanent magnet, where the electron beam is wiggled in
the vertical plane. The specifications of the FEL system
are listed in Table 2. The optical beam is extracted
through the small coupling hole made in the mirror center.
The light beam extracted from the optical resonator iscollimated using the beam expander that consists of anellipsoidal mirror and a parabolic mirror, and thentransported to the experimental rooms through thevacuum ducts.
In this paper, the wavelength dependence of the FEL
intensity, the time structure of the FEL pulse and the
problem of the resonator mirror damage are reported.
Also, the results of the experiments for generating theharmonics by means of nonlinear optical crystals (NLO)
are discussed.

CHARACTERISTICS OF FEL LIGHT
Correlation between the oscillating wavelengthand the optical energy per macropulse
The FEL output power is very sensitive to the changeof the orbit and the focusing of the electron beam, and it
also depends on the adjustment of the optical resonatorand the extent of damage of the resonator mirrors. Hence,
the reproducibility of the FEL power level is not very
good even at the same electron energy and the same
undulator gap width. However, there is a roughcorrelation between the oscillating wavelength and theoptical energy per macropulse. The dependences of theoutput FEL energy on the wavelength have been obtainedfor various electron energies in the wavelength region
from 1160 to 6130nm as shown in Fig. 2.
In the short wavelength region the saturation level isrelatively high, though the gain is small and the loss islarge. The FEL macropulse duration becomes short near
the oscillation limit at the short wavelength end where thesaturation is not achieved stably. In the long wavelength
region the macropulse duration is relatively long and thesaturation is stable. However, due to the relatively low
saturation level and small output coupling, the energy of
the FEL extracted from the optical resonator decreases
Output energy per macro pulse

55(Mev)

energy per pulse (a.u.)

60
80

65

60

70
80

40

90

20

100

0
0

2000

4000

6000

8000

wavelength (nm)Figure 2: Wavelength dependence of the output
energy per macropulse.

MOPPH046

gradually with increased wavelength.
In the LEBRA FEL, the output energy per macropulse
has the maximum at the wavelengths around 2000 nm.
The maximum record of 60mJ/pulse has been achieved at
the wavelength of 1725nm.

Pulse structure
To increase the peak electron beam current, the electron
bunch has been compressed by using the 90–degree
bending magnet system placed just upstream of the FEL
system. The analysis of the energy spectra of 100-MeV
electron beam obtained by the acceleration in different RFphases suggests that the bunch length of approximately
3ps (FWHM) at the exit of the linac has been compressed
to 1ps (FWHM) or less at the entrance of the FEL system.
This implies that we can expect a very short FEL pulse.
Since the FEL pulse is a coherent wave packet, theapproximate pulse length can be deduced from themeasurement of autocorrelation width. A typical shape of
the autocorrelation traces measured at a wavelength of1500 nm by using a Michelson interferometer is shown in

Figure 3: Autocorrelation trace at the wavelength of
1500nm.
Fig. 3. In this figure the horizontal axis expresses the
position of the movable mirror measured along the opticalaxis in the interferometer, in units of micron, and thevertical axis expresses the relative intensity of the lightdetected by means of an InGaAs photo diode. The FEL
pulse width of approximately 60 μm in spatial domain or
200 fs in time domain has been deduced from this trace.
By using the same method, the pulse width of thesecond and the third harmonics have been deduced
approximately to be a half and two third the width of thefundamental FEL, respectively. The intensities of theseharmonics have been measured by means of a Si photo
diode.

Mirror damage
To oscillate FEL over the wide region of wavelengths,
protected silver-coated copper mirrors have been used forthe optical resonator. In fact, this type of mirror has anextremely high reflectance at the wavelength region
longer than 0.4 μm, and has demonstrated the highest
durability ever experienced at LEBRA as a FEL resonatormirror. Use of protected silver-coated silicon mirrors was
attempted. The mirrors suffered serious damage soon

FEL operation

115

MOPPH046

Proceedings of FEL 2007, Novosibirsk, Russia

after the FEL oscillation started. A photograph of thedamaged silicon mirror and its expanded image aroundthe coupling hole are shown in Fig. 4. In this figure, it
looks that the coated silver was melted and the silicon
substrate was excavated. On the contrary, the copper
mirrors were usable at least several months, although the
FEL power level decreased gradually and the mirrors
eventually had to be replaced.

extremely high energy density caused by very short FEL
pulses in the optical resonator. Under the present situation,
the resonator mirrors have to be replaced every three orfour months.
The FEL beam radius on the resonator mirror can beenlarged by shortening the Rayleigh range. Then theenergy density may be reduced sufficiently so that mirror
damages can be avoided. When the Rayleigh range isshortened, the resonator mirrors have to be adjusted very
precisely so as to keep the confocal condition. Since there
has been found no other efficient solutions, mirrors withsmaller curvature radii will be tested if the lifetime of themirror can be increased.

HARMONIC GENERATION USING NLO

Figure 4: Damages on the surface of the Ag coatedsilicon. Entire mirror (25mm in diameter) and close up
around the coupling hole.

Figure 5: Damages and discoloration on the surface of
the Ag-coated copper mirror. Entire mirror (25mm indiameter) and close up around the coupling hole.
A demounted mirror and its expanded image aroundthe coupling hole are shown in Fig. 5. Different from thecase of the silicon mirror, the surface over the wide area
near the center of the mirror has discolored. The coatedsilver around the coupling hole has been lost; the copper
substrate is visible and it looks melted. Degradation of theresonator mirrors by the damage on the surface is aserious problem in generating a high power FEL. As
mentioned previously, the micropulse width of the
LEBRA infrared FEL has been estimated to be as short as
200 fs. Therefore, damage to the mirrors could be due to
FEL operation

116

Preliminary experiments for generating harmonics [4]of the FEL by using NLO devices have been performed.
The KTiOPO4 (KTP) crystals have been used for second
harmonic generation (SHG) and third harmonic
generation (THG). The cutting angle and theantireflective coating of the crystal for SHG were
optimized for the fundamental wavelength of 1500 nm
and the second harmonic of 750 nm. Similarly the crystal
for THG was optimized for corresponding wavelengths.
The conversion efficiencies of SHG obtained with theTable 3: Fundamental and second harmonic
wavelengths, energies per macropulse and conversion
efficiencies.
2nd nm
1st mJ
2nd mJ
efficiency %1st nm
1400
700
~3
~0.15
~5
1500
750
~4.5
~0.4
~9
1600
800
~6
~0.45
~7.5
1700
850
~7.5
~0.6
~8
1800
900
~9
~0.3
~3
NLO have been 3 to 9% for the fundamental wavelengths
from 1400 to 1800nm as listed in table 3. Typicalmacropulse waveforms of fundamental FEL, nonlinear
second harmonic and SHG are shown in Fig. 6. The SHG
waveform is similar to the fundamental one. The THG
waveform was also observed, however the conversion
efficiency was far smaller than 1%.
A KTP crystal works under Type-II phase matching(a)(b)
Figure 6: Macropulse waveforms of fundamental andsecond harmonic: (a) fundamental (lower trace) andnonlinear harmonic (upper trace), (b) fundamental andSHG.

Proceedings of FEL 2007, Novosibirsk, Russia

MOPPH046

condition. Hence the second harmonic is generated fromtwo fundamentals with their polarization planes at rightangles to each other. Due to the group velocity mismatch
between the two components of fundamental light, theconversion phenomenon occurs only within about 1 mm
in depth from the surface of the crystal, which restricts theconversion efficiency. If it is necessary to increase theconversion efficiency, other kinds of crystal should be
used.

REFERENCES[1] Y.Hayakawa, et al, “Characteristics of thefundamental and the higher harmonic generation at
LEBRA”, Nucl. Inst. and Meth. A 507 (2003) 404408.
[2] K.Hayakawa, et al, “The LEBRA 125 MeV electron
linac for FEL and PXR generation”, Proc.
LINAC2004, Luebec, Aug. 2004, p 90.
[3] K.Yokoyama, et al. “Bunch length measurements at
LEBRA”, Proc. LINAC2004, Luebec, Aug. 2004, p
411.
[4] P.A.Franken, A.E.Hill, C.W.Peters, and G.Weinreich.
“Generation of Optical Harmonics”, Phys. Rev. Lett.
7, 118-119 (1961).

FEL operation

117

ARTICLE IN PRESS
Available online at www.sciencedirect.com

NIM B
Beam Interactions
with Materials & Atoms

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B xxx (2008) xxx–xxx
www.elsevier.com/locate/nimb

Dependence of PXR beam performance on the operationof the pulsed electron linac q
Y. Hayakawa a,*, K. Hayakawa a, M. Inagaki a, T. Kuwada a, K. Nakao a, K. Nogami a,T. Sakae b, T. Sakai a, I. Sato a, Y. Takahashi a, T. Tanaka aaLaboratory for Electron Beam Research and Application, Nihon University, Narashinodai 7-24-1, Funabashi 274-8501, Japanb
School of Dentistry at Matsudo, Nihon University, Matsudo 271-8587, Japan
Received 30 November 2007; received in revised form 20 February 2008
Available online

Abstract
Advanced applications of parametric X-ray radiation (PXR) such as energy-dispersive X-ray absorption ﬁne structure (DXAFS)
analysis and phase-contrast imaging have been developed at the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA)
of Nihon University. To improve the electron beam quality and geometrical stability of the target crystal, the cooling-water system
for the linac and the PXR target was replaced with a new one capable of more precise control. As a result, the reliability of the experimental data in PXR applications, especially in X-ray imaging, has improved. The eﬀect of the electron beam focusing on the target crystal was also investigated. The results of X-ray imaging with a long propagation distance and measurement of the time-structure of the
PXR intensity suggest that the correlation between the electron beam proﬁle and the X-ray coherence is rather complicated. It is possiblethat incident electrons cause some deformation of the target crystal, becoming the dominant factor restricting the quality of intense PXR.
Ó 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.
PACS: 41.60.m; 41.50.+h; 29.17.+w; 61.10.Ht; 87.64.Rr
Keywords: PXR; Electron linac; Coherent X-ray source; Phase-contrast imaging

1. Introduction
Parametric X-ray radiation (PXR) from relativistic electron beams has been investigated both theoretically andexperimentally because of its attractive characteristics suchas monochromaticity, tunability and coherency [1–8]. In
previous works, however, the discussions has been limited
for the most part to the basic physical properties of PXR
as a radiation phenomenon. For instance, evaluation of a
PXR reﬂection cross section using the photon-counting
method has been a typical purpose of the experimentalqThis work was supported by the ‘‘Academic Frontier” Project forPrivate Universities, with a matching fund subsidy from MEXT, 2000–
2004 and 2005–2007.
*
Corresponding author. Tel.: +81 47 469 5983; fax: +81 47 469 5490.
E-mail address: yahayak@lebra.nihon-u.ac.jp (Y. Hayakawa).

studies to date [9–13]. On the other hand, the phase distribution and the coherence of PXR have not been suﬃciently
investigated. Thus, research on the possible applications of
PXR as a light source is still the frontier of PXR study,
especially applications associated with PXR coherence.
Recently, a PXR-based monochromatic X-ray source
having a double-crystal system in the (+, ) arrangement
to achieve wide tunability was developed using the
125 MeV electron linac at the Laboratory for Electron
Beam Research and Application (LEBRA) at Nihon University [14,15]. Since the ﬁrst observation of a PXR beamfrom the PXR generator in 2004, several applications using
such beams have been reported [16–18]. All the experiments
have been carried out using a pulsed electron beam of
100 MeV at the low repetition rate of the beam macropulse,which resulted in a low average beam current. The typicalparameters of the linac operation are listed in Table 1.

0168-583X/$ - see front matter Ó 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.
doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

ARTICLE IN PRESS
2

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B xxx (2008) xxx–xxx

So far, the production of PXR with the LEBRA-PXR system has been achieved for the photon energy region from 5
to 20 keV using Si(1 1 1) planes, and X-ray absorption imaging has been the main application of the PXR beam. In
addition to conventional absorption imaging, advanced
applications have been developed on the basis of X-ray
imaging techniques. One of those applications is energy-dispersive X-ray absorption ﬁne structure (XAFS) analysis;
another is phase-contrast imaging [19,20]. These experiments are the ﬁrst examples to which the speciﬁc characteristics of PXR were actually applied. Especially, phasecontrast imaging combined with an analyzer crystal has
demonstrated that PXR has excellent intrinsic spatial
coherence [21,22].
Great advancement in the development of PXR applications has been made since the successful commissioning of
the LEBRA-PXR source. However, there are several problems aﬀecting the PXR beam performance. Most of theeﬀects are associated with the conditions of the linac operation; in other words, the proﬁle, the stability and the pulse
structure of the electron beam, which are strongly dependent on the linac operation, are signiﬁcant factors reﬂectedin the behavior of PXR.
2. PXR applications
In the case of the LEBRA-PXR, the irradiation ﬁeld of
the X-ray beam is approximately 10 cm in diameter withrather uniform intensity distribution. This property is useful for X-ray imaging. Furthermore, the X-ray beam has
linear energy dispersion in the horizontal plane, whichmakes more advanced applications possible.
2.1. Energy-dispersive XAFS

displacement Dh of the emission angle from the Bragg condition results in a shift of the PXR energy todðhxÞ
b sin 2hB0
Dh ¼ hx 1 Dhhx  hx þd/1  b cos 2hBDh hx 1 ;
ð2Þtan hB
where b  1 is used in the last approximation [16,22]. In thecase of the LEBRA-PXR system, a 2nd crystal is placed inthe (+, ) arrangement to reﬂect the PXR beam from the
1st target crystal as shown in Fig. 1. The diﬀraction at the
2nd crystal satisﬁes the ordinary Bragg condition⁄xB = ⁄c*jgj/2 sinh, and the X-ray energy for the Bragg angle hB + Dh is approximated bydðhxB Þ
Dh
Dh ¼ hxB 1 hx0B  hxB þ
:
ð3Þ
dh
tan h
Comparison of Eq. (3) with Eq. (2) suggests that the energy
dispersion of PXR still holds after the diﬀraction at the 2nd
crystal. Therefore, if the distance L from the electron beam
spot on the target crystal is suﬃciently large, the energy dispersion can be approximated as a linear function of thehorizontal position x as
x 
hx0  hxB 1 :ð4Þ
L tan hUsing the energy-dispersive property, one can obtain X-ray
absorption spectra from straightforward analysis of the Xray images taken with the PXR beam. This method is similar to the energy-dispersive XAFS (DXAFS) measurement
performed using a bent-crystal polychromator at synchrotron radiation facilities [23]. The absorption spectrum canbe deduced from the X-ray absorption image for the sample by simple digital processing. Fig. 2 shows that anabsorption spectrum actually obtained using the PXR

According to kinematic theory, one can express the
PXR energy ⁄x in the horizontal plane as [4,5],hc j g j sin hB
hx ¼;
1  b cos /electronbeam

ð1Þ

where the Bragg angle hB is the complement of the incident
angle of the electron on the crystal plane, c* is the speed oflight in the target medium and b = jvj/c*, / is the angle between the direction of the electron velocity and the emitted
X-ray. Around twice the Bragg angle, i.e. / = 2hB, a slight

1st crystal

θB
θB

Δθ
2nd crystal

2θB + Δθ
θB + Δθ

Table 1
Typical speciﬁcations of the LEBRA electron linac
Electron energy
Acceleration frequency
Macropulse duration
Electron bunch length
Macropulse beam current
Repetition rate
Average current
Normalized emittance (rms)
Energy spread

100 MeV2856 MHz10 ls610 ps100 mA
2 Hz
2 lA
620p mm mrad
61%

hω’

θB

L

hω
0

x

Fig. 1. Schematic explanation for the energy dispersion of PXR from adouble-crystal system in the (+, ) arrangement.

Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

ARTICLE IN PRESS
Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B xxx (2008) xxx–xxx

3babsorption coef. [ a.u. ]a1

LEBRA−PXR
other SR facility

0
8.3

8.4

8.5

8.6

X−ray energy [ keV]

Structure function [ a.u. ]

c
3000

2000

1000

0

0

0.5

1

Interatomic distance [ nm ]Fig. 2. (a) Typical X-ray image of Ni foils using a PXR beam of the energy near the K absorption edge (8.332 keV); (b) X-ray absorption spectrum of
metal Ni (solid line) obtained from the X-ray image, compared with a typical spectrum measured at another synchrotron facility (broken line) [30]; (c)Radial structure function as the result of the EXAFS analysis of the absorption spectrum.

beam is almost the same as that obtained using conventional synchrotron radiation. The dynamic range and thespectral resolution suggested in the PXR–DXAFS method
are suﬃciently high for extended XAFS (EXAFS) analysis.
Therefore, it can be concluded that XAFS analysis is a reasonable and promising application of PXR.
2.2. Phase-contrast imaging
Phase-contrast imaging, which has recently been of special interest as a new kind of X-ray imaging, is anotherpromising application of PXR [24]. Actually, both the
propagation-based and analyzer-based methods wereapplied for phase-contrast imaging using the LEBRAPXR beam; the experimental setup is shown in Fig. 3[20–22]. Fig. 3(a) shows the setup of the phase-contrast
imaging by the propagation-based method; an edge
enhancement eﬀect can be observed due to the interference
between the direct X-rays and the X-rays refracted by the
sample. A typical image obtained by this type of phasecontrast imaging is shown in Fig. 4(b). Comparing thisimage with a conventional absorption image in Fig. 4(a),one can recognize the signiﬁcant eﬀect of the edge
enhancement.

The image observed with the setup shown in Fig. 3(b)had still higher contrast, as shown in Fig. 4(c). Thismethod, which is referred to as analyzer-based imaging
or diﬀraction-enhanced imaging (DEI), can selectively
detect the X-rays being refracted due to the sample byshifting the angle of the 3rd analyzer crystal. Here, let us
recall the diﬀraction property at the 2nd crystal, which
was discussed by comparing Eqs. (2) and (3). Due to thelinear energy dispersion, all the X-rays in the radiationcone of PXR can satisfy the Bragg condition simultaneously at a certain angle of the 2nd crystal. Exactly thesame behavior can be expected at the 3rd crystal in the(+, , +) arrangement. Therefore, one can obtain almost
the same rocking curves as those by high-monochromaticand parallel X-ray beams. DEI using PXR is based on thisdiﬀraction property. Fig. 5(d)–(f) show another result of
PXR-DEI, where the sample is the tetra ﬁsh shown in
Fig. 5(a). In this case, the rocking curve by the 3rd crystal
has a width of approximately 0.002° at FWHM as shownin Fig. 5(c), where the ordinate denotes the total yield of
the X-rays being diﬀracted by the analyzer. The contrastof the DEI image depends on the analyzer rotation angle,
and Fig. 5(d)–(f) show that the images have diﬀerent contrasts from that of the ordinary absorption image in

Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

ARTICLE IN PRESS
4

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B xxx (2008) xxx–xxx

a Propagation-based Phase-contrast imaging

imagingdeviceLsampleX-ray exitb

Analyzer-based Phase-contrast imaging( DEI: Diffraction-enhanced imaging )PXR generator

analyzer
Si(111)e-beamsamplePXR beam

imaging device
7300mmFig. 3. Typical setup of phase-contrast imaging using the PXR beam; (a) propagation-based phase-contrast imaging, (b) analyzer-based phase-contrast
imaging (DEI: diﬀraction-enhanced imaging). A silicon wafer 150 mm in diameter and 1 mm thick is typically used as the analyzer.

Fig. 4. Typical results of phase-contrast imaging of a spider using the PXR beam of 16 keV; (a) ordinary absorption imaging, (b) propagation-based
phase-contrast imaging, (c) analyzer-based phase-contrast imaging. The distance L was adjusted to 10 cm, 220 cm and 60 cm, respectively. Each image wastaken with a 45-min exposure of the imaging plate (IP).

Fig. 5(b). In Fig. 5(d), for instance, one can distinguish theviscera with higher contrast. These results are due to distinctive features of DEI and are obvious evidence that
PXR has high spatial coherence. Considering the strict
requirements for DEI, the success of the experiments suggests that PXR is very similar in nature to plane waves interms of coherence, despite the cone-like divergence ofqﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃ
the radiation in proportion to the factor 1=c ¼ 1  b2 .
Furthermore, a rather large and uniform irradiation ﬁeld
is available for DEI even without the use of asymmetric
Bragg diﬀraction. The results also suggest that the multiple
scattering of electrons in the target crystal, which probably

contributes to the uniform intensity over the X-ray proﬁle,does not destroy the coherence of PXR.
3. Problem with the water-cooling system
Although the advanced applications of PXR are developing satisfactorily, these applications are sensitive to thestability of the PXR source and the measuring system.
Especially, there have been several problems caused by
the water-cooling system for the linac and the crystal
radiator.
Previously, the temperature ﬂuctuation of the coolingwater was estimated to be 0.4 °C as shown in Fig. 6(a),Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

ARTICLE IN PRESS
Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B xxx (2008) xxx–xxx

5Fig. 5. Other results of analyzer-based phase-contrast imaging using a PXR beam of 16 keV. The sample is a tetra ﬁsh (a), and (b) is its absorption image(c) shows the rocking curve by the 3rd crystal, where the X-ray intensity was measured as the output voltage of an ion chamber, (d)–(f) DEI images
corresponding to the marks in (c). Here, each image was taken with a 15-min exposure using the IP.

and this ﬂuctuation had restricted the linac stability interms of beam energy and orbit. Thus, the water-coolingsystem was replaced with a new one to improve the accuracy of the temperature control, and the temperature ﬂuctuation has been suppressed to be 0.02 °C.
The eﬀect of the cooling water around the target crystal was also serious. The target crystal in current use is a
200-lm-thick silicon wafer mechanically ﬁxed to the copper holder, which is mounted on the goniometer and connected to the water-cooling system. The thin crystal
wafer, therefore, seems to be deformed, and the state ofthe deformation may easily vary due to the change ofthe thermal stress. In addition to the temperature eﬀect,
the pressure of the cooling water was another signiﬁcant
problem. Since the water pressure of the linac cooling system is high, the water-hammer eﬀect had induced vibration in the target crystal. The vibration of the target

had caused pulse-to-pulse instability of the PXR production. Hence, the water circuit around the target was separated from the linac and has been independently
equipped with a small water-cooling system operating at
low pressure.
The current stability of the room temperature is not veryhigh. The replacement of the water-cooling system, however, improved the electron beam quality and the geometrical stability of the target crystal. As the result, the PXR
intensity extracted from the double-crystal system was considerably stabilized, as shown in Fig. 6(b). In particular, theDEI experiment beneﬁts from the stabilization since the
PXR instability was responsible for the ﬂuctuation of thediﬀraction curve at the analyzer. The eﬀect of the improvement of the DEI image deﬁnition is shown in Fig. 7. These
results suggest that temperature stability is essential to thequality of the PXR experiments.

Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

ARTICLE IN PRESS
6

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B xxx (2008) xxx–xxx

b

32

1.1

0.4deg.

30

0.02deg.

31

Normalized PXR intensity

Water temperature [ deg. cent. ]

a

1

0.9
0

29.9
10000

5000

0

1000

2000

Time [ s ]Time [ s ]Fig. 6. (a) Water temperature of the new cooling system (solid line) compared with that of the old one (broken line); (b) Improvement of the PXR
stability, where broken and solid lines denote the X-ray intensities before and after the replacement of the cooling system, respectively.

4. Eﬀect of the electron beam size

Fig. 7. Eﬀect of the PXR stabilization due to the improvement of thewater-cooling system, where (a) and (b) are DEI images of a tetra ﬁsh
before and after the stabilization, respectively.

In addition to the stability of the X-ray generator system, the PXR source size, which is determined by the sizeof the electron beam on the target radiator, is another signiﬁcant factor governing the X-ray performance. For
instance, the spectral resolution in the PXR–DXAFS
method is restricted by the ratio of the source size to the
distance between the source and the detector, because the
X-ray energy is measured as an emission angle of X-rays
from the source [25]. In the case of ordinary imaging using
a point-like source, the image blur is proportional to thesource size according to geometrical optics. In general, aﬂuorescence-based or bremsstrahlung-based X-ray source
is incoherent even if it is a high-performance synchrotron
radiation source. In this case, the spatial coherence of the

CCD video
telescope

OTR
X-ray window
e-beam
17.5keVPXR
IP

IC gauge
2.2m

7.3m

Fig. 8. Schematic setup of the experiment to investigate the correlation between the X-ray image quality and the electron beam proﬁle, which is observed
as the shape of the OTR source using a telescope, where the energy of the PXR beam was 17.5 keV. The sample for imaging is an IC gauge made of 0.15mm-thick stainless steel, and the magniﬁcation factor is approximately 1.3.

Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

ARTICLE IN PRESS
Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B xxx (2008) xxx–xxx

X-rays is generally determined by the geometrical condition using van Cittert–Zernike’s theorem [26,27]. Although
it is expected that PXR diﬀers in coherence from conventional sources due to the periodic structure in the radiator,
the source size still seems to be important, especially for
imaging-based applications.

7

Table 2The electron beam sizes deﬁned as the FWHM of the OTR proﬁles shown,respectively, in Fig. 9ProﬁleHorizontal size (mm)Vertical size (mm)

(a)
(b)
(c)
(d)

2.17 ± 0.03
1.88 ± 0.04
2.40 ± 0.05
1.43 ± 0.01

1.18 ± 0.02
3.05 ± 0.08
0.836 ± 0.010
0.838 ± 0.009

4.1. OTR monitoring
In order to investigate the dependence of the PXR property on the electron beam proﬁle, the experiment in the
setup shown in Fig. 8 was performed using a PXR beamof 17.5 keV. Since irradiating the target with the electron
beam for PXR production also causes optical transition
radiation (OTR), the electron beam proﬁle on the target
can be observed as the shape of the OTR source. Then, atelescope and a commercially available CCD video camera
were introduced into the forward direction of the electron
beamline for monitoring of the OTR light. The electron
beam proﬁle can be controlled by the quadrupole magnets
in the linac. Fig. 9 shows several results of the observationof the OTR, which was performed at a distance of approximately 10 m from the target. The change of the proﬁleaccording to the linac operation was actually observed by
the use of this monitor system. The electron beam sizeon the target was deﬁned as the FWHM of the OTR proﬁle; the results are listed in Table 2. The propagation-based

phase-contrast image discussed in the previous section wasobserved using the beam proﬁle (d) in Fig. 9. Since the DEI
images in Fig. 5 were obtained before being equipped with
the OTR monitor, it was diﬃcult to determine the detailed
condition of the electron beam in the experiment. However,
the typical electron beam used in the analyzer-based imaging supposedly had a large proﬁle like (a) in Fig. 9. It
should be noted that the phase-contrast imaging wasachieved using a PXR source approximately 1 mm indiameter.
4.2. X-ray imaging with a long propagation
The simple absorption imaging with the setup shown in
Fig. 8 gives enlarged images with the magniﬁcation of 1.3.
Fig. 10 shows the images of an IC gauge taken at the different electron beam proﬁles shown in Fig. 9. Typicalbrightness curves along the horizontal and the verticalFig. 9. Typical proﬁles of the OTR lights from the target crystal, where the distance between the source and the telescope was approximately 10 m.

Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

ARTICLE IN PRESS
8

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B xxx (2008) xxx–xxx

Fig. 10. Enlarged images of an IC gauge measured with the setup shown in Fig 8. The electron beam proﬁle for each measurement corresponds to thatwith the same index in Fig. 9. Each measurement time was 15 min. using an IP.

bimage blur

Intensity [ a.u. ]Intensity [ a.u. ]

a

H
0.5

0
−1

V

0

image blur

H
0.5

0
−1

1

Position [ mm ]dimage blur

H
0.5

0
−1

V

0

Position [ mm ]0

1

Position [ mm ]Intensity [ a.u. ]Intensity [ a.u. ]

c

V

1

image blur

H
0.5

0
−1

V

0

1

Position [ mm ]Fig. 11. Linear plots of the brightness around the edges of the images in Fig. 10, where solid and broken lines correspond to the proﬁles of the rectangularareas H and V in Fig. 10, respectively.

Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

ARTICLE IN PRESS

Image blur [ mm ]directions around the sample edge of each image are plotted in Fig. 11 for the estimation of the image blur. As isshown in Fig. 12, the fact that the degree of the image blurtends to be proportional to the electron beam size is similar
to the case in a conventional X-ray source. However, linear
dependence of the image blur on the beam size is not necessarily apparent in either the horizontal or vertical direction. Another phenomenon associated with this behavior
has been observed. Fig. 13(a) shows the X-ray absorption
image taken just behind the sample using the electron beamwith the proﬁle shown in Fig. 8(d). A kind of edge enhancement eﬀect around the edge of the sample is shown in
Fig. 13(b). In this measurement the distance between thesample and the imaging plate was only approximately
3 mm and the transmittance of X-rays through the sample
is estimated to be approximately 2%. Therefore, it seems
that the edge enhancement is not due to propagation-based
phase-contrast, but to Fresnel diﬀraction [28,29]. In fact,
the width of the image blur was almost independent of
the measurement distance between the imaging plate andthe sample when the distance was less than 1 m as shownin Fig. 14. Due to insuﬃcient detector resolution, 50 lm

Vertical

0.5

0

1

9

Horizontal

0.4

Vertical

0.2

0
0
10

1

2

10

10

3

10

Measurement distance [ mm ]Fig. 14. Dependence of the image blur on the distance between the sample
and the detector. The circles and triangles denote the data in thehorizontal and vertical directions, respectively. In this experiment theelectron beam with the proﬁle in Fig. 9(d) was used.

at best, we could not conclude that the edge enhancement
corresponded to a Fresnel pattern. However, this phenomenon is one of the dominant factors in determining the definition of PXR imaging and may be more evidence of the
PXR coherence. Consequently, a simple estimation basedon geometrical optics is inadequate for the coherence of
PXR.
5. Temporal behavior of PXR during a macropulse

Horizontal

1

Image blur [ mm ]Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B xxx (2008) xxx–xxx

2

3

Electron beam size [ mm ]Fig. 12. Correlation between the electron beam size and the image blur,where the solid circles and solid triangles denote the data in the horizontal
and vertical directions, respectively.

Besides the eﬀects discussed in the previous section,
another signiﬁcant eﬀect was found in terms of the image
deﬁnition. To investigate the behavior of PXR intensity
during a macropulse of the linac, the intensity at the centerof the PXR beam was measured using an X-ray NaI scintillation detector with an active area 10 mm in diameter. As
a result of the experiment, it was found that the time-structure of the PXR intensity is complicated even if the macropulse of the electron beam is rather ﬂat. A strong
dependence of the time-structure on the electron beam proﬁle was also found. In addition to the eﬀect of the electronaIntensity [ a.u. ]bimage blur

H

0.5

V

0
−1

0

1

Position [ mm ]Fig. 13. (a) X-ray image when the distance between the sample and the detector was approximately 3 mm, where the electron beam with the proﬁle shownin Fig. 9(d) was used; (b) Edge enhancement observed in (a), where solid and broken lines correspond to the proﬁles of the rectangle areas H and V,
respectively.

Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

ARTICLE IN PRESS
10

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B xxx (2008) xxx–xxx

beam, the 2nd crystal angle of the PXR generator correlates with the structure. Figs. 15 and 16 show typical results

a

b 0
A

Detector output [ V ]Total PXR yield [ a.u. ]

A
C

−0.2

B

−1

0
6.7

0

beam current

C
−0.4

6.72
6.74
6.76
2nd crystal angle [ deg. ]010Electron beam current [ A ]B

1using the electron beam with proﬁles in Fig. 9(a) and (b),respectively. Since these waveforms were measured as aver-

20

Time [ μs ]Fig. 15. (a) Rocking curve at the 2nd crystal measured using an ion chamber with an active area 100 mm in diameter, in the case of the electron beam
proﬁle in Fig. 9(a); (b) macropulse structure of PXR at the 2nd crystal angle corresponding to the same index in (a), where the background is subtracted
from each waveform.

aDetector output [ V ]Total PXR yiel [ a.u. ]C

6.7
6.72 6.74 6.76
2nd crystal angle [ deg. ]0beam current

A
B

−1

−0.2

C
−0.4

0

10

Electron beam current [ A ]

A

0

b 0

B

1

20

Time [ μs ]Fig. 16. (a) Rocking curve at the 2nd crystal measured using an ion chamber with an active area of 100 mm diameter, in the case of the electron beam
proﬁle in Fig. 9(d); (b) macropulse structure of PXR at the 2nd crystal angle corresponding to the same index in (a), where the background is subtracted
from each waveform.

a

b

c

d
Intensity [ a.u. ]

1

c
b
a

0.5

0

0.5

0

0.5

Position [ mm ]Fig. 17. X-ray images around the sample edge, where (a), (b) and (c) were observed in the conditions corresponding to A, B, C in Fig. 15, respectively; thesolid, the broken, and the dot-dashed lines in (d) are horizontal proﬁles of (a), (b) and (c), respectively.

Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

ARTICLE IN PRESS
Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B xxx (2008) xxx–xxxbcdIntensity [ a.u. ]

a

1

11

c
b
a

0.5

0
−0.5

0

0.5

Position [ mm ]Fig. 18. X-ray images around the sample edge, where (a), (b) and (c) were observed in the conditions corresponding to A, B, C in Fig. 16, respectively; thesolid, the broken and the dot-dashed lines in (d) are horizontal proﬁles of (a), (b) and (c), respectively.

ages of 16 events, the complicated structures in the PXR
macropulse are rather reliable. From this point of view,
all the images in Figs. 10 and 13(a) were observed at thepeaks of the rocking curves, e.g. at point B in Fig. 15(a)or Fig. 16(a). Naturally, it is expected that the complicatedbehavior of PXR at the macropulse duration should aﬀect
the visibility of the X-ray imaging. In fact, the change ofthe visibility was observed to depend on the 2nd crystal
angle, even for an electron beam of the same proﬁle. Typical results of this observation are shown in Figs. 17 and 18,
which correspond to Figs. 15 and 16, respectively. In particular, the images obtained at point C in Figs. 15 and 16
are double and therefore appear to be due to the superposition of diﬀerent PXR states.
Considering that the PXR intensity recovers at the latterpart of the macropulse, for instance, in the case of C in
Fig. 15, the variation of the PXR intensity scarcely appears
to result from the eﬀect of the thermal factor. Instead of asimple heating eﬀect, the rapid deformation of the target
crystal induced by the bombardment of the incident electrons seems to cause the change of the PXR state. Taking
into account the localized energy deposit of several hundreds mJ per one macropulse due to the electron beamand the speed of sound in silicon crystal of several km/s,
the acoustic eﬀect could complicatedly deform the crystal
in a period of microseconds. Although we cannot verify
this explanation, the phenomenon is one of the most serious factors restricting the performance of the PXR beam.
In particular, the eﬀect presents an obstacle in evaluating
the coherence of PXR.
6. Conclusions
Using the PXR beam from a double-crystal system,
advanced applications such as DXAFS and phase-contrast
imaging were actually achieved. In particular, the successof the DEI experiment demonstrated the remarkablecoherence of PXR. Furthermore, the investigation into
the correlation between the electron beam proﬁle and thedeﬁnition of the X-ray imaging has also suggested thatPXR diﬀers from other incoherent X-ray sources obeying

geometrical optics with respect to the coherence. The
experimental results have actually indicated that a radiation source 1 mm in size can produce phase-contrast
images in the case of PXR.
On the other hand, the measurement for the time-structure of the PXR intensity has suggested that rapid deformation of the target crystal is induced by incident
electrons at the macropulse duration. In addition to the
suppression of the long-term instability due to the temperature ﬂuctuation, further analysis of the eﬀect will be essential to improving the quality of intense PXR.
Acknowledgements
This work was supported in part by MEXT.KAKENHI(17560046, 17760058 and 17760059). The PXR application
studies were also ﬁnancially supported by a Grant-in-Aid
for Scientiﬁc Research Program from Nihon University(Sogo: 04-019 and 05-029, TS).
References[1] M.L. Ter-Mikaelian, High-energy Electromagnetic Processes inCondensed Media, Wiley Interscience, New York, 1972.
[2] V.G. Baryshevsky, I.D. Feranchuk, Nucl. Instr. and Meth. 228 (1985)
490.
[3] Y.N. Adishchev, V.A. Verzilov, A.P. Potylitsyn, S.R. Uglov, S.A.
Vorobyev, Nucl. Instr. and Meth. B 44 (1989) 130.
[4] A.V. Shchagin, V.I. Pristupa, N.A. Khizhnyak, Phys. Lett. A 148(1990) 485.
[5] H. Nitta, Phys. Lett. A 158 (1991) 270.
[6] K.-H. Brenzinger, B. Limburg, H. Backe, S. Dambach, H. Euteneuer,
F. Hagenbuck, C. Herberg, K.H. Kaiser, O. Kettig, G. Kube, W.
Lauth, H. Shöpe, T. Walcher, Phys. Rev. Lett. 79 (1997) 2462.
[7] Y. Hayakawa, M. Seto, Y. Maeda, T. Shirai, A. Noda, J. Phys. Soc.
Jpn. 67 (3) (1998) 1044.
[8] T. Akimoto, M. Tamura, J. Ikeda, Y. Aoki, F. Fujita, K. Sato, A.
Honma, T. Sawamura, M. Narita, K. Imai, Nucl. Instr. and Meth. A
459 (2001) 78.
[9] D.W. Rule, R.B. Fiorito, M.A. Piestrup, C.K. Gary, X.K. Maruyama, Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 1552 (1991) 240.
[10] R.B. Fiorito, D.W. Rule, X.K. Maruyama, K.L. DiNova, S.J.
Evertson, M.J. Osborne, D. Snyder, H. Rietdyk, M.A. Piestrup, A.H.
Ho, Phys. Rev. Lett. 71 (1993) 704.

Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

ARTICLE IN PRESS
12

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B xxx (2008) xxx–xxx[11] I. Endo, M. Harada, T. Kobayashi, Y.S. Lee, T. Ohgaki, T.
Takahashi, M. Muto, K. Yoshida, H. Nitta, A.P. Potylitsin, V.N.
Zavaev, T. Ohba, Phys. Rev. E 51 (1995) 6305.
[12] J. Freudenberger, H. Genz, V.V. Morokhovskyi, A. Richter, J.P.F.
Sellschop, Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 270.
[13] B. Sone, Y. Danon, R.C. Block, Nucl. Instr. and Meth. B 227 (2005)22.
[14] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, H.
Nakazawa, K. Yokoyama, K. Kanno, T. Sakai, in: Proceedings of
12th Symposium on Accelerator Science and Technology, Wako,
Japan, 1999, p. 391.
[15] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, Nucl. Instr. andMeth. B 227 (2005) 32.
[16] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, A. Mori, T.
Kuwada, T. Sakai, K. Nogami, K. Nakao, T. Sakae, Nucl. Instr. andMeth. B 252 (2006) 102.
[17] T. Sakae, Y. Hayakawa, A. Mori, T. Kuwada, T. Sakai, K. Nogami,
T. Tanaka, K. Hayakawa, I. Sato, J. Miner. Petrol. Sci. 101 (2006) 10.
[18] A. Mori, Y. Hayakawa, A. Kidokoro, I. Sato, T. Tanaka, K.
Hayakawa, K. Kobayashi, H. Ohshima, Nucl. Instr. and Meth. B 252(2006) 118.
[19] A. Mori, Y. Hayakawa, I. Sato, T. Tanaka, K. Hayakawa, T.
Kuwada, K. Kobayashi, H. Ohshima, in: AIP Conference Proceeding: Synchrotron Radiation Instrumentation: SRI2006, Daegu,
Korea, 2007, p. 1841.

[20] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, T. Kuwada, T.
Sakai, K. Nogami, K. Nakao, M. Inagaki, A. Mori, in: AIP
Conference Proceeding: Synchrotron Radiation Instrumentation:
SRI2006, Daegu, Korea, 2007, p. 123.
[21] T. Kuwada, Y. Hayakawa, K. Nogami, T. Sakai, T. Tanaka, K.
Hayakawa, I. Sato, in: AIP Conference Proceeding: Synchrotron
Radiation Instrumentation: SRI2006, Daegu, Korea, 2007, p. 1968.
[22] Y. Hayakawa, K. Hayakawa, M. Inagaki, T. Kuwada, A. Mori, K.
Nakao, K. Nogami, T. Sakae, T. Sakai, I. Sato, Y. Takahashi,
T. Tanaka, in: Proceedings of SPIE: International Conference on
Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena II, Vol. 6634,
Frascati, Italy, 2007, p. 663411-1.
[23] A. Yamaguchi, Y. Inada, T. Shido, K. Asakura, M. Nomura, Y.
Iwasawa, J. Synchrotron Radiat. 8 (2001) 654.
[24] R. Fitzgerald, Phys. Today 53 (2000) 23.
[25] M. Inagaki, Y. Hayakawa, K. Hayakawa, K. Nakao, K. Nogami, T.
Tanaka, T. Sakai, I. Sato, in: Proceedings of the 4th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan and the 32nd Linear
Accelerator Meeting in Japan, 2007, p. 586 (in Japanese).
[26] P.H. van Cittert, Physica 1 (1934) 201.
[27] F. Zernike, Physica 5 (1938) 785.
[28] F. van der Veen, F. Pfeiﬀer, J. Phys.: Condens. Mat. 16 (2004) 5003.
[29] X. Xiao, Q. Shen, Phys. Rev. B 72 (2005) 033103.
[30] The Consortium for Advanced Radiation Sources, XAFS Data
Library. URL <http://cars9.uchicago.edu/>.

Please cite this article in press as: Y. Hayakawa et al., Dependence of PXR beam performance on the operation ..., Nucl. Instr. andMeth. B (2008), doi:10.1016/j.nimb.2008.02.042

൦!ā‫ޑ‬

2007年 8 1

〜8 3

和光市民文化センター サ ン ア ゼ リ ア

日本加速器学会･リニアック技術研究会຾ ᆏ ਄ ౱ ၭ ఱ ᆅ‫࢞ॸߔݛ‬ஒల‫ݡݨ‬ബࡉॸ࢞ʓˋʗĜ

!

൦ā
‫ޑ‬

委員会一覧
組織委員会 委員長：矢野 安重 ( 理研 ) 石井 慶造（東北大学 ) 上坂 充（東大）浦川 順治（加速器学会）榎戸 武揚（北大）加藤 政博（分子研）
神谷 幸秀（KEK）木村 嘉孝（加速器奨励会）熊谷 教孝（SPring-8）佐藤 勇（日本大）田川 精一（大阪大）冨増 多喜夫（九州佐賀 LS）
野田 章（京都大）野田 耕司（放医研）畑中 吉治（大阪大）服部 俊幸（東工大）浜 広幸（東北大）堀 利匡（広島大）望月 孝晏（兵庫県立大学）
森 義治（京都大）山崎 良成（KEK/JAEA）山田 家和勝（産総研）山田 廣成（立命館大）鷲尾 方一（早大）
プログラム委員 委員長：後藤 彰（理研） 安東 愛之輔（兵庫県立大）浦川 順治（KEK）大熊 春夫（SPring-8）上垣外 修一（理研）小関 忠（KEK）
佐藤 勇（日本大）佐藤 潔和（東芝）田中博文（三菱電機）野田 耕司（放医研）浜 広幸（東北大）原 徹（理研）堀 利匡（広島大）福田 光宏（大阪大）峰原 英介（JAEA）
実行委員会 委員長：加瀬 昌之（理研） 池沢 英二（理研）奥野広樹（理研）大西 純一（理研）木寺 正憲（理研）熊谷 桂子（理研）
込山 美咲（理研）坂本 成彦（理研）田中 俊成（日大）中川 孝秀（理研）中村 仁音（理研）長谷部 裕雄（理研）福西 暢尚（理研）藤縄 雅（理研）藤巻 正樹（理研）真家 武士（理研）宮内 成真（理研）龍頭 啓充（理研）渡辺 環（理研）

連絡先

日本加速器学会事務局〒170-0013 東京都豊島区東池袋2-62-8
ビッグオフィスプラザ507
（有）
ワーズ内

TEL

03-5960-3488

FAX

03-5950-1292

URL

http://www.pasj.jp/

e-mailpasj4-lam32@kasokuki.com

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

STATUS OF LABORATORY FOR ELECTRON BEAM RESEARCH AND
APPLICATION AT NIHON UNIVERSITY*
Toshinari Tanaka1,A), Ken HayakawaA), Yasushi HayakawaA), Yumiko TakahashiA), Kyoko NogamiA),
Keisuke NakaoA), Isamu SatoB), Takao KuwadaB), Takeshi SakaiB), Manabu InagakiB), Atsushi EnomotoC),
Shigeki FukudaC), Satoshi OhsawaC), Kazuro FurukawaC), Shinichiro MichizonoC)A) Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
B) Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
C) Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
The beam-on time of the 125 MeV linac at Nihon University exceeded 1800 hr in the last 12 months, most of which
dedicated to the user experiments. The linac cooling water temperature has been controlled to 30±0.01 °C by the
improvement of the fine cooling water system, which resulted in more stable operation of the linac. Fluctuation of theparametric X-ray intensity at the output port has been suppressed to ±2 % by reducing the vibration of the Si target
crystal.

日本大学電子線利用研究施設の現状
１．はじめに
日 本 大 学 電 子 線 利 用 研 究 施 設 （ LEBRA ） で は125MeV電子リニアックを用いた自由電子レーザー（FEL）とパラメトリックX線（PXR）の発生及びそれらの学内共同利用という電子線の高度利用を、
文部科学省の学術フロンティア推進事業の支援を受けて進めている。共同利用に着手したのは2003年であるが、加速器の性能向上と利用研究の開拓が進み、年間のビーム利用時間は着実に伸びてきた。
この1年間（2006年7月～2007年6月）クライスト
ロン通電時間は2300時間を超え、ビーム加速時間は1800時間を超えた。これらは昨年に比べ約300時間
上回っており、特にPXRを利用した実験へのビーム
提供時間が増加したことが大きく寄与している[1]。
この間、加速器運転と並行して冷却装置の更新などにより加速器動作と光源の安定度向上を図り、各部において生じた故障などの問題に取り組んできたので、加速器運転状況とともに報告する。

20μsのRFをピーク約20MW出力で使用しているが、1本のクライストロンを長パルス動作でこれほど長期間使用し続けていられるのは、パルス繰り返し数
がほとんどの運転で２Hzと低いこともあるが、真空仕様の導波管をクライストロン出力窓のすぐ下流で排気し、窓の放電によるガス放出から迅速に真空を回復するよう改良したことが大きく寄与している。
表1. 年間加速器運転時間の推移#1 HV #2 HVFiscal LV ON
ON
ON
BEAM
Year
(hr)
(hr)
(hr)
ON (hr)
2003
2406
1589
1894
853
2004
1830
1354
1350
1082
2005
1763
1529
1510
1326
2006
2343
2153
2153
1791
2007
605
568
568
481
Latest
2356
2193
2193
1856
2003年は交換後のクライストロン2号機の状態が不安定でエージングに相当な時間を掛けたため運転時間は長いが、共同利用開始が遅れたためビーム利用時間は短かった。その後、本格的に共同利用が進められ、多くのマシンタイムがビーム利用に使われるようになった。これに伴いビーム利用時間が年々長くなっていることが表に示されている。2007年度

２．運転時間の推移とクライストロン動作
共同利用開始以来の年間加速器運転時間を表1に示す。電子リニアックはクライストロン2本でRFを供給している。クライストロン2号機は2003年1月にそ れ ま で の PV3030A1 か ら PV3040N （ 日 大 仕 様 のPV3030A3）に換えたが、1号機は2000年4月から交換 せ ず 使 用 し て い る PV3030A1で あ る 。 パ ル ス 幅*

文部科学省学術フロンティア推進事業（継続）（平成17～19年度）
E-mail: tanaka@lebra.nihon-u.ac.jp

1

-22-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

30 精密温調

三方弁
27℃

リザーバー
クーリン
グタワー

リザーバー

加速管、電磁石

25℃

20℃ 冷凍機
三方弁

図1．2007年に改良後の冷却系概念図。
29.950
Cooling Water Temperature (℃)

は3ヶ月のみであるが、最近1年間の運転時間に匹敵するペースで運転している。
加速器は週4日、日中のみの運転を基本にしており、この1年間では年間運転日数は200日になっている。従って、長期休暇期間以外は毎週運転していることになる。最近はPXR利用実験において長時間を要するテーマに取り組んでおり、24時間を超える連
続運転を行う場合もある。この3月末には加速器の長時間運転における動作安定度の調査を兼ねて約80
時間の連続運転も行っている。
クライストロン1号機はKEKで長期間使用し、すでにRF出力窓が十分エージングされた状態となっていたためか、動作は安定している。一方、2号機は日大で使用を開始したものである。2003年1月に定常運転で必要なピークRF出力20MWが得られるまでエージングを行ってからビーム加速に使用しているが、4年以上経た現在でもRF窓からのガス放出による運転中のトラブルが収束しない。特に、年末年始や連休、あるいは工事や故障によりマシンの停止が1週間程度続くと、再起動の際には2号機のRF窓からのガス放出量が多くなる。この場合、RF窓の放電によりシャットダウンを繰り返すため出力を上げられず、定常運転に入るまでエージングに1～2日を要する。通常の運転サイクルでは火曜日から金曜
日まで4日間運転し3日間停止するため、週明けの運転開始時にも同様の傾向があり、30分～1時間程度かけてRF出力を徐々に上げている。

29.94529.94029.93529.93029.92529.920
13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

Time

図2．精密温調冷却装置改良後の加速管送り出し冷却水温度変化を6時間に渡って測定した結果の例。ほぼ±0.01℃まで安定化された。

Horizontal Direction

３．冷却系の改良
加速器冷却装置は老朽化が進んでいたため、2005
年から部分的な更新を重ねてきた。2006年3月まで
Vertical Directionの工事において冷却水配管の更新、冷凍機の更新、さらに精密温調装置へ送る冷水の温度安定化を行い、加速管冷却水の送り出し温度を30±0.05℃まで安定化することが出来た。さらに2006年末から2007年2月にかけてパネル熱交換器を採用した精密温調装置の設置工事を行った。設置空間の制限から、全体を1カ所にまとめることが出来ず、機器分散型装置と図3．冷却水安定度改善前後のFELビームライン
した。
入口においてビーム位置モニターを用いて測定
従来の精密温調装置では、加速管から戻った冷却
したビーム軌道変動の比較。水平、鉛直とも上水を一旦リザーバタンクに蓄えた後に熱交換器に通側が±0.01℃に安定度を改善後の軌道変動。
して熱除去を行い温度安定化して再び加速管に送り出す、という流路を形成していた。この方法では、の変化がある。冷却水流量は毎分250リットルなの
熱交換器を通る際に三方弁の動作速度と精度によっで、容量800リットルのリザーバタンク内の冷却水て冷却水温度の安定度が決まり、冷凍機からの冷水が完全に入れ替わるまで3分以上かかる。そのための速い温度変化が冷却水温度に伝わり易いという問
この間に約4周期の温度変化を繰り返した冷却水が題があった。そこで更新に際しては、加速管からリザーバタンク内で混合されることになり、結果と戻った冷却水を先に熱交換器に通して温度安定化をしてリザーバタンク出口の冷却水温度は平均化され、行い、新たに製作した容量800リットルのリザーバ
温度安定度の改善が期待されると考えられた。
タンクに入れてから再び加速管に送る流路に変更し実際にこの流路に改良した結果、図2に示すようた。変更した現状の冷却系の概念図を図1に示す。
に加速管に送り出す冷却水温度はほぼ±0.01℃まで
2006年の冷凍機冷水温度改善によって、冷水温度安定化された。FELビームラインのアンジュレー
は15～20分周期の冷凍機ON/OFFによる変動に加え
ター入口でビーム位置モニターにより水平方向と鉛三方弁動作速度による約50秒周期の変動があり最大直方向の軌道の変動を測定し、冷却水温度の安定度±0.2℃程度の周期的変動が生じている。熱交換器
改善前後を比較した結果を図3に示す。スパイク状
出口での加速器冷却水温度も同じ周期で30±0.05℃-23-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)の軌道変動はリニアック入射部やクライストロン窓の放電によるが、冷凍機のON/OFF動作が関連していたと考えられるビーム軌道の変動は見られなくな
り、全体的にビーム軌道の安定度が若干改善されている。
PXRの出力ポートにおけるX線強度変動は、PXR発生装置の電子ビーム照射Siターゲット結晶の冷却
水温度改善により小さくなったが、短時間での±10％程度の変動が残っていた。これはターゲット結晶の冷却に精密温調装置の高水圧冷却水を供給していたためウォーターハンマーによる振動の影響が疑われていた。そこで、PCのCPU水冷クーラーを応用した低圧冷却装置を組み込んで振動抑制効果を試した。PXR出力ポートに置いた電離箱で測定した結果
では図4のようにそれまでの±10%から±2%程度まで変動幅が小さくなった。CPUクーラーでは温度安定化を行う構造にはなっていないため、精密温調装
置のリザーバタンクを循環する低水圧流路を新たに1系統作りターゲット冷却専用に使う予定である。
1.2

High Pressure Cooling
1.15

図5．電子銃セラミクス碍子の写真。左は放電の頻発で取り外した直後のもので、セラミクス
内面が黄色く変色している。右は代わりに取り付けた予備の碍子。
除去した。交換した碍子は内壁から放出するガス量が多いためか、電子銃の真空度が以前に比べて不安定になっているが、現状ではビーム安定度を大きく損なうほど深刻ではない。

PXR Relative Intensity

1.1

５．FEL共振器と光輸送ラインの変動

1.05

FEL共振器にSi基板銀蒸着ミラーを試した結果、耐久性が低いことが判明し、結局銅基板銀蒸着ミラーに戻した。現在は従来と異なるメーカーの銅基
板銀蒸着ミラーを使っている。耐久性については今
後使用時間を蓄積して判断する必要があるが、明確に従来品より劣る兆候を示す出力の差は見られない。
2006年以来FEL光輸送ラインで、途中の真空チェンバー内の平面ミラーの向きがずれ、実験室にFELが届かず実験が出来ない問題が数回発生した。ミラー固定構造とアライメント用微調整構造に問題があることが判明し、今後改良の必要がある。

1
0.95
0.9
0.85

Low Pressure Cooling

0.8
0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Time (sec)

図4．PXRのSiターゲット結晶冷却を精密温調装
置の高水圧系からPCのCPUクーラーを用いた低水圧系に変更したことによるPXR強度の安定化。
PXR出力ポートにおいて電離箱で測定。

６．まとめ
この1年間でリニアック電子ビームの共同利用時
間は1800時間を超え、今後も増加が予想される。加速器と利用光源の安定化により高度な利用に対応するため冷却系の改良を行い、加速管冷却水温度をほぼ±0.01℃まで安定化し、またPXR出力の安定化を実現した。FEL共振器ミラーはまだ十分耐久性の高いものが得られてはいない。加速器の安定度は数年前に比べ格段に向上したが、FELの安定した発振と供給を実現するにはさらに改善が必要である。

４．電子銃における放電

2006年11月から電子銃碍子の内側で大きな放電が頻発するようになった。この放電が起きるとその後
ビーム電流値が安定するまで時間がかかり、エネル
ギー変動によるビーム不安定化を招いたため利用実験に支障を来す状況になった。変動しセラミクス碍
子の耐圧低下が疑われ、2007年1月に碍子の交換とアノード電極の確認を行った。電子銃碍子は9年間使い続け一度も交換していなかったため、図5の写真に見られるように内壁は黄色く変色が進んでいた。 参考文献
また、アノード電極は中心部付近がカソードから蒸[1] T.Tanaka et al., Proceedings of the 3rd Annual Meeting of
散した物質でコーティングされていた上に、多数のParticle Accelerator Society of Japan and the 31st Linear
放電痕が確認された。このため、目の細かいサンド
Accelerator Meeting in Japan (Sendai, Aug. 2-4, 2006) 12.
ペーパーでアノード電極表面を磨きコーティングを-24-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

SPACE COHERENT X-RAY GENERATOR USING ELECTRON LINAC
Isamu Sato A), Takao Kuwada A), Takeshi Sakai A), Manabu Inagaki A), Ken HayakawaB), Toshinari Tanaka B),
Yasushi Hayakawa B), Keisuke Nakao B), Kyoko Nogami B), Yumiko Takahashi B), Hiroshi Okabe B),
Naoki Sato B), Toshiro Sagae C), Atsushi Mori D), Shigeki Fukuda E), Atsushi Enomoto E), Satoshi Ohsawa E),
Kazuo Furukawa E), Shinichiro Michizono E), Soichi Wakatsuki E), Shigeru Yamamoto E), Kimichiya Tsuchiya E)
A)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities, Nihon University㧧
Kudan-Kita 2-1-4, Chiyoda-ku, Tokyo, 102-0073
B) Institute of Quantum Science, Nihon University㧧7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
C)
School of Dentistry at Matsudo, Nihon University㧧870-1 Sakaecho, Nishi-2, Matsudo, Chiba, 271-8587
 D) College of Pharmacy, Nihon University㧧 7-7-2 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8555
E)High Energy Accelerator Research Organization㧧1-1 Oho, Tsukuba, Ibaragi, 305-0801
Abstract
In the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) of the Nihon University, a 125MeV electronic linear
accelerator is utilized and the research and development of the bright sources with tunable wavelength monochromatic light which
aimed at utilization of a free electron laser (FEL) and parametric X-rays (PXR) [1] are performed.䎃Recently,䎃LEBRA has been tried to
expand into range of energies from 5keV to 20keV for PXR.䎃In the measurement experiment of the PXR characteristic, refraction
contrast imaging which is an interference phenomenon of X-ray has been observed [2].䎃This paper reports that PXR is the source of thecoherent X-rays.

㔚ሶ࡝࠾ࠕ࠶ࠢߦࠃࠆⓨ㑆ᐓᷤ㨄✢Ḯ㪈㩷 䈲䈛䉄䈮㩷
䋱䋹䋸䋰ᐕઍ䈱೨ඨ䇮㜞䉣䊈䊦䉩䊷㔚ሶ✢䉕න⚿᥏䈮ᾖ኿䈜䉎䈫䇮න⚿᥏ේሶ䈱๟䉍䉕Ⱜⴕㆇേ䈚䈭䈎䉌ㅢ䉍ᛮ䈔䇮㔚ሶ䈏න⦡䈮ㄭ䈇䌘✢䉕᡼኿䈜䉎⃻⽎䋨䉼䊞䊈䊥䊮䉫᡼኿䌛䋳䌝䋩䈱ℂ⺰⊛䈭ត᳞䈏ㅴ䉄䉌䉏䇮䋱䋹䋸䋰ᐕઍ䈱ᓟඨ䇮㪫㫆㫄㫊㫂 䈱㔚ሶ䉲䊮䉪䊨䊃䊨䊮䈪䈲䋹䋰䋰䌍䌥䌖㔚ሶ䊎䊷䊛䈪න⚿᥏䉕ᾖ኿䈜䉎䈫䊑䊤䉾䉪ⷺㄭற䈮න⦡䈮ㄭ䈇䌘✢䈏᡼኿䈘䉏䉎⃻⽎䋨䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪䌘✢᡼಴䌛䋴䌝䋺䌐䌘䌅䋩䈱ታ㛎⊛ᬌ⸽䈏ㅴ䉄䉌䉏䈩䈇䈢䇯䈚䈎䈚䇮ᒰᤨ䈲䉲䊮䉪䊨䊃䊨䊮᡼኿⸘↹䈏⣉శ䉕ᶎ䈶䇮䌐䌘䌅䈱ሽ࿷䈲⹤㗴䈮䈭䉌䈭䈎䈦䈢䇯䈖䈱䌘✢䈏න⦡䈮ㄭ䈇䈖䈫䈏ታ㛎⊛䈮⏕䈎䉄䉌䉏䉎䈫䇮ᰴ╙䈮䈠䈱․ᕈ䈏ᵈ⋡䈘䉏䉎䉋䈉䈮䈭䈦䈢䇯䈠䈱ᓟ䇮㪘㪅㪭㪅㪪㪿㪺㪿㪸㪾㫀㫅 䉌䈲䇮㪢㪿㪸㫉㫂㫆㫍 䈱㔚ሶ䊥䊆䉝䉾䉪䈫ಽ⸃⢻䈱⦟䈇䌘✢ᬌ಴ེ䉕૶䈦䈩䇮䈠䈱䌘✢䈱⹦⚦․ᕈ䌛䋵䌝䉕᣿䉌䈎䈮䈚䇮䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪䌘✢᡼኿䋨䌐䌘䌒䋩䈫⒓䈚䈢䇯ᣣᧄ䈪䈲䇮䋱䋹䋹䋰ᐕઍ䈱೨ඨ䈮ᩭ⎇䈱㔚ሶ䉲䊮䉪䊨䊃䊨䊮䉕૶䈦䈩㆙⮮䉌䉫䊦䊷䊒䌛䋶䌝䈏䇮䋱䋹䋹䋰ᐕઍ䈱ᓟඨ䈮੩ᄢ䈱㔚ሶ䊥䊆䉝䉾䉪૶䈦䈩ᣧᎹ䉌䈱䉫䊦䊷䊒䌛䋷䌝䈏⹦⚦䈭䌐䌘䌒․ᕈ䈱⸘᷹䉕ⴕ䈇䇮䈠䈱䊜䉦䊆䉵䊛䈱⸃᣿䉕⹜䉂䈩䈇䈢䇯㩷৻ᣇ䇮䈖䈱㪯✢Ḯ䈪䈲㓁ሶ䇮ਛᕈሶ䇮㱏✢䈭䈬䈱䋲ᰴ᡼኿✢䉅⊒↢䈚䇮䈖䉏䉌䈱᡼኿✢䈫 㪯 ✢䈱ಽ㔌䈮࿎㔍䈏઻䈉䈖䈫䈎䉌䇮㪯 ✢Ḯ䈫䈚䈩䈲ᵴ↪䈘䉏䈩䈇䈭䈎䈦䈢䇯ᣣᧄᄢቇ䈪䈲䇮䌐䌘䌒䈱ఝ䉏䈢․ᕈ䈮⌕⋡䈚䇮ᣧᎹ䉌䈲䌘✢Ḯ䉕ᵴ↪䈪䈐䉎䉲䉴䊁䊛䈱㐿⊒⎇ⓥ㪲㪈㪴䉕ⴕ䈇䇮䋲䋰䋰䋵ᐕ䋴᦬䇮䈠䈱ታ↪ൻ䈮ᚑഞ䈚䇮หᐕ䋷᦬䈎䉌౒ห೑↪ታ㛎䈮ଏ䈚䈩䈇䉎䇯䉁䈢䇮หᐕ䋱䋲᦬䇮䌐䌘䌒䈲Ḱන⦡䈱㜞ノᐲ䈪ᐓᷤᕈ䈮ን䉃ℂᗐ⊛䈭䌘✢䈪䈅䉎䈖䈫䈏ታ㛎⊛䈮ታ⸽䈘䉏䇮䋲䋰䋰䋷ᐕ䋳᦬䇮䉲䊮䉪䊨䊃䊨䊮᡼኿శ䈫ห╬䈱቟ቯᕈ䈏ᓧ䉌䉏䉎䉋䈉䈮䈭䉍䇮ᐓᷤᕈ䈮ን䉃䌘✢Ḯ䈫䈚䈩૏⋧Ꮕ䉟䊜䊷䉳䊮䉫䈱㐿⊒⎇ⓥ䈏Ⓧᭂ⊛䈮ㅴ䉄䉌䉏䈩䈇䉎䇯䋲㩷 䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪䌘✢᡼኿䋨䌐䌘䌒䋩㩷㜞䉣䊈䊦䉩䊷㔚ሶ䈏‛⾰䈮౉኿䈜䉎䈫䇮㔚ሶ䈲ේሶᩭ䉇ේሶౝᲖ㔚ሶ䈫⋥ធⴣ⓭䇮ᚗ䈇䈲⋧੕૞↪෻ᔕ䈮䉋䉍䇮㓁ሶ䇮ਛᕈሶ䇮㔚ሶ䇮శሶ䈭䈬䈱䋲ᰴ☸ሶ䉕᡼኿䈘䈞䉎䈫หᤨ䈮䇮㔚ሶ䈲ේሶᩭ䉇ේሶ䈱Ზౝ㔚ሶ䈱㔚⩄䈫⋧੕૞↪䈚䈩೙േ䉕ฃ䈔⊕⦡䈱㔚⏛ᵄ䋨శሶ䋩䉕ユ኿䋨೙േユ኿䋩䈜䉎䇯৻ᣇ䇮‛⾰䈏න⚿᥏䈱႐ว䇮਄ㅀ䈱੐⽎એᄖ䈮䇮࿑䋱䈮␜䈜䉋䈉䈮䇮㔚ሶ䈲ㅢㆊ䈜䉎ㄭற䈱න⚿᥏ේሶ䉕៨േ䈚䈩䇮ේሶ䈲ಽᭂᝄേ䈚䈩䇮ᵄേ䊔䉪䊃䊦䋨㔚⏛ᵄ䋩䉕᡼኿䋨ಽᭂ᡼኿䋩䈜䉎䇯䈖䈱ᵄേ䈲䇮࿑䋲䈮␜䈜䉋䈉䈮䇮න⚿᥏ਛ䉕વ៝䈚౞ᒻ䈮᜛ᢔ䈜䉎䈏䇮ේሶᝄേᢙ䈏㜞䈇䈫䇮ᵄേ䊔䉪䊃䊦䈱ㅦᐲ䈲㔚ሶ䈱ㅦᐲ䉋䉍ㅦ䈇䇯㩷ᓥ䈦䈩䇮ᵄേ䈲䊄䉾䊒䊤䊷䉲䊐䊃䈚䇮䈠䈱ᵄ㐳䈲વ៝ᣇะ䈮䉋䈦䈩ᄌൻ䈜䉎䇯৻ᣇ䇮㔚ሶ䈱ㅴⴕᣇะ䈮ᣇ૏䈜䉎ᵄേ䊔䉪䊃䊦䈲ᵄ㐳䈏⍴❗䈘䉏䇮⚿᥏㕙䈪䊑䊤䉾䉪᧦ઙ䋨࿑䋳䉕ෳᾖ䋩䉕ḩ䈢䈜ᣇ૏ⷺ䋨෻኿ⷺ䋩䈮䌘✢䈫䈚䈩᡼኿䈘䉏䉎䇯䈖䈱䌘✢䉕䊌䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪䌘✢᡼኿䋨䌐䌘䌒䋩䈫⒓䈚䈩䈇䉎䇯㩷
㩷

-142-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)ಽᭂ᡼኿ේሶ㩷

㔚ሶ゠〔㩷
ബ⿠ේሶ㩷

䊑䊤䉾䉪᧦ઙ㩷 㪑㩷 䋲䌤䌳䌩䌮㱔䋽䌁䌂䋽䌮㱗䇮㩷㕖ബ⿠ේሶ㩷

౉኿䌘✢䌁䋱㪻㩷㪑㩷 ⚿᥏㕙䈱㑆㓒䇮㱗㪑㩷㪯✢ᵄ㐳㩷 㩿䌮䋽㪈㪃㪉㪃㪊䍃䍃䍃㪀
෻኿䌘✢
⚿᥏㕙

㧻

䌂䋱

ේሶ㩷
ǰ ǰ

㨐

න⚿᥏ේሶ㩷

㧮

ǰ
ǰ
䌁㵭䋱

࿑䋳㩷 䊑䊤䉾䉪᧦ઙ䉕ḩ䈢䈜䌘✢䈱෻኿㩷

⚿᥏

䌧

㧭

㧾

㔚ሶ㩷

࿑䋱㩷 න⚿᥏䈱ේሶ㑆䉕ㅢㆊ䈜䉎㔚ሶ㩷

ᵄ㕙䌁

⚿᥏㕙 ǰ

㩷
᡼኿䈱᭎ᔨ࿑䉕␜䈜䇯䈖䈖䈪䈲䇮䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪䌘✢䈲㔚ሶ䈎䉌⋥ធ᡼኿䈘䉏䉎೙േユ኿䌘✢䈪䈲䈭䈒䇮නන⚿᥏ේሶ䈱ಽᭂ᡼኿䈪䈅䉎䈖䈫䉕ᒝ⺞䈚䈩䈍䈒䇯㩷䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪䌘✢

䌘✢㩷
㱅

䌖

䌂

㜞䉣䊈䊦䉩䊷㔚ሶ

㔚ሶ

⚿᥏㕙 㱔

䌁

න⚿᥏

㱔

⚿᥏㕙
䋲㱔

㱅䋽䌣䋯㱖

㩷 䊄䉾䊒䊤䊷ലᨐ࿑䋴㩷 䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪䌘✢᡼኿䈱᭎ᔨ࿑㩷ዮ᛬₸㱖䈱‛⾰࿑䋲㩷 න⚿᥏ේሶ䈏㔚ሶ䈱៨േ䉕ฃ䈔䈩ಽᭂᝄേ䈚䇮ේሶ䈏᡼಴䈜䉎ᵄേ䊔䉪䊃䊦䈏⚿᥏㕙䈪䊑䊤䉾䉪᧦ઙ䉕ḩ䈢䈜ᣇ૏ⷺ䈮ᵄ㐳⍴❗䈘䉏䈩᡼኿䈘䉏䉎䌘✢䇯㩷㩷䋳㩷 䌐䌘䌒䈲૗᡿ⓨ㑆ᐓᷤ䌘✢䈭䈱䈎䋿㩷㜞䉣䊈䊦䉩䊷㔚ሶ䈏න⚿᥏ේሶ䉕៨േ䈚䇮ේሶ䈏ಽᭂᝄേ䈚䈠䈱ᵄേ䊔䉪䊃䊦䈏㔚ሶ䈱ㅴⴕᣇะ䈮વ៝䈜䉎䈫䈐䇮䊄䉾䊒䊤䊷䉲䊐䊃䈮䉋䈦䈩ᵄ㐳䈏⍴❗䈚⚿᥏ో૕䈮᜛ᢔ䈚䇮ᦨ⚳⊛䈮䈲䌘✢䈫䈚䈩᡼኿䈘䉏䉎䇯࿑䋵䈮␜䈜ᅤ䈒䇮න⚿᥏㕙䈮ⷺᐲ㱔䈪䌁㪈 ὐ䈮౉኿䈚䈢䌘✢䈲⚿᥏㕙䈱䌒㪈䋬䌒㪉䋬䌒㪊 䈪䋲㱔䈱ᣇะ䈮䊑䊤䉾䉪෻኿䈚䈩䌘✢䋱䋬䌘✢䋲䋬䌘✢䋳䈫䈚䈩᡼኿䈘䉏䉎䇯䈖䉏䉌䈱䌘✢䈲䊑䊤䉾䉪᧦ઙ䉕ḩ䈢䈚䈩䈍䉍䇮䌂㪈䋬䌂㪉䋬䌂㪊 䉕⚿䈹✢਄䈪䈲ห⋧䈪䈅䉎䇯ᓥ䈦䈩䇮䈖䉏䉌䈱䌘✢䈲ⓨ㑆⊛䈮䉮䊍䊷䊧䊮䉲䊷䉕଻ሽ䈚䈩䈇䉎䇯৻ᣇ䇮䈖䉏䉌䈱䌘✢䈲䌐㪈䋬䌐㪉䋬䌐㪊䋬䌐㪋 䈪䌘✢䈱৻ㇱ䈏ౣ䈶䊑䊤䉾䉪෻኿䈚䇮න⚿᥏ో૕䈮᜛ᢔ䈚䈩䈇䈒䇯䈖䉏䉌䈱䌘✢䉅࿑䋵䈱䌐㪈䌒㪉 䈫䌐㪉䌒㪊 䉕⚿䈹✢䉕ㅒ䈮䈚䈢᭴࿑䈪䊑䊤䉾䉪᧦ઙ䈱䊨䉳䉾䉪䉕⚵䉂┙䈩䉏䈳䇮೨ㅀ䈫ห䈛⁁ᴫ䈮䈅䉎䇯ᓥ䈦䈩䇮ⓨ㑆䉮䊍䊷䊧䊮䊃䌘✢䈮䈭䉎䈖䈫䈲᣿䉌䈎䈪䈅䉎䇯ᦝ䈮䇮࿑䋵䈱౉኿䌘✢䉕㔚ሶ䈮⟎䈐឵䈋䈩䉅䊨䉳䉾䉪䈲ᄌ䉒䉌䈭䈇䇯න⚿᥏ਛ䈪䊑䊤䉾䉪᧦ઙ䉕ḩ䈢䈜䌘✢䈲䇮⚿᥏ᩰሶ䉕෻኿㕙䈫䈜䉎䉣䉺䊨䊮䉕વ៝䈜䉎శ䈱ᅤ䈒䇮ᄙᢙߩ⚿᥏㕙ߢ෻኿ࠍ➅ࠅ㄰ߒߥ߇ࠄන⚿᥏ߩో૕ߦ᜛ᢔߒߡ޿ߊ‫ޕ‬䌐䌘䌒䉕ቯ㊂⊛䈮ข䉍ᛒ䈉䈮䈲䇮࿑䋲䈮␜䈜䉋䈉䈮䇮ㅦᐲ䊔䉪䊃䌖䈱㜞䉣䊈䊦䉩䊷㔚ሶ䈏න⚿᥏䈮ᵄേ䊔䉪䊃䊦㱅䋨㔚⏛ᵄ䋩䊦䌖䉕⊒↢䈘䈞䈭䈏䉌ㅢㆊ䈜䉎⁁ᘒ䉕઒ቯ䈜䉎䇯䌁ὐ䉕㰱䌴䋽䋰䈪ㅢㆊ䈜䉎㔚ሶ䈏㰱䌴ᤨ㑆ᓟ䈱䌂ὐ䉕ㅢㆊ䈜䉎ᤨ䇮䌁ὐ䈪㔚ሶ䈱៨േ䉕ฃ䈔䈩䇮ේሶ䈏᡼಴䈚䈢ᵄേ䊔䉪䊃䊦㱅䈱వ┵䈲ᵄ㕙䌁䈮೔㆐䈚䈩䈇䉎䇯ᵄ㕙䌁䈫䌂ὐ䈱䉴䊕䊷䉴㑆㓒䋺䌻䋨䌣䋯㱑䋱䋯䋲䋩䋭䌖䍃㱅䌽㰱䌴㩷 䈮䈅䉌䉉䉎ᵄേ䊔䉪䊃䊦䈏ሽ࿷䈜䉎䇯㩷 ᵄേ䊔䉪䊃䊦䈱ᵄᢙ䉕䌮䇮䈠䈱ᵄ㐳䉕㱗䈫䈜䉎䈫䇮䈖䈱ⓨ㑆䈪䈲㩷䌻䋨䌣䋯㱑䋱䋯䋲䋩䋭䌖䍃㱅䌽㰱䌴䋽䌮㱗㩷䉕ḩ䈢䈚䈩䈇䉎䇯䈖䈖䈪䇮䌣㩷 䈲శㅦᐲ䋬㪯 ✢㗔ၞ䈮䈍䈔䉎න⚿᥏䈱ዮ᛬₸㱖䋨㱖䌾㱑䋱䋯䋲䋩䇯㩷৻ᣇ䇮㔚ሶㅦᐲ䌖䌖䈏䇮䌖䌖䋼䋨䌣䋯㱖䋩䈱▸࿐䈪䈲䇮㰱䌴䋽䋲㱜䋯䋨䌧䊶䌖䋩䈫䈭䉎䇯ૉ䈚㩷 䌧䈲⚿᥏㕙䈱ု⋥䊔䉪䊃䊦䈪䈅䉎䇯㩷৻ᣇ䇮㔚⏛ᵄ䉣䊈䊦䉩䊷㩷 䌅䌃䌒䈲䇮䌅䌃䌒䋽䌨㱙䋽䌨㱥䌃䌒䈪䈅䉍㩷䌅䌃䌒䋽䌮䌣䌨䋨䌧䊶䌖䋩䋯䋨䌣䋭㱑䋱䋯䋲䌖䊶㱅䋩㩷䈪ਈ䈋䉌䉏䉎䇯䈖䈖䈪䇮䌨䈲䊒䊤䊮䉪Ᏹᢙ䇮㱥䈲⚿᥏ਛ䈱ᵄേ䋴㩷 䌐䌘䌒䈲૗᡿㜞ノᐲ䈭䈱䈎䋿㩷䊔䉪䊃䊦䈱ᝄേᢙ䇮㱥䋽䋨䌣䋯㱑䋱䋯䋲䋩䊶䋨䋲㱜䋯㱗䋩䈪䈅䉎䌿㩷࿑䋴䈮䈲䇮㜞䉣䊈䊦䉩䊷㔚ሶ䈏⭯䈇න⚿᥏䉕ㅢㆊ䈚䈢႐วන⦡䌘✢䈪䈅䉎䌐䌘䌒䉕శḮ䈮䈚䈩䌉䌃䉦䊷䊄䉇Ⱡⰸ䈭䈬䈱ๆ䈮䇮䊑䊤䉾䉪᧦ઙ䉕ḩ䈢䈜䌘✢䈏ᦨ䉅න⚐䈭䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪䌘✢ ෼䉮䊮䊃䊤䉴䊃௝䉇ዮ᛬䉮䊮䊃䊤䉴䊃௝䉕䉟䊜䊷䉳䊮䉫䊒䊧䊷䊃䈪-143-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)᠟௝䈚䈢䇯䋰㪅䋲䌭䌭ෘ䈱න⚿᥏䉕䋱䋰䋰䌭䌁䈱䊌䊦䉴㔚ሶ䊎䊷䊛䈪䋱䋰ಽ䌾䋳䋰ಽᾖ኿䈚䈩䈇䉎䇯䊎䊷䊛㔚ᵹ䈲ᐔဋ㔚ᵹ䈮឵▚䈜䉎䈫䋴㱘䌁䈪䈅䉍䇮䊎䊷䊛៊ᄬ䈲ᢙ䋦એਅ䈪䈅䉎䇯ታ⾰⊛䈭ᾖ኿ᤨ㑆䈲䋱䊌䊦䉴ᒰ䈢䉍䋱䋷䋰䌮䌸䌳䋨䋳䌰䌳㬍䋲䋰㱘䌳䋯䋳䋵䋰䌰䌳䋩䈪䈅䉎䇯䋳䋰ಽ䈱ᾖ኿䈪䉅䇮Ⓧಽ㔺శᤨ㑆䈲⚂䋶䋱䋲㱘䌳䋨䋱䋷䋰㱘䌳㬍䋲䌣䌰䌳㬍䋱䋸䋰䋰䌳䌨䌯䌴䋩䈪䈅䉍䇮䈖䈱㔺శᤨ㑆䈪䇮䉟䊜䊷䉳䊮䉫䈏 ᠟௝䈪 䈐 䉎 䌐 䌘 䌒 䈲 㜞ノᐲ䈎ุ䈎䋿䈱 ್ᢿ䈪 䈅 䉎 䇯䋱䋶㫂㪼㪭 䈱䌐䌘䌒䈪᠟௝䈚䈢Ⱡⰸ䈱↹௝䈪䈅䉎䇯ዮ᛬䉮䊮䊃䊤䉴௝䋨Ꮐ䋩䈲䇮Ⱡⰸ䈱エ⚵❱᭴ㅧ䈱ᓇ௝䈏⹦⚦䈮౮䈚䈣䈘䉏䈩䈍䉍䇮䌐䌘䌒䈏ᐓᷤᕈ䈮ን䉖䈣䌘✢Ḯ䈪䈅䉎䈖䈫䉕␜ໂ䈚䈩䈇䉎䇯㩷৻ᣇ䇮㔚ሶ䈱䉣䊈䊦䉩䊷䈏䋵䋰䌍䌥䌖䋨㱏䌾䋱䋰䋰䋩䈮䈭䉎䈫䇮䌘✢㗔ၞ䈮䈍䈔䉎೙േ᡼኿䈫ಽಽᭂ᡼኿䈱ᒝᐲ䈲ห⒟ᐲ䈮䈭䉎䈫⹏ଔ䈘䉏䈩䈇䉎䇯㩷

㨄✢㧝
౉኿㨄✢
䌁䋱㩷

㨐
㨐
㨐

㨄✢㧞

䌂䋱㩷
䌐䋱㩷

ǰ
䌒䋱㩷

㨄✢㧟
䌓䋰

䌂䋲㩷

䌐䋲㩷
ǰ
ǰ ǰ 䌏䋱㩷
䌂䋳㩷
䌐䋳㩷
㱔
ǰ
䌒㪉㩷
ǰ ǰ䌏䋲㩷
ǰ
ǰ
䌒䋳

䌓䋱
䌓䋲
䌐䋴㩷

䌓䋳

ㅘㆊ㨄✢

࿑㧡 න⚿᥏ߦ౉኿ߒߚ㨄✢߇ࡉ࡜࠶ࠢ෻኿ߒߚ㨄✢ߣߘߩ૏⋧
㜞ノᐲ䈪䈅䉎䈫䈜䉎䈭䉌䇮䈖䉏䈲ਅ⸥䈱ℂ↱䈮᜚䉎䇯࿑䋵䈎䉌䇮න⚿᥏䈪䊑䊤䉾䉪᧦ઙ䉕ḩ䈢䈜䉋䈉䈮౉኿䈜䉎䌘✢䈲ⓨ㑆䉮䊍䊷䊧䊮䊃䉕଻䈤䈭䈎䉌⚿᥏ో૕䈮᜛ᢔ䈚䈩䈇䈒䈖䈫䈏᣿䉌䈎 ࿑䋷㩷 䌐䌘䌒䈪᠟௝䈚䈢Ⱡⰸ䈱䌘✢௝䇮᠟௝ᤨ㑆䈲૗䉏䉅䋳䋰䈪䈅䉎䇯䊗䊦䊙䊮ലᨐ䈏⃻䉏䉎᧦ઙ䈪䈲䇮䌘✢ๆ෼䈏ዋ䈭䈇 ಽ䇮ዮ᛬䉮䊮䊃䊤䉴௝䋨Ꮐ䋩䇮ๆ෼䉮䊮䊃䊤䉴௝䋨ฝ䋩㩷㩷䋵㩷 䉁䈫䉄㩷
䈢䉄䈮䇮න⚿᥏䈮ᣈ䈔䉎䌘✢䈱᜛ᢔ▸࿐䈲᜛ᄢ䈜䉎䇯㩷ቢో๟ᦼ᭴ㅧ䈱න⚿᥏䈎䉌䊑䊤䉾䉪෻኿䈘䉏䉎න⦡䌘✢㨄㧝䈱૏⋧䈲ឥ䈦䈩䈇䉎䈖䈫䉕ᗧ๧䈜䉎䇯䉁䈢䇮䈖䈱䌘✢䈲ฦ⚿䌁䋱㩷᥏ᩰሶ䈎䉌ⓨ㑆䉮䊍䊷䊧䊮䊃䈏଻ሽ䈘䉏䈩᡼኿䈘䉏䉎䇯㩷㨄㧞න⚿᥏䈲ᐔ㕙਄䈮ᐢ䈏䉎๟ᦼ᭴ㅧ䈱ήᢙ䈱ὐశḮ䈎䉌䌁䋲㩷䌐䋱㩷᡼኿䈘䉏䉎૏⋧䈱ឥ䈦䈢䌘✢Ḯ䉕ᒻᚑ䈜䉎䇯䈖䉏䈲䇮⍴〒㔌
㨄㧟
䌏䋱㩷
㨄✢
ǰ
䌓䋰㩷
ǰ㩷
ǰ
䈪ᐔ㕙ᵄ䉕᭴▽䈜䉎ᓎഀ䉕ᨐ䈢䈚䇮䉲䊮䉪䊨䊃䊨䊮᡼኿శ䈪䌁䋳㩷䌐䋲㩷㨐 䌓䋱㩷
ǰ䉮䊥䊜䊷䊃䈚䈩᡼኿䈘䉏䉎䌘✢䈫ห᭽䈱ᐔ㕙ᵄ䈮ㄭ䈇ᐓᷤᕈ
䌏䋲㩷
ǰ
ǰ ǰ
䌒
䋱
㨐 䌓䋲㩷
䈱ᒝ䈇න⦡䌘✢䈫䈭䉎䇯䈖䉏䉌䈱䌘✢Ḯ䈲シ䈇ర⚛䈎䉌䈭䉎
ǰ
䌐㪊
ǰ
ǰ ǰ
‛⾰᭴ㅧ䉇↢૕䈱エ⚵❱䉕᷹ⷰ䈜䉎䌘✢Ḯ䈫䈚䈩ᄢᄌ᦭↪
㨐 䌓䋳㩷
ǰ䌒㪉㩷
ǰ
䈫䈭䉎䇯
䌒䋳㩷
ෳ⠨ᢥ₂
࿑䋶㩷 ⓨ㑆ᐓᷤ䌘✢䈱㊀⇥㩷
[1] Y. Hayakawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res.
࿑䋶䈮␜䈜䉋䈉䈮䍂න⚿᥏䈮૏⋧䈱ឥ䈦䈢ⓨ㑆ᐓᷤ䌘✢䋨䌘㪈㪃䌘㪉㪃
B227 (2005) 32.
䌘㪊㪃䍃䍃䍃䋩䈏౉኿䈜䉎䈫䇮䈖䉏䉌䈱䌘✢䈲䌐㪈㪃䌐㪉㪃䌐㪊㪃䈱✢਄䈪ห⋧[2] T. Kuwada, et al., “Phase Contrast Imaging of Biological䈪䈅䉍䇮⚿᥏㕙䈱䌒㪈䋬䌒㪉䋬䌒㪊 䈪෻኿䈜䉎䌘✢䈲䌐㪈䋬䌏㪉 䉕㗂ὐ䈫Materials Using LEBRA-PXR”, SRI2006 The Ninth Inter. Conf.
䈜䉎䊑䊤䉾䉪᧦ઙ䉕䈠䉏䈡䉏ḩ䈢䈚䈩䈇䉎䇯ᓥ䈦䈩䇮䊑䊤䉾䉪෻
on Synchrotron Radiation, May 28-June, 2006 Daegu, Korea.
኿䈚䈢ฦ䇱䈱䌘✢䈲䌒㪈䌒㪉䌒㪊 䉕⚿䈹✢਄䈪ห⋧䈫䈭䉍ฦᵄേ䊔
[3] V. G. Baryshevsky, Channeling, radiation and in crystals at high䉪䊃䊦䈲㊀⇥䈚䈩વ៝䈜䉎䇯䈖䈱䌘✢䈲ᵄേᝄ᏷䈏ട▚䈘䉏䈠energies (BGU, Minsk, 1982)䈱ᒝᐲ䈲Ⴧᒝ䈘䉏䉎䇯䈖䉏䈏䌐䌘䌒䉕㜞ノᐲ䈮䈜䉎ᄢ䈐䈭ⷐ࿃
[4] A. N. Didenko et al., Phys. Lett. A 100 (1985) 177䈪䈅䉎䇯৻ᣇ䇮න⚿᥏ਛ䈪䊑䊤䉾䉪᧦ઙ䉕ḩ䈢䈜䌘✢䈲㜞ല₸[5] A.V. Shchagin, V.I. Pristupa and N.A. Khizhnyak, Phys. Lett.
䈪વ៝䈜䉎䈖䈫䈏น⢻䈫䈭䉎䇯ᦝ䈮䇮න⚿᥏䉕ᾖ኿䈜䉎㔚ሶ䊎148 (1990) 485
䊷䊛䈱䉣䊚䉾䉺䊮䉴䈏ዊ䈘䈇႐ว䈮䈲䇮․䈮䇮ߎ䈱ലᨐ䈏㗼⪺[6] I. Endo, et al., Phys.Rev. E 51 (1995) 6305.
䈮䈭䉎䈫੍ᗐ䈘䉏䉎䇯࿑䋷䈮䈲䇮䉟䊜䊷䉳䊮䉫䊒䊧䊷䊃䉕૶䈦䈩
[7] Y. Hayakawa, et al., Phys. Soc. Jpn. 67 (1998) 1044.
-144-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

STATUS OF THE PXR INSTRUMENTATION AT LEBRA,NIHON UNIVERSITY ∗Yasushi Hayakawa† , Ken Hayakawa, Manabu Inagaki, Takao Kuwada, Keisuke Nakao,
Kyoko Nogami, Takeshi Sakai, Isamu Sato, Yumiko Takahashi, Toshinari Tanaka
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University,
Narashinodai 7-24-1, Funabashi, 274-8501
Abstract
The X-ray beamline based on parametric X-ray radiation (PXR) has satisfactorily worked since its commissioningat the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University. At the PXR beamline,
diffraction-enhanced imaging and absorption spectroscopy are main applications because of the coherence and themonochromaticity. To improve the quality of experiments, the cooling-water systems for the linac and the PXRtarget crystal were replaced. As the results, the stability of the PXR beam was drastically improved. The electron
beam size on the target and the time structure of the PXR intensity were observed in order to investigate the PXR
property in detail. These results suggest that the PXR performance is restricted by the distortion of the target crystal.

೔େ LEBRA-PXR ϏʔϜϥΠϯͷ‫׆‬ಈঢ়‫گ‬
1.

͸͡Ίʹ

೔ຊେֶిࢠઢར༻‫ࢪڀݚ‬ઃ (LEBRA: Laboratory
for Electron Beam Research and Application) Ͱ͸ɺ૬ର࿦తՙిཻࢠͱ݁থഔ࣭ͱͷ૬‫ʹ༻࡞ޓ‬Αͬͯൃੜ͢ΔύϥϝτϦοΫ X ઢ์ࣹ (PXR: parametric X-ray
radiation) Λར༻ͨ͠ X ઢ‫ݯ‬Λ։ൃ͠ӡ༻͍ͯ͠Δɻ
100 MeV ͷిࢠϏʔϜʹΑͬͯΤωϧΪʔՄมͳ୯৭
X ઢϏʔϜΛൃੜͤ͞Δ͜ͱ͕ՄೳͰ͋Γɺ2004 ೥ΑΓར༻࣮‫΁ݧ‬ͷϏʔϜͷ‫څڙ‬Λ։͍࢝ͯ͠ΔɻPXRϏʔϜϥΠϯʹ͓͚Δ‫ࡏݱ‬ͷओͳԠ༻͸Πϝʔδϯάͱ X ઢ‫ٵ‬ऩඍࡉߏ଄ (XAFS: X-ray absorption ﬁneɹ structure) Ͱ͋Δ͕ɺಛʹ PXR ͷΤωϧΪʔ෼ࢄಛੑΛར༻ͨ͠ΤωϧΪʔ෼ࢄ‫ ܕ‬XAFS(DXAFS) ΍༏ΕۭͨؒίώʔϨϯεʹ‫ͮ͘ج‬Ґ૬ίϯτϥετΠ
ϝʔδϯάͷൺ཰͕ߴ͘ͳ͖͍ͬͯͯΔɻҐ૬ίϯτϥετΠϝʔδϯάʹؔͯ͠͸ɺ఻೻ʹΑΔΤοδ‫ڧ‬ௐͷख๏͚ͩͰ͸ͳ͘‫׬‬શ݁থ෼ޫ‫ث‬Λ༻͍ͨճં
‫ڧ‬ௐΠϝʔδϯά (DEI: diffraction enhanced imaging)ʹ΋੒ޭ͓ͯ͠ΓɺPXR ͷ༏ΕۭͨؒίώʔϨϯεΛ࣮ূ͍ͯ͠Δ [1] ɻDXAFS ΍ DEI ͷ࣮‫ݧ‬ͷ৔߹ɺ‫ݱ‬ঢ়Ͱ͸ଌఆख๏։ൃͱ͍͏ଆ໘͕‫͘ڧ‬ɺ·ͨ PXR ࣗମͷಛੑ‫ڀݚ‬΋ඞཁͳͨΊɺՃ଎‫ࢪث‬ઃαΠυ͕ओಋతʹਐΊ͍ͯΔɻ͜ͷΑ͏ʹɺDXAFS ΍ DEI ͷΑ͏ͳ PXR ͷಛ௕Λੜ͔͢͜ͱͷͰ͖ΔԠ༻ʹ͓͍ͯਐలΛ‫͍ͯͤݟ‬Δ
͕ɺ͜ΕΒͷ࣮‫ʹݧ‬͸ߴੑೳͷ X ઢϏʔϜͱଌఆ‫ܥ‬͕ඞཁͱͳΔɻಛʹ DEI ͷଌఆʹ͓͍ͯ͸ओʹԹ౓มಈʹ‫ى‬Ҽ͢Δ PXR ϏʔϜͷෆ҆ఆੑ͕໰୊ͱͳͬ
͍͕ͯͨɺϦχΞοΫͷਫྫྷγεςϜͷߋ৽ͳͲʹΑΓ҆ఆੑ͕ܶతʹ޲্ͨ͠ɻ·ͨɺભҠ์ࣹ (OTR:
optical transition radiation) Λར༻ͨ͠ిࢠϏʔϜͷϓϩϑΝΠϧϞχλΛಋೖ͠ɺPXR ͷλʔήοτ্Ͱ∗ จ෦Պֶলֶज़ϑϩϯςΟΞਪਐࣄ‫ܧ( ۀ‬ଓ)ʮՄม೾௕ߴً౓୯
৭ޫ‫ݯ‬ͷߴ౓ར༻ʹؔ͢Δ‫ڀݚ‬ʯ(H.17 – H.19)† E-mail: yahayak@lebra.nihon-u.ac.jpͷిࢠϏʔϜαΠζΛ‫؍‬ଌՄೳʹͨ͠ɻ͜ͷΑ͏ͳ
PXR ϏʔϜϥΠϯͷ੔උΛਐΊ͍ͯͬͨ݁Ռɺ࣮‫ݧ‬σʔλͷ࣭ͷ޲্ͱͱ΋ʹɺPXR ͷ‫ڵ‬ຯਂ͍ৼ෣΋‫؍‬ଌ͞ΕΔΑ͏ʹͳͬͨɻ͜ΕΒɺPXR ϏʔϜϥΠϯͷ‫ݱ‬ঢ়ʹ͍ͭͯใࠂ͢Δɻ2.

ਫྫྷγεςϜߋ৽ʹΑΔ҆ఆԽLEBRA-PXR ͷγεςϜͰ͸ϦχΞοΫͷਫ਼ີԹௐ͔Βͷྫྷ٫ਫΛ PXR λʔήοτ݁থϗϧμʔͷྫྷ٫ʹ༻͍͍ͯͨɻ͔͠͠ɺਫѹ͕ߴ͍ͨΊৼಈ͕ൃੜ
͠ɺਫࣗ਎Λഔհͯ݁͠থʹ఻೻͍ͯͨ͠ɻ·ͨɺਫ਼ີԹௐͷ੍‫ޚ‬ਫ਼౓΋े෼Ͱ͸ͳ͔ͬͨͨΊɺλʔήοτ݁থͷྫྷ٫‫ܥ‬Λࢼ‫ݧ‬తʹ PC ͷ CPU ਫྫྷΩοτΛྲྀ༻ͨ͠ಠཱͰ௿ѹͳ΋ͷʹ੾Γସ͑ͨɻԹ౓ίϯτϩʔϧ͸ߦ͍ͬͯͳ͍ͷͰࣨԹʹґଘ͍ͯ͠Δ͕ɺPXR ൃੜ૷ஔ͕ઃஔ͞Ε͍ͯΔՃ଎‫ࣨث‬͸ࣨԹͷมԽ͕গͳ͘ɺྫྷ٫ਫͷมಈ΋୹प‫ Ͱظ‬±0.02 ˆɺ௕प‫ Ͱظ‬0.02 ˆ /3 ࣌ؒ ఔ౓ʹ཈͑ΒΕ͍ͯΔɻ͜ΕʹΑΓɺPXR ϏʔϜͷ҆ఆ౓͸େ෯ʹ޲্ͨ͠ɻͦ
ΕʹՃ͑ɺϦχΞοΫͷੑೳվળͷͨΊɺྫྷౚ‫ػ‬΍ਫ਼ີԹௐͷߋ৽ΛਐΊɺͦͷ݁Ռͱͯ͠Ճ଎؅ͷԹ౓
มಈ͕ ±0.01 ˆҎԼʹ཈੍͞ΕΔΑ͏ʹͳͬͨ [2] ɻిࢠϏʔϜͷ҆ఆԽͷޮՌ΋ՃΘΓɺPXR ϏʔϜ‫ڧ‬౓ͷมಈ͸͞Βʹ‫ݮ‬গ͠ɺਤ 1 ʹࣔ͢Α͏ʹɺ౰ॳ
±10 %ۙ͋ͬͨ͘มಈ͕ɺ‫ࡏݱ‬͸ ±2 %ҎԼʹ·Ͱվળ͞Ε͍ͯΔɻ͜ͷਫྫྷ‫ܥ‬վળʹΑΔ҆ఆԽ͸ɺDEI ʹ͓͍ͯΞφϥΠβʔ݁থʹΑΔճંͷ࠶‫ݱ‬ੑ޲্Λ΋ͨΒ͠ɺ݁Ռͱͯ͠Ґ૬Πϝʔδͷ઱໌౓͕վળʹ‫د‬༩ͯ͠
͍Δ [3] ɻ͔͠͠ͳ͕Βɺ‫ࡏݱ‬ͷλʔήοτ݁থϗϧμʔͷྫྷ٫‫ܥ‬͸࢑ఆతͳ΋ͷͰ͋ΓɺԹ౓੍‫ޚ‬΍଱‫ٱ‬ੑͱ͍͏఺Ͱ໰୊͕͋ΔɻϦχΞοΫਫྫྷ‫ܥ‬ͷ੍‫ޚ‬ਫ਼౓͸ɺਫ਼ີԹௐΛߋ৽ͨ݁͠Ռे෼ຬ଍ͳ΋ͷͱͳ͍ͬͯΔͷͰɺλʔήοτ݁থͷྫྷ٫΋ਫѹΛ

-145-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

Normalized PXR intensity

1.1
ЍҸϦЙЪ
‫ܺٴ‬ᔚค඄

4.

‫ܺٴ‬ᔚค඄‫ڵ‬ిࢠϏʔϜαΠζͱ݁থͷ࿪Έλʔήοτ݁থ্ͰͷిࢠϏʔϜαΠζ͸ PXR ϏʔϜͷ࣭ΛܾΊΔॏཁͳཁૉͷ 1 ͭͰ͋Δɻྫ͑͹ DXAFS ࣮‫ݧ‬ͷ৔߹ɺଌఆͷΤωϧΪʔ෼ղೳ͸‫ݪ‬ཧతʹ
1ਫฏํ޲ͷిࢠϏʔϜεϙοταΠζʹґଘ͢Δ [4] ɻ·ͨɺҰൠతͳ X ઢ‫Ͱݯ‬͸‫ز‬Կޫֶʹࢧ഑͞ΕΔͨΊʹઢ‫ݯ‬αΠζ͕X ઢΠϝʔδͷʮϘέʯΛܾΊΔཁҏвθЙϟᔅ্Ⴈ᥮ค඄
ҼʹͳΔɻPXR ͷ৔߹ɺઢ‫ݯ‬ͷप‫ظ‬ੑʹ‫ى‬Ҽ͢Δί
0.9ώʔϨϯεΛ༗͓ͯ͠Γฏ໘೾తͳৼ෣ʹͳΔͷͰɺ
0
1000
2000
Time [ s ]‫ز‬Կޫֶతͳ֓೦͸৻ॏʹ‫͢ূݕ‬Δඞཁ͕͋Δɻͦ͜ਤ 1: PXR ϏʔϜ‫౓ڧ‬ͷมಈͷ༷ࢠɻPXR ͷύϧε ͰɺϦχΞοΫͷ࢛ॏ‫࣓ిۃ‬ੴΛ༻͍ͯλʔήοτ݁౰ͨΓͷ‫౓ڧ‬͸ి཭ശग़ྗͷύϧε೾ߴͱͯ͠ଌఆɻ থ্ͷిࢠϏʔϜεϙοτ‫ܗ‬ঢ়ͷௐ੔Λߦ͍ͳ͕Βɺ
ਤ 3 ͷΑ͏ͳηοτΞοϓͰ IC ήʔδͷ X ઢ૾ͷ‫؍‬άϥϑ͸ 2 ඵؒͷҠಈฏ‫ۉ‬Λऔ͍ͬͯΔɻଌΛߦͬͨ (17.5 keV)ɻPXR ϏʔϜ͸ిࢠϏʔϜεϙοτΛޫ‫ͯ͠ͱݯ‬ɺ͓Αͦ 1/γ ͷ޿͕ΓΛ࣋ͭͨ௿‫͢ݮ‬ΔϨΪϡϨʔλΛհͯ͠࠶ͼϦχΞοΫਫྫྷ Ίɺ͜ͷηοτΞοϓͰ͸‫ز‬Կֶతʹ໿ 30 %֦େ͞‫ʹܥ‬૊ΈࠐΉ͜ͱΛ༧ఆ͍ͯ͠ΔɻΕͨ X ઢ૾͕ಘΒΕΔɻ·ͨɺ୯७ʹ‫ز‬ԿޫֶΛద
༻͢ΔͱɺX ઢ૾ͷΤοδ͸ޫ‫ݯ‬αΠζͷ໿ 30 %ఔ౓ͷ෯ͷϘέ͕ੜͣΔ͜ͱʹͳΔɻ

3 . OTR ʹΑΔϏʔϜϓϩϑΝΠϧϞχλ

ЍҸϦЙЪᕅේLEBRA-PXR ʹ͓͍ͯɺDXAFS ͱ DEI ͕ओཁͳར༻‫ͳʹڀݚ‬ΔʹͭΕɺPXR ϏʔϜͷ඼࣭Λࠨӈ͢Δύϥϝʔλͱͯ͠λʔήοτ݁থ্ͰͷిࢠϏʔϜεϙοταΠζ͕ॏཁͳҙຯΛ࣋ͭΑ͏ʹͳ͖ͬͯͨɻͦ͜ͰϏʔϜϓϩϑΝΠϧϞχλͱͯ͠Ұൠతʹ༻͍ΒΕ͍ͯΔ OTR ΛϞχλ͢Δ͜ͱʹͨ͠ɻ์ࣹઢରࡦͱͯ͠ःณนͷഎ‫ʹޙ‬ઃஔ͞Εͨ CCD Χϝϥ·Ͱ OTR Λ༌ૹ͠ɺͦΕΛ๬ԕ‫؍Ͱڸ‬ଌ͢Δඞ
ཁ͕͋Δɻ౰ॳ͸ޫ࿏ͷ֬อͷ༰қ͔͞Βɺλʔήοτ݁থͷલํ 50 cm ͷͱ͜ΖʹΞϧϛ൘Λૠೖͯ͠OTR ൃੜ‫͕ͨ͠ͱݯ‬ɺిࢠϏʔϜͷి཭ଛࣦʹΑΔൃ೤Ͱ͙͢ʹ͕ۭ͍݀ͯ͠·ͬͨɻͦͷͨΊɺPXRλʔήοτ݁থࣗମ͔Β์ग़͞Ε͍ͯΔ OTR Λ‫؍‬ଌ͢Δํ਑ʹ੾Γସ͑ͨɻޫ࿏͕௕͘ͳΓҐஔ෼ղೳ͕ѱ͘ͳΔσϝϦοτ͸͋Δ΋ͷͷɺ೤తͳ໰୊͸ͳ͘ͳΓɺ·ͨৗ࣌Ϟχλͱͯ͠༻͍Δ͜ͱ͕Մೳ
ͱͳͬͨɻ(ਤ 2)

Xᕼᑀ

OTR

17.5keV

PXR
IP

ᒁ2ᕅේ

ICϦҸϹ
2.2m

7.3m

ਤ 3: ΠϝʔδଌఆηοτΞοϓɻe-beam
PXR
OTR
OTR
CCD
ปᬚᰧ

ਤ 2: OTR ϞχλγεςϜͷུ֓ਤɻਤ 4: ిࢠϏʔϜεϙοτ‫ܗ‬ঢ়ͱ X ઢ૾ (17.5 keV) ͷ૬ؔɻX ઢ૾ͷεέʔϧ͸‫؍‬ଌ໘্ͷ஋ɻ
-146-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

OTR ʹΑͬͯ‫؍‬ଌ͞ΕͨిࢠϏʔϜ‫ܗ‬ঢ়ͱͱ΋ʹͦͷ݁ՌΛਤ 4 ʹࣔ͢ɻ ਨ௚ํ޲ʹϏʔϜ͕޿͕͍ͬͯΔ (൒஋෯Ͱਫฏ:1.0 mm; ਨ௚:2.1 mm) ৔߹͸͔֬ʹ X ઢ૾ʹϘέ͕ೝΊΒΕΔ͕ɺ෯ 150 μm ͷϝογϡઢ͸·ͩೝࣝͰ͖͍ͯΔɻҰํɺਫฏํ޲
ʹ޿͕͍ͬͯΔ (൒஋෯Ͱਫฏ:2.5 mm; ਨ௚:1.0 mm)
ͱ͖͸Ϙέ͸গͳ͘ͳ͍ͬͯΔɻ͜ͷΑ͏ͳৼ෣͸ɺ୯७ͳ‫ز‬ԿޫֶͰ͸ PXR ͷ೾໘Λѻ͏͜ͱ͕Ͱ͖ͳ
͍͜ͱΛ͍ࣔࠦͯ͠Δɻ

ੜͤ͞ΔओཁҼͰ͋Δ͜ͱΛ͍ࣔࠦͯ͠Δɻ·ͨɺ‫ݱ‬ࡏ͸λʔήοτ݁থΛϗϧμʔʹ‫ػ‬ցతʹ‫ݻ‬ఆͯ͠
͍ΔͨΊɺిࢠϏʔϜরࣹʹͱ΋ͳ͏ಈతͳ࿪Έ͹͔ΓͰ͸ͳ͘੩తͳ࿪Έ΋ແࢹͰ͖ͳ͍ɻಛʹిࢠϏʔϜͷεϙοταΠζ͕େ͖͍৔߹ɺ޿͘໘ੵੵ
෼ͯ͠͠·͏ͨΊʹ݁থ࿪ΈͷӨ‫͕ڹ‬ग़΍͘͢ͳΔ
ͱߟ͑ΒΕΔɻ

5 . X ઢ૭ͷߋ৽͜Ε·Ͱ PXR ϏʔϜ͸ް͞ 125 μm ͷϙϦΠϛυ
(Χϓτϯ) ϑΟϧϜΛ૭ͱ࣮ͯ͠‫ࣨݧ‬ͷେ‫ؾ‬தʹऔΓग़͞Ε͍͕ͯͨɺ͜͜ͰͷϦʔΫʹΑΔਅۭͷѱԽ͕໰୊ͱͳ͍ͬͯͨɻͦ͜Ͱഉ‫ܥؾ‬Λ‫ڧ‬Խ͢Δͱͱ΋ʹϙϦΠϛυϑΟϧϜΛย໘Ξϧϛৠணͨ͠΋ͷʹަ‫ͨ͠׵‬ɻਅۭʹؔͯ͠͸ PXR ൃੜ૷ஔຊମ΁ͷϦʔΫͷӨ‫ڹ‬͸໰୊ͳ͍Ϩϕϧʹ·Ͱվળ͞Εͨɻ͔ͦ͠͠ͷ൒໘ɺΞϧϛৠணͨ͜͠ͱʹΑͬͯ X ઢʹର͢ΔϨϯζޮՌ͕‫ͳ͘ڧ‬ΓɺDEI ͷଌఆʹӨ‫ڹ‬͕ग़ͯ͠·͍ͬͯΔɻ͜Εʹ͍ͭͯ͸‫ࡏݱ‬ରࡦΛ‫ݕ‬౼தͰ͋Δɻ

6.

ਤ 5: ୈ 2 ݁থճં֯Λύϥϝʔλͱͨ͠ɺPXR ύϧεͷ࣌ؒߏ଄ͱ X ઢ૾ͷ૬ؔɻ͜͜Ͱɺਫฏɺਨ௚ํ޲ͱ΋ʹόϥϯεྑ͘ిࢠϏʔϜΛूଋͤͨ͞৔߹ɺਤ 5 ʹࣔ͢Α͏ʹϏʔϜ௚‫ܘ‬͸൒஋෯Ͱ͓Αͦ 1.2 ∼ 1.3 mm ʹͳͬͨɻCCD͕΍΍๞࿨͍ͯ͠Δ‫ͳ͡ײ‬ͷͰɺαΠζΛաେධՁ
͍ͯ͠ΔՄೳੑ͸͋Δ͕ɺͦΕΛߟྀʹೖΕͯ΋௚‫ ܘ‬1 mm ఔ౓ʹͳΔͱࢥΘΕΔɻ͜ͷ৔߹ʹ͍ͭͯৄ͘͠ௐ΂Δͱɺλʔήοτ͔Βൃੜͨ͠ PXR Λ༌ૹ͢Δୈ 2 ݁থͷ֯౓ʹΑͬͯ PXR ͷύϧεߏ଄͕
มԽ͢Δɻ͜ͷ‫ݱ‬৅͸ిࢠϏʔϜͷরࣹʹΑͬͯൃੜ͢Δλʔήοτ݁থͷ࿪Έʹ‫ى‬Ҽ͢Δͱߟ͑ΒΕɺ࿪ΈʹΑͬͯ࣠ͷํ޲͕ҟͳΔ݁থͷ‫د‬༩ͷॏͶ߹Θͤͷ݁Ռͱͯ͠ PXR ͷ࣌ؒߏ଄͕ෳࡶʹͳΔ΋ͷͱࢥΘΕΔ [5] ɻਤ 5 ʹ͓͍ͯɺୈ 2 ݁থճં‫ۂ‬ઢͱγϯνϨʔλ‫ݕ‬ग़‫Ͱث‬ଌఆ͞Εͨ PXR ͷ࣌ؒߏ଄ͷ૬ؔΛ͕ࣔ͢ɺճં‫ۂ‬ઢͷϐʔΫ (A) ͷͱ͖ʹൺ΂ͯ௿֯ଆͷ੄໺ (B) ͷ΄͏͕࣌ؒߏ଄͕γϯϓϧͰɺX ઢ૾΋΍΍઱໌ͱͳ͍ͬͯΔɻҰํɺߴ֯ଆͷ੄໺ (C) Ͱ͸ύϧεͷલ൒ͱ‫ޙ‬൒Ͱ͸݁থͷ࿪Έͷঢ়ଶ͕ҟͳ͍ͬͯΔͱࢥΘΕɺ࣮ࡍʹ X ઢ૾΋ೋॏʹμϒͬͨ΋ͷ͕ಘΒΕͨɻ͜ΕΒͷ݁Ռ͸ɺPXR ʹ͓͍ͯ͸λʔήοτ݁থͷ࿪Έ͕ X ઢ૾ͷϘέΛൃ·ͱΊͱ՝୊

ྫྷ٫‫ܥ‬ͷΞοϓάϨʔʹ൐͏ PXR ϏʔϜͷ҆ఆੑ޲্͓Αͼ OTR ϞχλͳͲ֤छͷଌఆ‫ܥ‬ͷ੔උʹΑΓɺిࢠϏʔϜͷঢ়ଶͱಘΒΕΔ PXR ͷಛੑͷ૬ؔʹ͍ͭͯΑΓৄࡉͳ৘ใ͕ಘΒΕΔΑ͏ʹͳ͖ͬͯͨɻిࢠϏʔϜ‫ܗ‬ঢ়Λύϥϝʔλͱͨ͠ X ઢ૾ͷ‫؍‬ଌ݁Ռ͸ɺϗϧμʔ΁ͷ‫ݻ‬ఆ΍ిࢠϏʔϜরࣹʹ൐ͬͯੜͣΔλʔήοτ݁থͷ࿪Έ͕ PXR ͷੑೳΛ੍໿
͢Δେ͖ͳཁҼͱͳ͍ͬͯΔ͜ͱΛ͍ࣔࠦͯ͠Δɻ૭Λ‫ؚ‬Ή X ઢޫֶ‫ܥ‬ͷ੔උͱͱ΋ʹɺλʔήοτ݁থͷ࿪Έରࡦ͕ࠓ‫ޙ‬ͷॏཁͳ՝୊Ͱ͋Δɻ

Acknowledgmentsຊ ‫ ڀ ݚ‬ͷ Ұ ෦ ͸ Պ ‫ ݚ‬අ (՝ ୊ ൪ ߸: 17760058,
17560046) ͓Αͼ೔େֶज़ॿ੒ۚ (૯߹: 04-019 & 05029, TS) ͷॿ੒Λड͚ͯߦΘΕͨɻࢀߟจ‫ݙ‬[1] Y. Hayakawa et al., “Advanced applications of PXR at LEBRA, Nihon University”, Proceedings of SPIE Vol. 6634
(2007), DOI: 10.1117/12.741898.
[2] T. Sakai et al., “೔ຊେֶϦχΞοΫͷྫྷ٫ਫԹ౓ͷਫ਼ີ੍‫”ޚ‬, in these proceedings (2007) FP68.
[3] I. Sato et al., “ిࢠϦχΞοΫʹΑΔۭؒ‫ׯ‬ব̭ઢ‫”ݯ‬,in these proceedings (2007) FO01.
[4] M. Inagaki et al., “ిࢠϏʔϜ৚݅ͱ PXR ͷΤωϧΪʔ෼ࢄ෼ղೳͷ૬ؔ”, in these proceedings (2007) TP56.
[5] K. Nogami et al., “೔େ LEBRA-PXR ‫౓ڧ‬ͷ࣌ؒߏ଄”,in these proceedings (2007) TP57.

-147-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

Harmonic generation of the FEL using NLO *Ken Hayakawa1

,A)

A)

A)

A)

A)

Toshinari Tanaka Yasushi Hayakawa , Keisuke Nakao , Kyouko Nogami ,B)
B)
C)
Takesh Sakai ,Isamu Sato , Akira MoriA)
Institute of Quantum Science, Nihon University 24-1, Narashinodai, 7-chome, Funabashi-shi, Chiba, 274-8501
B)
Advanced Research Institute for the Science and Humanities, Nihon University
12-5, Goban-cho, Chiyoda-ku, Tokyo 102-8251
C)
College of Pharmacy, Nihon University 7-1, Narashinodai, 7-chome, Funabashi-shi, Chiba, 274-8555
8-14, Kanda-Surugadai 1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo 101-8308
Abstract
Preliminary experiments for generating harmonics of the free electron laser by using NLO(nonlinear opticalcrystals) have been performed at LEBRA. We used KTP(KTiOPO4)crystals for SHG(second harmonic generation) andTHG(third harmonic generation). Measured conversion efficiencies of the SHG are from 3% to 9% between thefundamental wavelengths of 1400nm to 1800nm. The THG is observed, however the conversion efficiency is far
smaller than 1%. Because of the group velocities mismatch of the two components of fundamental light, theconversion phenomenon occurs within only about 1 mm in depth from entrance of the crystal.

㕖✢ᒻశቇ⚿᥏ࠍ↪޿ߚ㧲㧱㧸㜞⺞ᵄߩ⊒↢ઙࠍ૏⋧ᢛวߣ๭ࠎߢ޿ࠆ‫ߢߎߎޕ‬ขࠅ਄ߍࠆߩߪ
╙㧞෸߮‫╙ޔ‬㧟㜞⺞ᵄ⊒↢ߢ޽ࠆ㧔SHG and THG㧕‫ޕ‬ߎࠇࠄߪ‫߽ࠇߕ޿ޔ‬๺๟ᵄ⊒↢ߩ․ᱶߥ႐วߢ޽ࠆ‫ޕ‬ᓟㅀߩࠃ߁ߦ‫ޔ‬૏⋧ᢛวߦߪ⚿᥏ߩ⇣ᣇᕈࠍ೑↪ߒߡ޿ࠆ߇㨮ߎߩࠃ߁ߥ⚿᥏ߩ႐ว‫ޔ‬ਥዮ᛬₸ߩዊߐ޿㗅ߦ‫ޔ‬x‫ޔ‬y‫ޔ‬zߩᐳᮡࠍഀᝄࠆ‫ޕ‬㧝㧚ߪߓ߼ߦ

ᣣᧄᄢቇ㔚ሶ✢೑↪⎇ⓥᣉ⸳ߢߪ㨮ᵄ㐳1.3~6μmߩ⥄↱㔚ሶ࡟࡯ࠩ࡯ࠍ೑↪ታ㛎ߦଏ⛎ߒߡ޿ࠆ߇‫ࠃޔ‬ࠅ⍴ᵄ㐳ߩ࡟࡯ࠩ࡯ߩ㔛ⷐ߽ᄙߊ㨮ߎࠇߦߪFELߩ㕖✢ᒻ㜞⺞ᵄߦࠃߞߡኻᔕߒߡ޿ࠆ‫ޔߒ߆ߒޕ‬㕖✢ᒻ㜞⺞ᵄߪ‫ߥ࠻ࡦ࡟࡯ࡅࠦޔ‬శߢߪ޽ࠆ߇㨮ၮᧄᵄߦᲧߴ㨮ߘߩᒝᐲ߇ᢙᩴᒙߊ‫ޔ‬೑↪߇㒢ࠄࠇߡ޿ࠆ‫ ޕ‬2.1 ૏⋧ᢛว᧦ઙߣᄌ឵ല₸⍴ᵄ㐳ߢFELࠍ⊒ᝄߐߖࠇ߫ࠃ޿ߩߛ߇㨮⍴ᵄ㐳ߢ૏⋧ᢛว᧦ઙߪ๺๟ᵄ⊒↢ߩ႐ว⊒ᝄߐߖࠆߦߪ޿ߊߟ߆໧㗴߇޽ࠆߎߣ߇ࠊ߆ߞߡ
Δk = k 3 − k 2 − k1߅ࠅ‫ޔࠈߒ߻ޔ‬㕖✢ᒻశቇ⚿᥏(NLO: Non-Linear
2πn3 2πn2 2πn1
Optical crystal)ࠍ૶ߞߡ㜞⺞ᵄࠍ⊒↢ߐߖࠆᣇ߇⃻
=
−
−
=0
λ3
λ2
λ1
ታ⊛ߢ޽ࠆߣ⠨߃ࠄࠇࠆ‫⚿ޕ‬᥏ߩㆬᛯߦࠃߞߡߪ㕖ᏱߥᐢᏪၞߢ㜞⺞ᵄࠍ⊒↢ߐߖࠆߎߣ߇ᦼᓙߢ߈ࠆ‫ ޔߢߎߎޕࠆ޽ߢ ޕ‬k1 ‫ ޔ‬k2 ߪ౉ജశ‫ޔ‬k3 ߪ๺๟ᵄశߩ
ᵄ㐳นᄌ▸࿐0.4~1.3μmࠍ⋡ᮡߦ㨮ᬌ⸛ࠍⴕ޿㨮੍஻ ᵄᢙ‫ޔ‬λ1‫ޔ‬λ2‫ޔ‬λ3‫↱⥄ߪޔ‬ⓨ㑆ᵄ㐳‫ޔ‬n1‫ޔ‬n2‫ޔ‬n3ߪฦታ㛎ࠍᆎ߼ߚ‫ޕ‬㕖✢ᒻశቇ⚿᥏ߣߒߡߪ‫ޔ‬Nd:Yag ๟ᵄᢙߩశߦኻߔࠆዮ᛬₸ߢ޽ࠆ‫⇣ޕ‬ᣇᕈࠍᜬߟ⚿࡟࡯ࠩ࡯ߥߤߩ㜞⺞ᵄ⊒↢↪ߦ૶ࠊࠇ‫౉ޔ‬ᚻ߇ኈᤃ ᥏ߩ႐ว‫ޔ‬శߩㅴⴕᣇะߣ஍శߩะ߈ߦࠃߞߡ㨮ዮߢ㨮․ᕈ߽⦟ߊࠊ߆ߞߡ޿ࠆKTP(KTiOPO4)ࠍ૶↪ߒ ᛬₸߇⇣ߥࠆߩߢ㨮⚿᥏ゲߦኻߒߡ㨮శゲ߅ࠃ߮஍శ
ߚ‫ޕ‬ߩะ߈ࠍㆡᒰߦㆬ߱ߣ‫▸ࠆ޽ޔ‬࿐ౝߢ૏⋧ᢛว᧦ઙࠍḩ⿷ߐߖࠆߎߣ߇ߢ߈ࠆ‫౉ޕ‬኿శߩ஍శߩะ߈߇
㧞㧚㕖✢ᒻశቇ⚿᥏ߦࠃࠆ㜞⺞ᵄߩ⊒↢ᐔⴕߥ႐วࠍType I‫ޔ‬੕޿ߦု⋥ߥ႐วࠍType II૏⋧ᢛวߣ๭ࠎߢ޿ࠆ‫౉ޕ‬኿శߩᵄ㐳ࠍᄌᦝߒߚ޿႐
⍴ᵄ㐳ߢᒝജߥࠦࡅ࡯࡟ࡦ࠻శࠍᓧࠆߚ߼ߦ㨮
Nd:Yag࡟࡯ࠩ࡯╬ߩᒝജߥ⿒ᄖ࡟࡯ࠩ࡯ࠍ㕖✢ᒻ วߪ‫ޔ‬หᤨߦ㜞⺞ᵄߩᵄ㐳߽ᄌࠊࠆࠊߌߛ߇㧘శゲశቇ⚿᥏ߦࠃߞߡᵄ㐳ᄌ឵ߔࠆᛛⴚ߇⎇ⓥߐࠇ‫ޔ‬ታ ߦኻߔࠆ⚿᥏ߩⷺᐲࠍ⺞ᢛߒߡ㨮૏⋧ᢛว᧦ઙࠍḩ↪ൻ߽ߐࠇߡ޿ࠆ‫ޕ‬㕖✢ᒻశቇ⚿᥏ߦੑ⒳㘃ߩࠦ ⿷ߐߖࠆࠃ߁ߦߔࠆ‫ޕ‬ᄌ឵ല₸ηߪ೨ㅀߩΔk㨮⚿᥏ౝࡅ࡯࡟ࡦ࠻ߥశࠍ㊀⇥ߐߖߡ౉኿ߔࠆߣ‫ޔ‬๺๟ᵄ෸ ߩ⥶〝㐳L‫࡯ࡢࡄޔ‬ኒᐲPߥߤߦଐሽߒ‫ޔ‬߮Ꮕ๟ᵄ߇⊒↢ߔࠆ‫⚿ޕ‬᥏ౝߩ⇣ߥࠆ႐ᚲߢ⊒↢ߒߚశߩ૏⋧߇ឥߞߡ޿ࠇ߫㨮ㅴⴕᣇะߦᴪߞߡ㨮Ⓧߺ
㊀ߨࠄࠇ㨮ᄢ߈ߥ಴ജߣߒߡขࠅ಴ߐࠇࠆ‫᧦ߩߎޕ‬⎛ d eff sin(ΔkL) ⎞⎟η ∝ PL ⎜⎜
⎟
ΔkL
⎝
⎠

2

2

* ᧄ⎇ⓥߪᢥㇱ⑼ቇ⋭ቇⴚࡈࡠࡦ࠹ࠖࠕផㅴ੐ᬺ㧔⛮⛯㧕㧔ᐔᚑ17~19ᐕᐲ㧕ߩᡰេࠍฃߌߡⴕߞߚ‫ޕ‬
1E-mail: hayakawa@lebra.nihon-u.ac.jp-583-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)ߢ޽ࠆ‫ޔߢߎߎޕ‬deffߪ㕖✢ᒻశቇଥᢙߢ㨮㕖✢ᒻ⚿
᥏ߩ⒳㘃ߦଐሽߔࠆ㊂ߢ޽ࠆ‫ޕ‬ᓥߞߡ㨮৻⥸ߦ౉ജశߪ⚿᥏ߩ៊்㑣୯ࠍ⿥߃ߥ޿▸࿐ߢ⚦ߊ⛉ࠄࠇߡ޿ߚᣇ߇‫ޔ‬ല₸߇⦟޿‫ޕ‬ㅜਛߩశቇ♽ߩቯᢙࠍ⠨ᘦߔࠆߣ‫⋥ޔ‬ᓘ߇߅ࠃߘOOߣ⷗Ⓧ߽ࠄࠇࠆ‫ޕ‬
3.1 ╙2㜞⺞ᵄ೨ㅀߩࠃ߁ߦ㨮KTPߢߪType II ߩ૏⋧ᢛวࠍⴕ߁
ߚ߼㨮੕޿ߦ⋥੤ߔࠆ஍శ㕙ࠍ߽ߟၮᧄᵄ߇ᔅⷐߢ
੹࿁ߩታ㛎ߢ૶↪ߒߚ㕖✢ᒻశቇ⚿᥏KTPߪ‫ޔ‬ầ޽ࠆ‫ޕ‬LEBRA FELߢߪ಴ജࡐ࡯࠻ߩᚲߢ㨮᳓ᐔᣇะ⸃ᕈ߇ή޿ߚ߼ᛒ޿߿ߔߊ㨮㕖✢ᒻశቇଥᢙࠍᄢ߈
ߦ஍శߒߡ޿ࠆ‫ޕ‬ᓥߞߡ‫ޔ‬੕޿ߦ⋥੤ߔࠆ஍శ㕙ࠍ߽ߟశࠍᓧࠆߦߪ‫⚿ޔ‬᥏ࠍశゲߦ㑐ߒߡ45ᐲ࿁ォߐߊߢ߈ࠆߚ߼㨮ᐢߊ૶ࠊࠇߡ޿ࠆ⚿᥏ߢ޽ࠆ‫ ޕ‬KTP
ߖࠆ‫⚿ޕ‬᥏ࠍߎߩะ߈ߦ⸳⟎ߒ‫ޔ‬θ ߩᓸ⺞ᢛߔࠆߎߪੑゲᕈ⚿᥏ߥߩߢ㨮ਥዮ᛬₸ߩฦᚑಽߩ୯ߪߔߴ
ߣߦࠃࠅ㨮╙2㜞⺞ᵄࠍ⊒↢ߐߖࠆߎߣ߇ߢ߈ߚ‫ޕ‬ၮߡ⇣ߥࠆ‫⸥ߦࠣࡠ࠲ࠞޕ‬タߐࠇߡ޿ࠆ࠮࡞ࡑࠗࡗ࡯
ᧄᵄ1500nmߩ႐ว㨮╙2㜞⺞ᵄߪ750nmߣߥࠅ‫ߩੱޔ‬ߩಽᢔᑼߣࡈ࡟ࡀ࡞ߩ૏⋧ㅦᐲߩ౏ᑼ߆ࠄ‫ޔ‬ฦశ✢⋡߇ᗵᐲࠍᜬߟ㐳ᵄ㐳஥ߩ㒢⇇ߦㄭߊ㨮ᦨ߽ᗵᐲߩ
ߩ૏⋧ㅦᐲ߇᳞߼ࠄࠇ㨮૏⋧ᢛว᧦ઙࠍḩ⿷ߔࠆశ㜞޿ 500nm ㄭறߩᗵᐲߦኻߒߡ 3000 ಽߩ 1 ⒟ᐲߩᗵゲߩะ߈ࠍ᳞߼ࠆߎߣ߇ߢ߈ࠆ‫ޕ‬శߩ⥄↱ⓨ㑆ᵄ㐳ᐲߒ߆ߥ޿‫߼ߚߩߎޕ‬㨮㕖✢ᒻ㜞⺞ᵄߩ750nm ߩశߣዮ᛬₸ߩ㑐ଥ߽ਈ߃ࠄࠇࠆߩߢ㨮⟲ㅦᐲ߽᳞߼ࠆ
ߎߣ߇ߢ߈ࠆ‫ޔ߅ߥޕ‬ታ㓙ߩ⸘▚ߪਛ࿖ߩశቇ᧚ᢱ
ߪ‫ߡߞࠃߦ࠼࡯ࠝࠗ࠳࠻ࠜࡈޔ‬᷹ቯߔࠆߎߣߪߢ߈ࡔ࡯ࠞ࡯CASIX߇౏㐿ߒߡ޿ࠆ⸘▚࠰ࡈ࠻ࠍ૶ߞߚ‫߇ࠆ ޕ‬㨮⋡ߢߪోߊ⷗߃ߥ޿‫߇ࠈߎߣޕ‬㨮⚿᥏߆ࠄ⊒↢ߒߚหߓᵄ㐳ߩశߪ‫ޔ‬3ᰴߩ㕖✢ᒻ㜞⺞ᵄ(500nm)ߣ
ߎߩ⚿᥏ߪType II૏⋧ᢛวߦࠃࠅ‫ޔ‬ᄢ߈ߥ㕖✢ᒻశቇଥᢙࠍᓧࠆߎߣ߇ߢ߈ࠆ‫ߪߦ࡯ࠞ࡯ࡔޕ‬ၮᧄᵄߩ
ห⒟ᐲߩ᣿ࠆߐߢ㨮⿒⦡ߩࠬࡐ࠶࠻ߒߡ᷹ⷰߐࠇߚ‫ޕ‬ࡈࠜ࠻࠳ࠗࠝ࡯࠼ߢᵄᒻࠍ᷹ቯߔࠆ㓙߽‫ޔ‬NDࡈࠖ
FEL ߩᵄ㐳ࠍ 1500nm ߣߒ‫౉⋥ုޔ‬኿ߢ㨮SHG߅ࠃ߮࡞࠲࡯ߦࠃߞߡ3200 ಽߩ1 ߦᷫశߒߡ‫ޔ‬㕖✢ᒻ㜞⺞
THGߩ૏⋧ᢛว߇ߢ߈ࠆⷺᐲߦࠞ࠶࠻ߒߚ⚿᥏ࠍ⊒ᵈ ߒ ߚ ‫ ⚿ ޕ‬᥏ ߩ ᄢ ߈ ߐ ߪ ‫ ޔ‬SHG ↪ ‫ ޔ‬THG ↪ ౒ ߦ
ᵄߣห⒟ᐲߩାภߩᄢ߈ߐߦߥߞߚ‫⚿ޕ‬᥏ࠍㅢㆊߒ
ߚᓟߩశࠍࡊ࡝࠭ࡓߦࠃߞߡಽశߒ㨮FEL ߩᵄ㐳ࠍ
12×12×7mm3 ߢ‫⋥ޔ‬ᓘ㧝ࠗࡦ࠴ߩࡎ࡞࠳࡯ߦขࠅઃ
ߌࠄࠇߡ޿ࠆ‫ޕ‬SHG↪ߩ⚿᥏ߪశゲ߇ θ = 54°, φ = 0°
1400nm ߆ࠄ 1800nm ߹ߢᄌൻߐߖߚ႐วߩ㜞⺞ᵄߩࡄࡢ࡯ࠍὶ㔚ലᨐࠍ೑↪ߒߚࡄ࡞ࠬࡄࡢ࡯ࡔ࡯࠲ߦ
ߣߥࠆࠃ߁ߦࠞ࠶࠻ߐࠇߡ޿ߡ㨮ု⋥౉኿ߔࠆ
1500nm ߩశߦኻߒߡ‫ޔ‬૏⋧ᢛว᧦ઙ߇ḩ⿷ߐࠇࠆ‫ߡߞࠃ ޕ‬᷹ቯߒߚ‫⚿ޕ‬ᨐࠍ⴫1 ߦ␜ߔ‫ࠬ࡞ࡄࡠࠢࡑޕ‬ᒰߚࠅ3~9mJߩၮᧄᵄߦኻߒߡ㨮0.15~0.6mJ⒟ᐲߩ಴
౉኿ᵄߩᵄ㐳߇⇣ߥࠆ႐วߪ‫⚿ޔ‬᥏ࠍ y ゲߩᑫࠅߦജࠍᓧߚ‫ޕ‬ᄌ឵ല₸ߪ1500nm ߇ᦨ߽㜞ߊ‫ޔ‬9% ⒟ᐲ࿁ォߐߖ㨮θ ࠍᄌൻߐߖࠆߎߣߦࠃࠅ㨮૏⋧ᢛว᧦ઙߢ޽ߞߚ‫ޕ‬ᄌ឵ല₸ߪ౉ജߩࡄࡢ࡯ߦᲧ଀ߔࠆߩߢ㨮ࠍḩ⿷ߐߖࠆ‫ޕ‬ᵄ㐳▸࿐1400nm~1800nm ߦኻߒߡ㨮ࡑࠢࡠࡄ࡞ࠬ෸߮ࡒࠢࡠࡄ࡞ࠬߩ᭴ㅧ߇㨮ߎߩᵄ㐳θ ߩᄌൻߪ߅ࠃߘ51°~57°ߢ޽ࠆ‫ޕ‬▸࿐ߢߪᄌൻߒߥ޿ߣ઒ቯߒߡ㨮ᄌ឵ല₸ࠍ౉ജࠛࡀ࡞ࠡ࡯ߢⷙᩰൻߒߚ㊂ࠍ᜝ᒐౝߦ␜ߒߚ‫⚿ߩߎޕ‬㧟㧚㜞⺞ᵄ⊒↢ታ㛎᥏ߪ೨ㅀߩࠃ߁ߦ㨮 1500nm ߩశߦኻߒߡ㨮ࠞ࠶࠻ⷺታ㛎ߪవߕ㨮('.ߩᵄ㐳ࠍPOߦ⸳ቯߒߡⴕߞߚ‫ߣ ޕ‬෻኿㒐ᱛࠦ࡯࠻߇ᦨㆡൻߐࠇߡ޿ࠆߩߢ㨮ല₸߇('.శߪ㧞㕙ߩಳ㕙㏜ߦࠃߞߡ㓸శߒ㨮⚿᥏ߦ౉኿ߒ
ᦨᄢߣߥࠆߩߪᅷᒰߢ޽ࠆ߇㨮1800nmߢല₸߇ᕆߦߚ‫ޕ‬਄ᵹ஥ߦᦛ₸ඨᓘOߩ㏜ࠍ‫ߘࠃ߅ࠅࠃࠇߘޔ‬O
ᖡߊߥࠆℂ↱ߪਇ᣿ߢ޽ࠆ‫ߪ޿ࠆ޽ޕ‬᷹ቯߦ໧㗴߇ਅᵹߦᦛ₸ඨᓘOߩ㏜ࠍ⟎߈‫ޔ‬วᚑὶὐ〒㔌ࠍ޽ߞߚ߆߽ߒࠇߥ޿‫ޕ‬࿑1 ߪSi ෸߮InGaAsߩࡈࠜ࠻Oߣߒߚ‫ߩࠄࠇߎޕ‬㏜ߩᦛ₸ඨᓘߣ㈩⟎ߦߪ‫ޔ‬ߚ߹ߚ߹ᚻరߦ޽ߞߚ߽ߩࠍ૶↪ߒߚ߽ߩߢ․೎ߥ
ᗧ๧ߪή޿‫ߩߎޕ‬㓸᧤♽ߢ㓸శߒߚ႐วߩᦨዊࠬ
ࡐ࠶࠻ࠨࠗ࠭ߪ‫ޔ‬ታ᷹୯ߪߥ޿߇㨮౒ᝄེࡒ࡜࡯ߩ
ࠞ࠶ࡊ࡝ࡦࠣࡎ࡯࡞ߩ⋥ᓘ߇OOߢ޽ࠆߎߣ߆ࠄ㨮
2.2 㕖✢ᒻశቇ⚿᥏KTP

⴫ 1.  ╙ 2 㜞⺞ᵄ⊒↢ᤨߩၮᧄᵄ෸߮㜞⺞ᵄߩࡑࠢࡠࡄ࡞ࠬᒰߚࠅߩࠛࡀ࡞ࠡ࡯ߣᄌ឵ല₸‫ޕ‬ല₸ߩᓟߩ᜝ᒐౝߩᢙሼߪ‫౉ޔ‬ജࠛࡀ࡞ࠡ࡯ߢⷙᩰൻ
ߒߚ⋧ኻ⊛ߥᄌ឵ല₸‫ޕ‬
1st nm
2nd nm 1st mJ
2nd mJ
effi. %
1400
700
~3
~0.15
5
(0.9)
1500
750
~4.5
~0.4
9
(1)
1600
800
~6
~0.45
7.5 (0.5)
1700
850
~7.5
~0.6
8
(0.6)
1800
900
~9
~0.3
3
(0.16)(a)(b)࿑㧝㧚ࡈࠜ࠻࠳ࠗࠝ࡯࠼ࠍ૶ߞߡ᷹ቯߒߚၮᧄᵄ
ch1. ෸߮╙㧞㜞⺞ᵄߩᵄᒻ ch2 ‫( ޕ‬a)ၮᧄᵄߣ㕖✢ᒻ㜞⺞ᵄ‫( ޔ‬b) ၮᧄᵄߣ SHG ‫ߩࡓ࠭࠾ࠞࡔ↢⊒ޕ‬㆑޿ߦࠃࠅ㨮ᵄᒻ߇⇣ߥࠆ‫ޕ‬㕖✢ᒻ⚿᥏ߦࠃࠆᄌ
឵ല₸߇ࡄࡢ࡯ߦᲧ଀ߔࠆߚ߼㨮(b)ߢߪ‫ޔ‬㜞⺞ᵄߩᵄᒻߪၮᧄᵄߩᵄᒻࠍੑਸ਼ߒߚࠃ߁ߥᒻ⁁ࠍߒߡ޿ࠆ‫ޕ‬-584-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)࠳ࠗࠝ࡯࠼ࠍ૶ߞߡ᷹ቯߒߚၮᧄᵄ෸߮╙2 㜞⺞ᵄߩᵄᒻߢ޽ࠆ‫( ޕ‬a) ߪ‫ޔ‬ၮᧄᵄߣ㕖✢ᒻ㜞⺞ᵄ‫(ޔ‬b)ߪ‫ޔ‬ၮᧄᵄߣ SHG ߢ޽ࠆ‫߽ࠇߕ޿ޕ‬ၮᧄᵄ߇ၮߦ
ߥߞߡ޿ࠆ߇‫⊒ޔ‬శࡔࠞ࠾࠭ࡓ߇⇣ߥࠆߚ߼‫ޔ‬ᵄᒻ߇⇣ߥࠆ‫ޕ‬SHGߩᣇߪၮᧄᵄߩᵄᒻࠍੑਸ਼ߒߚࠃ߁
ߥᵄᒻߦߥߞߡ޿ࠆߎߣ߇⏕⹺ߐࠇߚ‫ޕ‬ߢ޽ࠈ߁‫ ╙ޕ‬2 㜞⺞ᵄߩࡄ࡞ࠬ᏷߇ၮᧄᵄࠃࠅ߽⍴޿ߩߪߎߩ⋧੕૞↪㗔ၞߩ⍴ߐߦ⿠࿃ߔࠆߣ⠨߃ࠄࠇࠆ‫ޕ‬╙ 3 㜞⺞ᵄࠍ⊒↢ߔࠆ⚿᥏ߦߟ޿ߡߪߐࠄߦᷓೞ
ߢ޽ࠆ‫ߪࠇߎޕ‬SHG↪⚿᥏ߩਅᵹߦ⟎߆ࠇࠆ߇‫ߎޔ‬ߩ⚿᥏ౝߢߩಽᢔߦࠃߞߡ‫ޔ‬ၮᧄᵄ㧝‫╙ޔ‬2 㜞⺞ᵄ‫ޔ‬ၮᧄᵄ㧞ߩ㗅⇟ߦ⚿᥏߆ࠄ಴ߡߊࠆ‫ᤨߩࠇߙࠇߘޕ‬3.2 ╙3㜞⺞ᵄ㑆Ꮕߪ 1.1ps ‫ ޔ‬0.15ps ߢ޽ࠆ‫ ╙ޕ‬3 㜞⺞ᵄ⊒↢ߦነਈߔࠆߩߪ‫ ╙ޔ‬2 㜞⺞ᵄߣၮᧄᵄ㧞ߢ޽ࠆ‫ޕ‬THG⚿᥏╙㧟㜞⺞ᵄߪၮᧄᵄߣ╙㧞㜞⺞ᵄߩ๺๟ᵄߣߒߡ
ౝߢߪၮᧄᵄ㧞ߩ⟲ㅦᐲߩᣇ߇╙2 㜞⺞ᵄࠃࠅ߽ㅦ
⊒↢ߐߖࠆ‫ޕ‬૏⋧ᢛว᧦ઙߪ6[RG II ߢ޽ࠆ‫╙ޕ‬㧞 ߊߥࠅ‫ࠍࠇߎޔ‬ㅊ޿⿧ߒߡⴕߊߣ߈ߦ╙3 㜞⺞ᵄ߇㜞⺞ᵄߩ஍శߩะ߈ߩ㑐ଥߢ㨮ၮᧄᵄߩඨಽߒ߆๺ ⊒↢ߔࠆ‫⟲ޕ‬ㅦᐲߩᏅߪᄢ߈ߊ‫⋧ޔ‬੕૞↪ߔࠆ㗔ၞ๟ᵄ⊒↢ߦߪነਈߒߥ޿‫ޕ‬ၮᧄᵄߩᵄ㐳PO߆ࠄ ߪ0.5mm ⒟ᐲߢ޽ࠆߣ⠨߃ࠄࠇࠆ‫ޕ‬ᓥߞߡ‫╙ޔ‬㧟㜞
POߦ߅޿ߡ‫╙ޔ‬㧟㜞⺞ᵄߩ⊒↢ߪ⏕⹺ߢ߈ߚ߇㨮 ⺞ᵄߩᄌ឵ല₸߇ዊߐ޿ߩߪᒰὼߢ޽ࠆ‫ޕ‬ࡄࡢ࡯ࡔ࡯࠲ߢ᷹ቯߢ߈ࠆ࡟ࡌ࡞ߦߪߥࠄߥ߆ߞߚ‫ޕ‬ࡈࠜ࠻࠳ࠗࠝ࡯࠼ߦࠃࠆ⋧ኻᒝᐲߩ᷹ቯߢߪ㨮㕖✢ 㧡㧚߹ߣ߼ᒻ㜞⺞ᵄߩᢙ୚߆ࠄ୚⒟ᐲߩᒝߐߦߪߥߞߡ޿ࠆ‫ޕ‬੹࿁ߩ৻ㅪߩታ㛎ߦࠃߞߡᐞߟ߆ߩὐ߇᣿ࠄ߆ߦ
ߥߞߚ‫ࠬ࡞ࡄޔߜࠊߥߔޕ‬᏷߇⍴޿ߚ߼‫ ޔ‬KTP ࠍ㧠㧚⟲ㅦᐲߣᄌ឵ല₸૶ߞߚType IIߩ૏⋧ᢛวߪ‫ޔ‬రߦߥࠆశߩ⟲ㅦᐲߩ╙㧞㜞⺞ᵄ⊒↢ߢ޽ࠆ⒟ᐲߩᄌ឵ല₸߇ᓧࠄࠇߚ ㆑޿ߦࠃࠅ‫⚿ޔ‬᥏ߩߏߊ৻ㇱߢߒ߆⋧੕૞↪߇⿠߈ߩߢ㨮ߘߩࡄ࡞ࠬ㐳ࠍᐓᷤ⸘ࠍ૶ߞߡ᷹ቯߒߚ‫ޕ‬ၮ ߕ‫ޔ‬ᄌ឵ല₸ࠍᄢ߈ߊߢ߈ߥ޿‫߽ߢ⁁⃻ޔߒ߆ߒޕ‬ᧄᵄߣ㜞⺞ᵄߩ⟲ㅦᐲߩ㆑޿߆ࠄ㨮㜞⺞ᵄߩࡄ࡞ࠬ ╙ 2 㜞⺞ᵄߦߟ޿ߡߪ‫ޔ‬ၮᧄᵄߩ10% ⒟ᐲߩ಴ജߪ
㐳ߪၮᧄᵄࠃࠅߕߞߣ㐳ߊߥࠆߣ੍ᗐߒߡ޿ߚ‫ޕ‬ታ ᦼᓙߢ߈ࠆߩߢ‫ޔ‬ಽ㊁ߦࠃߞߡߪ೑↪ߢ߈ࠆᒝᐲߢ޽ࠆ‫ ╙ޕ‬3 㜞⺞ᵄߦߟ޿ߡߪ‫ޔ‬㕖✢ᒻ㜞⺞ᵄࠃࠅᢙ㓙ߦ᷹ቯߒߡߺࠆߣ‫ޔ‬ၮᧄᵄߩ㐳ߐߪ‫ޔ‬એ೨ߦ᷹ቯ
୚߆ࠄ10 ୚߶ߤᒝ޿⒟ᐲߥߩߢ‫ޔ‬೑↪ታ㛎ߪ㒢ࠄࠇ
[1]
ߒߚᤨ ߣᄢᏅߥߊ㨮ඨ୯ో᏷ߢ50μm ⒟ᐲߢ޽ߞߚ
ߡ޿ࠆ‫ޔߒ߆ߒޕ‬㕖✢ᒻ㜞⺞ᵄߩઍᦧߦߪߢ߈ࠆߣ
߇‫੍ޔ‬ᗐߦ෻ߒߡ㨮㜞⺞ᵄߩࡄ࡞ࠬ㐳ߪၮᧄᵄࠃࠅ ᕁࠊࠇࠆ‫ޕ‬ዋߒ⍴ߊ‫ ޔ‬40μm ⒟ᐲߢ޽ߞߚ‫⚿ޔߪࠇߎޕ‬᥏ߩߏࠃࠅᒝ޿㜞⺞ᵄߩ⊒↢߇᳞߼ࠄࠇࠆ߇‫ޔ‬వߕߪၮߊ৻ㇱߒ߆㜞⺞ᵄ⊒↢ߦነਈߒߡ޿ߥ޿ߎߣࠍᗧ๧ ᧄᵄߩࡄࡢ࡯ࠍะ਄ߐߖ‫࠻࠶ࡐࠬࡓ࡯ࡆߣߞ߽ޔ‬ᓘߔࠆ‫ߩߎޕ‬໧㗴ࠍℂ⸃ߔࠆߚ߼ߦ㨮㑐ਈߔࠆశߩࡄ ࠍዊߐߊߔࠆశቇ♽߇ᔅⷐߢ޽ࠈ߁‫⚿ޕ‬᥏ߦ㑐ߒߡ࡜ ࡔ ࡯ ࠲ ࠍ ᬌ ⸛ ߒ ߚ ‫ ⴫ ޕ‬㧞 ߦ ၮ ᧄ ᵄ ߩ ᵄ 㐳 ߇ ߪ‫⟲ޔ‬ㅦᐲߩࡑ࠶࠴ࡦࠣ߇ߢ߈ࠆࠃ߁ߥ᧚ᢱ߇᳞߼
1500nm ߩ႐วߢ‫ޔ‬૏⋧ᢛว᧦ઙ߇ᚑ┙ߒߡ޿ࠆ႐ ࠄ ࠇ ࠆ ‫ ⃻ ޕ‬࿷ ⺞ ᩏ ߒ ߡ ޿ ࠆ ▸ ࿐ ߢ ߪ ‫ ޔ‬BBO(βวߩዮ᛬₸ߣ‫ޔ‬ᵄ᧤߇10mm ෘߩ⚿᥏ࠍㅢㆊߔࠆߩ BaB2O4)߇᦭ജߢ޽ࠆ߇‫ߦࠄߐޔ‬ᬌ⸛ࠍㅴ߼ࠆ‫╙ޕ‬2ߦⷐߔࠆᤨ㑆‫ޔ‬හߜ 10mm ࠍ⟲ㅦᐲߢ㒰ߒߚ୯ࠍps 㜞⺞ᵄߩᄌ឵ല₸߇චಽᄢ߈ߊߢ߈ࠇ߫‫╙ޔ‬㧠㜞⺞න૏ߢ␜ߒߚ‫ޕ‬n1ߪ஍శߩะ߈߇yゲߦᐔⴕߥᚑಽ㨮 ᵄ߽ၮᧄᵄߩᢙ㧑એ਄ߩᄌ឵ല₸߇ᦼᓙߢ߈ࠆߩߢ㧘n2 ߪု⋥ߥᚑಽߢ޽ࠆ‫✂ߩ⴫ޕ‬ដߌߢ⴫␜ߒߚᚑಽ ߎߜࠄߩᬌ⸛߽ㅴ߼ߡ޿ࠆ‫ޕ‬߇૏⋧ᢛว᧦ઙࠍḩ⿷ߒߡ޿ࠆ‫ߢߎߎޕ‬ᵈ⋡ߔߴ߈ߪㅢㆊᤨ㑆ߢ㨮ੑߟၮᧄᵄߪ஍శߩะ߈ߦࠃߞߡ㨮10mm ߩ⚿᥏ࠍㅢㆊߔࠆߩߦ1.788ps߽ߩᤨ㑆Ꮕ߇޽ࠆ‫৻ޕ‬ᣇࡄ࡞ࠬ᏷ߪ‫ోޔ‬᏷ߢ߽⥄↱ⓨ㑆ߢ100μm⒟ᐲ‫ᤨޔ‬㑆ߢߪ‫ޔ‬0.33ps⒟ᐲߢ޽ࠆ‫ޕ‬ᓥߞߡ‫ޔ‬஍శߩะ߈ߩ⇣ߥࠆ㧞ߟߩၮᧄᵄߪ‫⚿ޔ‬᥏ਛࠍ2mm⒟ᐲㅴ
߻ߣቢోߦ೨ᓟߦಽ߆ࠇߡߒ߹޿㨮㜞⺞ᵄߪ⊒↢ߒߥߊߥࠆ‫᦭ޕ‬ലߥ⋧੕૞↪㗔ၞߪ߅ߘࠄߊ1mm⒟ᐲ
⴫㧞㧚╙㧞㜞⺞ᵄ⊒↢ߦ㑐ਈߔࠆశߩᚑಽ‫ޕ‬n1,n2ߪዮ᛬₸ߢ㨮ฦ‫ޔޘ‬஍శߩะ߈߇y ᣇะߩᚑಽߣ‫ޔ‬y ゲߦ⋥ⷺߥᚑಽ‫ ޕ‬L/v1,L/v2 ߪ‫ޔ‬ฦᚑಽߩశߩᵄ
᧤߇ 10mm ෘߩ⚿᥏ࠍㅢㆊߔࠆߩߦⷐߔࠆᤨ㑆‫ޕ‬✂ដߌߩㇱಽ߇㨮૏⋧ᢛว᧦ઙࠍḩ⿷ߔࠆᚑಽ‫ޕ‬
1500 nm
1500 nm
750 nm
n1
1.738
1.738
1.762
n2
1.787
1.787
1.815
L/v1 ps
58.79258.79260.364
L/v2 ps
60.58060.58062.584

ෳ⠨ᢥ₂[1]

K.Hayakawa, K.Yokoyama, K.Nakao, I.Sato, T.Tanaka,
Y.Hayakawa, ”Measurement of the pulse length of the
FEL nonlinear harmonics radiation”, Proc. of the 1st
Annual Meeting of Particle Accelerator Scoiety of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan, 2004
Funabashi Japan, pp649651-485⴫㧟㧚╙㧟㜞⺞ᵄ⊒↢ߦ㑐ਈߔࠆశߩᚑಽ‫ޕ‬n1,n2ߪዮ᛬₸ߢ㨮ฦ‫ޔޘ‬஍శߩะ߈߇y ᣇะߩᚑಽߣ‫ޔ‬yゲߦ⋥ⷺߥᚑಽ‫ ޕ‬L/v1,L/v2 ߪ‫ޔ‬ฦᚑಽߩశߩᵄ᧤
߇10mm ෘߩ⚿᥏ࠍㅢㆊߔࠆߩߦⷐߔࠆᤨ㑆‫✂ޕ‬ដߌߩㇱಽ߇㨮૏⋧ᢛว᧦ઙࠍḩ⿷ߔࠆᚑಽ‫ޕ‬
1500 nm
750 nm
500 nm
n1
1.738
1.762
1.798
n2
1.799
1.828
1.874
L/v1 ps
58.79258.79264.140L/v2 ps61.01563.12868.579-585-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

CORRELATION BETWEEN THE ELECTRON BEAM CONDITION
AND THE ENERGY RESOLUTION OF PXR DISPERSION*

1,A)

B)

Manabu Inagaki , Yasushi Hayakawa , Ken Hayakawa B), Keisuke Nakao B),
Kyoko Nogami B),Toshinari Tanaka B), Takeshi Sakai A), Isamu Sato A)
A)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities (ARISH), Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B)
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501

Abstract
When X-ray absorption near edge structure is measured, the energy resolution of measurement system is one of themost important properties. Theoretically, the energy resolution of the LEBRA-PXR system depends on the effective
electron beam spot size on the target crystal and on the distance between the target crystal and the detector. Since the
LEBRA-PXR system is based on the linac, the energy resolution can be comparatively easily adjusted by changing theelectron beam focusing condition.㻌 For example, the electron beam diameter of 0.5mm in horizontal direction
corresponds to the energy resolution 3eV at the measurement distance 7.67m. The dependence of the energy resolution
on the electron beam profile was experimentally confirmed by observing several XANES spectra. This adjustability
suggests the PXR-XAFS system can be optimized for the application requirement.
㻌㟁Ꮚࣅ࣮࣒᮲௳࡜ PXR ࡢ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศᩓศゎ⬟ࡢ┦㛵㻌㻌㸯㸬ࡣࡌࡵ࡟

᪥ᮏ኱Ꮫ㟁Ꮚ⥺฼⏝◊✲᪋タ(LEBRA)࡟࠶ࡿࣃࣛ
࣓ࢺࣜࢵࢡ X ⥺ᨺᑕ(PXR)Ⓨ⏕⿦⨨ࡣࠊ125 MeV 㟁Ꮚ⥺ᙧຍ㏿ჾࡀᇶ┙࡜࡞ࡗ࡚࠸ࡿࠋ⾲ 1 ࡟ LEBRAPXR ࢩࢫࢸ࣒ࡢᛶ⬟ࢆ♧ࡍࠋLEBRA-PXR Ⓨ⏕⿦⨨ࡣࢩࣜࢥࣥ᏶඲⤖ᬗࢆ⏝࠸ࡓ஧⤖ᬗᆺࡢࢩࢫࢸ࣒࡛
࠶ࡾ[1]ࠊ⌧ᅾ࡛ࡣ 5.0 - 20 keV ࡲ࡛㐃⥆ⓗ࡟࢚ࢿࣝࢠ࣮ྍኚ࡛༢Ⰽ X ⥺ࢆ౪⤥ࡋ࡚࠸ࡿࠋࡇࡢ X ⥺ࣅ࣮࣒ࡣࠊᣦྥᛶࡢ㧗࠸ X ⥺ࡀ౪⤥࡛ࡁࡿࡇ࡜ࠊX⥺ฟຊ❆ࡢ┤ᚄ(I 100 mm)࡟⏤᮶ࡍࡿᗈ⠊࡞↷ᑕ㔝ࢆᣢࡘࡇ࡜࡞࡝ࡢ≉ᚩࢆ฼⏝ࡋ⌧ᅾࠊ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศ
ᩓᆺ X ⥺྾཰ᚤ⣽ᵓ㐀(DXAFS) ᐃࡸ఩┦ࢥࣥࢺࣛࢫࢺ࢖࣓࣮ࢪࣥࢢ[2]࡞࡝ࡢ◊✲࡟ᛂ⏝ࡉࢀ࡚࠸ࡿࠋ
⾲ 1㻌LEBRA-PXR ࢩࢫࢸ࣒ࡢᛶ⬟㟁Ꮚ࢚ࢿࣝࢠ࣮
ຍ㏿࿘Ἴᩘ
ࣃࣝࢫᖜ
⧞ࡾ㏉ࡋᩘ
➨୍⤖ᬗ➨஧⤖ᬗ(཯ᑕ⏝)X⥺࢚ࢿࣝࢠ࣮ Si(111)X⥺ฟຊ❆(࢝ࣉࢺࣥ❆)

100 MeV2856 MHz
10 – 20 s
2 – 5 Hz
Si(111) 200 m ཌ
Si(111) 5 mm ཌ
4.0 – 20 keV (タィᛶ⬟)
5.0 – 20 keV (ᐇ⦼)┤ᚄ 100 mm
125 m ཌ

PXR ࡣࠊ↷ᑕ㔝ෆ࡟࠾࠸࡚Ỉᖹ᪉ྥࡢ఩⨨࡟㛵ࡍࡿ୍ḟ㛵ᩘⓗ࡞࢚ࢿࣝࢠ࣮ศᩓࢆ♧ࡍ࡜࠸࠺≉ᚩࢆᣢࡕࠊࡑࡢ≉ᚩࢆά࠿ࡋࡓ DXAFS ᐃ࡬ᛂ⏝ࡋ࡚࠸ࡿ[3]ࠋ㧗ศゎ DXAFS ᐃࢆ⾜࠺ࡓࡵ࡟ࡣࠊ࢚
ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟ࡀ㔜せ࡛ࠊࡑࢀ࡟ࡼࡾ PXR ⥺※⮬యࡢ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศᩓ࡜࢖࣓࣮ࢪࣥࢢࢹࣂ࢖ࢫࡢ✵㛫ศゎ⬟ࡢྥୖࡀᚲせ࡜ࡉࢀࡿࠋ௒ᅇࡣࠊ๓⪅࡟╔┠ࡋ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟ࡢྥୖࢆヨࡳࡓࠋࡇࡇ࡛ࠊࢱ࣮
ࢤࢵࢺ⤖ᬗ࠿ࡽ ᐃ㠃ࡲ࡛ࡢ㊥㞳ࢆ Lࠊ ᐃ㠃࡟࠾ࡅࡿỈᖹ఩⨨ࢆ x ࡜ࡍࡿ࡜ࠊPXR ࡢ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศᩓ
ࡣ௨ୗ࡜࡞ࡿࠋ
x ·§(1)!Z c | !Z ¨1 ¸
© L tan T ¹(1)ᘧ࡛♧ࡋࡓ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศᩓࡢ≉ᛶࢆ⪃៖ࡍࡿ࡜ࠊ
ࢱ࣮ࢤࢵࢺ⤖ᬗୖࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢫ࣏ࢵࢺࢧ࢖ࢬ࡜㟁
Ꮚࣅ࣮࣒㌶㐨࡟࠾ࡅࡿᦂࡽࡂࡣࠊ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศᩓࡢ
ศゎ⬟ࢆไ㝈ࡍࡿࠋࢱ࣮ࢤࢵࢺ⤖ᬗୖ࡛ࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࡢ┤ᚄࢆ䂴d ࡜ࡍࡿ࡜ࡑࡢศゎ⬟䂴Ed ࡣࠊ'd(4)'Ed | !ZL tan T࡜ᴫ⟬ࡉࢀࡿ[4]䚹ࡋࡓࡀࡗ࡚ࠊ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟ࡣ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࡢⰋ࠸ࣇ࢛࣮࢝ࢫ࡜Ᏻᐃᛶࠊࡲࡓࡣࢱ࣮
ࢤࢵࢺ㸫᳨ฟჾ㛫ࡢ㊥㞳 L ࢆ༑ศ☜ಖࡍࢀࡤ㧗ศゎ⬟࡟࡛ࡁࡿࠋLEBRA-PXR ࢩࢫࢸ࣒ࡢሙྜࠊ㟁Ꮚ⥺*ᮏ◊✲ࡣᩥ㒊⛉Ꮫ┬Ꮫ⾡ࣇࣟࣥࢸ࢕࢔᥎㐍஦ᴗ(⥅⥆)(ᖹᡂ 17㹼19 ᖺᗘ)
1E-mail: inagaki@lebra.nihon-u.ac.jp-586-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

ᙧຍ㏿ჾࢆ⏝࠸࡚࠸ࡿࡓࡵࠊ㞟᮰᮲௳ࢆኚ࠼ࡿࡇ࡜
࡛ࢱ࣮ࢤࢵࢺ⤖ᬗୖ࡛ࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖ࣝࢆ
ㄪᩚࡍࡿࡇ࡜ࡀẚ㍑ⓗᐜ࡛᫆࠶ࡿࠋࡇࡢࡓࡵࠊLEBRA-PXR ࢆ⏝࠸ࡓ㧗ศゎ DXAFS ᐃࢆ⾜࠺ணഛⓗᐇ㦂࡜ࡋ࡚ࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒᮲௳࡜ PXR ࡢ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศᩓศゎ⬟ࡢ┦㛵ࢆㄪ࡭ࡿᚲせࡀ࠶ࡿࠋࡑࡇ࡛
ᮏ◊✲࡛ࡣࠊ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟࡜㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࣉࣟ
ࣇ࢓࢖ࣝ࡜ࡢ౫Ꮡᛶࢆࠊ࠸ࡃࡘ࠿ࡢ X ⥺྾཰➃㏆
ഐᵓ㐀(XANES)ࢫ࣌ࢡࢺࣝࢆほ ࡋ࡚☜ㄆࡍࡿ᪉ἲࢆヨࡳࡓࠋ

⾲ 2 ࢱ࣮ࢤࢵࢺ㸫᳨ฟჾ㛫㊥㞳 7.67 m ࡟࠾ࡅࡿOTR ࡢᙧ≧࡜࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟ࡢ㛵ಀ
࢚ࢿࣝࢠ࣮
OTR⏬ീ
ࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬ
ศゎ⬟Ỉᖹ᪉ྥ㸸0.5 mm
ᆶ┤᪉ྥ㸸3.0 mm

3 [ev]

ղỈᖹ᪉ྥ㸸3.5 mm
ᆶ┤᪉ྥ㸸0.5 mm

21 [eV] 㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖ࣝࢆ ᐃࡍࡿࡓࡵࠊPXRⓎ⏕⿦⨨ࡢ๓᪉࡟ Al ࡢⷧᯈ(⣙ 0.2 mm ཌ)ࢆタ⨨ࡋࠊճ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢆᙜ࡚㑄⛣ᨺᑕග(OTR)ࢆほ ࡋࡓࠋᅗ2 ࡟ࢭࢵࢺ࢔ࢵࣉᴫ␎ᅗࢆ♧ࡋࡓࠋỈᖹ᪉ྥ㸸3.5 mm
ᆶ┤᪉ྥ㸸4.0 mm

21 [eV]ձ
1 mm㸰㸬ᐇ㦂᪉ἲ

ᅄᴟ㟁☢▼㻌
Q8

ᅗ 3 ࡢ ᐃ᮲௳ࡣࠊ⢊ᮎࡢ ZnO ࡟ PXR ࢚ࢿࣝࢠ࣮
9.661 keV ࢆ↷ᑕࡋࠊᅗ 4 ࡢ ᐃ᮲௳ࡣࠊ⢊ᮎࡢ
Nb2O5 ࡟ PXR ࢚ࢿࣝࢠ࣮18.98 keV ࢆ↷ᑕࡋࡓሙྜ
࡛࠶ࡿࠋࡑࢀࡒࢀࡢ྾཰➃ࡢഴࡁࢆ⟬ฟࡋࡓ⤖ᯝࢆ
⾲ 3 ࡟♧ࡋࡓࠋᅗ 3㸫4 ࡢ⤖ᯝ࠿ࡽࠊ⦪㛗ࡢᙧ≧ࡢ࡜ࡁࡀࠊ྾཰➃ࡢ❧ࡕୖࡀࡾ᪉ࡀ᭱ࡶ㗦ࡃࠊ⾲ 3 ࠿ࡽഴࡁࡶ኱ࡁ࠸ࡇ࡜ࡀࢃ࠿ࡗࡓࠋࡘࡲࡾࠊỈᖹ᪉ྥࡢࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࢆᑠࡉࡃㄪᩚࡋࡓ࡜ࡁࠊ࢚ࢿࣝࢠ࣮
ศゎ⬟ࡀⰋࡃ࡞ࡿࡇ࡜ࡀ☜ㄆ࡛ࡁࡓࠋ

Q7
OTR
⏝

OTRⓎ⏕ሙᡤ㙾

PXR㻌 㻌 㻌Ⓨ⏕⿦⨨㻌ᮃ㐲㙾+CCD࣓࢝ࣛ

㙾
1

⣔ࡢᴫ␎ᅗ

⥺ᙧຍ㏿ჾ㒊ࡢᅄᴟ㟁☢▼(Q7,Q8)ࡢ㞟᮰᮲௳ࢆኚ
࠼࡚ࠊAl ࡢⷧᯈୖ࡛ࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖ࣝࡢ
ኚ໬ࢆ CCD ࣓࡛࢝ࣛほ ࡋࡓࠋࡲࡓࠊྛࣉࣟࣇ࢓
࢖ࣝࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒࠿ࡽⓎ⏕ࡋࡓ PXR ࢆࢧࣥࣉࣝ࡟
↷ᑕࡋࠊ࢖࣓࣮ࢪࣥࢢࣉ࣮ࣞࢺ(IP)࠾ࡼࡧ CCD ࣓࢝ࣛࢆ⏝࠸࡚᧜ീࡋࡓࠋࡑࡇ࡛ᚓࡽࢀࡓ XANES ࢫ࣌ࢡࢺࣝ࠿ࡽ㟁Ꮚࣅ࣮࣒᮲௳࡜࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟ࡢ┦㛵ࢆㄪ࡭ࡓࠋᮏᐇ㦂࡛⏝࠸ࡓࢧࣥࣉࣝࡣࠊ௨ୗࡢ㏻ࡾ࡛࠶ࡿࠋ࣭Zn㸸ⷧ⭷(ཌࡳ:25 Pm)ࠊZnO㸸⢊ᮎ(<200 mesh)࣭Nb㸸ⷧ⭷(ཌࡳ:12.7 Pm)ࠊNb2O5㸸⢊ᮎ

Absorption

0.8
0.6
䐟
䐠
䐡

0.4
0.2
0
9.65

9.66

9.67

9.68

㻌
ᅗ 3 ྛ OTR ࡢᙧ≧࡟࠾࠸࡚⢊ᮎࡢ ZnO ࢆ⏝࠸ࡓ྾཰➃ࡢ❧ࡕୖࡀࡾ᪉ࠋ
㻌㸱㸬ᐇ㦂⤖ᯝ

X-ray energy [keV]1
0.8

Absorption

ᅗ 2 OTR ほ

0.6
0.4
0.2

䐟
䐠
䐡

ࢱ࣮ࢤࢵࢺ㸫᳨ฟჾ㛫㊥㞳 7.67 m ࡢ࡜ࡁࠊᅄᴟ
0㟁☢▼(Q7,Q8)ࡢ㞟᮰᮲௳ࢆኚ࠼ࡓሙྜࡢ OTR ࡢᙧ
9.65
9.66
9.67
9.68
≧ࡢኚ໬ࡢ౛ࢆ⾲ 2 ࡟♧ࡋࡓࠋࡇࢀ࠿ࡽࠊOTR ⏬
X-ray energy [keV]㻌ീࡀձ⦪㛗ࡢᙧ≧ࡢ࡜ࡁࡣࠊỈᖹ᪉ྥࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᅗ 4 ྛ OTR ࡢᙧ≧࡟࠾࠸࡚⢊ᮎࡢ Nb2O5 ࢆ⏝࠸ࡓ
┤ᚄࡀ 0.5 mm ࡛࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟ࡣ 3 eV ࡜࡞ࡾࠊ ྾཰➃ࡢ❧ࡕୖࡀࡾ᪉ࠋ
ղᶓ㛗ࠊճ୸ᙧࡢᙧ≧ࡢ࡜ࡁࡣࠊࣅ࣮࣒┤ᚄࡀ
3.5 mm ࡛࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟ࡣ 21 eV ࡟┦ᙜࡍࡿࠋ᭱ᚋ࡟ࠊ㧗ศゎ⬟ࡀᚓࡽࢀࡓ⦪㛗ࡢᙧ≧࡟ㄪᩚࡋࠊ
ḟ࡟ྛࣅ࣮࣒ᙧ≧࡟࠾࠸࡚ࠊࢧࣥࣉࣝࢆ⏝࠸࡚ᚓ
XAFS ࢫ࣌ࢡࢺࣝࡢほ ࢆ⾜࠸ࠊࡑࡢ⤖ᯝࢆᅗ 5㸫6ࡽࢀࡓ྾཰➃௜㏆ࡢࢫ࣌ࢡࢺࣝࢆᅗ 3㸫4 ࡟♧ࡋࡓࠋ ࡟♧ࡋࡓࠋᅗ 5 ࡣ⢊ᮎࡢ ZnO ࡜ⷧ⭷ࡢ Zn ࢆ⏝࠸ࠊ-587-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)⾲ 3 ྛ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࡢᙧ≧࡟࠾ࡅࡿ྾཰➃ࡢഴࡁྛ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࡢᙧ≧ձղճ྾཰➃ࡢഴࡁ
⢊ᮎࡢZnO⢊ᮎࡢNb2O5
0.12
0.031
0.088
0.023
0.098
0.026

ᅗ 6 ࡣ⢊ᮎࡢ Nb2O5 ࡜ⷧ⭷ࡢ Nb ࢆ⏝࠸ࡓࠋ୧⪅ࡢ⤖ᯝ࠿ࡽ㓟໬≀ࡢࢧࣥࣉࣝࡣࠊ྾཰➃ࡀ㧗࢚ࢿࣝࢠ࣮ഃ࡟ࢩࣇࢺࡋ࡚࠸ࡿࡇ࡜ࡀ☜ㄆ࡛ࡁࡓࠋᅗ 5 ࡢⷧ⭷ࡢ Zn ࡢࢫ࣌ࢡࢺࣝ࡟㛵ࡋ࡚ࠊ྾཰➃ࡼࡾ㧗࢚ࢿࣝࢠ࣮ഃ࡛ࡣࢫ࣌ࢡࢺࣝᵓ㐀ࡀ࡯࡜ࢇ࡝⌧ࢀ࡚࠸࡞࠸⌮⏤ࡣࠊࢧࣥࣉࣝࡀཌ࠸ࡓࡵࡔ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿࠋ
ࡲࡓᅗ 6 ࡢ⢊ᮎ≧ࡢ Nb2O5 ࡢࢫ࣌ࢡࢺࣝࡢ⣽࠿࠸ᵓ㐀ࡣࠊࢧࣥࣉࣝసᡂ᫬࡟⏕ࡌࡓཌࡳ࣒ࣛࡢࡓࡵ࡛࠶
ࡿ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿࠋ
1

Absorption

0.8
0.6
0.4

⢊ᮎ
ⷧ⭷

0.2
0
9.65

9.67

9.69

9.71

㻌
ᅗ 5 ⦪㛗ࡢ OTR ࡟࠾࠸࡚⢊ᮎࡢ ZnO ࡜ⷧ⭷ࡢ Zn
ࢆ⏝࠸ࡓ࡜ࡁࡢ XAFS ࢫ࣌ࢡࢺࣝࠋ
㻌

Absorption

0.8
0.6
0.4

⢊ᮎ
ⷧ⭷
19.1

௒ᅇࡢ OTR ほ ࢩࢫࢸ࣒ࡣࠊPXR Ⓨ⏕⿦⨨ࡢ๓࡛ほ ࢆ⾜ࡗࡓࠋࡋ࠿ࡋṇ☜࡞㆟ㄽࢆ⾜࠺ࡓࡵ࡟ࡣࠊ
ࢱ࣮ࢤࢵࢺ⤖ᬗୖ࡛ࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖ࣝࢆほࡋ࡞ࡅࢀࡤ࡞ࡽ࡞࠸ࠋࡇࡢࡓࡵ⌧ᅾ࡛ࡣࠊࢱ࣮
ࢤࢵࢺ⤖ᬗୖ࡛ࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖ࣝࢆほ ࡍࡿࡓࡵࡢ᪂ࡋ࠸ OTR ほ ࢩࢫࢸ࣒ࢆᵓ⠏ࡋࡓࠋ௒ᚋࡣࠊ᪂ࢩࢫࢸ࣒࡛ྠᵝࡢᐇ㦂ࢆ⾜࠸ࠊ᭦࡞ࡿPXR-XAFS ࢩࢫࢸ࣒ࡢ᭱㐺໬ࢆ⾜࠺ᚲせࡀ࠶ࡿࠋ


ཧ⪃ᩥ⊩

1

0
18.9

㸳㸬௒ᚋࡢㄢ㢟ᮏ◊✲ࡣࠊᩥ㒊⛉Ꮫ┬Ꮫ⾡ࣇࣟࣥࢸ࢕࢔᥎㐍஦ᴗ(⥅⥆)(ᖹᡂ 17㹼19 ᖺᗘ)ࠕྍኚἼ㛗㧗㍤ᗘ༢Ⰽග※ࡢ㧗ᗘ฼⏝࡟㛵ࡍࡿ◊✲ࠖࡢᨭ᥼ࢆཷࡅ࡚⾜ࡗࡓࠋ

X-ray energy [keV]0.2ࡢ ᐃࢆ⾜ࡗࡓࠋ ᐃ㊥㞳 7.67 m ࡛ࡣࠊỈᖹ᪉ྥ࡟ᑐࡋ࡚┤ᚄ 0.5 mm ࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࡣࠊ࢚ࢿ
ࣝࢠ࣮ศゎ⬟ 3 eVࠊ┤ᚄ 3.5 mm ࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖
ࢬࡣࠊ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟ 21 eV ࡟┦ᙜࡍࡿࠋࡇࢀࡽ
ࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖࡛ࣝ XANES ࢫ࣌ࢡࢺࣝࢆ
ᐃࡋࡓ⤖ᯝࠊỈᖹ᪉ྥࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࡀᑠࡉ
࠸࡯࡝྾཰➃ࡢ❧ࡕୖࡀࡾ᪉ࡀ㗦ࡃ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟ࡀⰋ࠸ࡇ࡜ࡀ☜ㄆ࡛ࡁࡓࠋࡍ࡞ࢃࡕࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖ࣝ࡜࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟ࡢ౫Ꮡᛶࢆᐇ㦂ⓗ࡟☜ㄆࡍࡿࡇ࡜ࡀ࡛ࡁࡓ࡜ゝ࠼ࡿࠋࡋࡓࡀࡗ࡚ࠊࡇ
ࡢ౫Ꮡᛶࢆ฼⏝ࡍࡿࡇ࡜ࡣࠊ ᐃ᪉ἲࡢせồ࡟ᛂࡌ࡚ PXR-XAFS ࢩࢫࢸ࣒ࢆ᭱㐺໬࡛ࡁࡿࡇ࡜ࢆ♧၀ࡋ࡚࠸ࡿࠋ

19.3

㻌
ᅗ 6 ⦪㛗ࡢ OTR ࡟࠾࠸࡚⢊ᮎࡢ Nb2O5 ࡜ⷧ⭷ࡢNb ࢆ⏝࠸ࡓ࡜ࡁࡢ XAFS ࢫ࣌ࢡࢺࣝࠋ
X-ray energy [keV]㸲㸬ࡲ࡜ࡵLEBRA-PXR ࢩࢫࢸ࣒ࡢሙྜࠊ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟ࢆỴࡵࡿせᅉ࡜ࡋ࡚ࡣࠊPXR ⥺※⮬యࡢ࢚ࢿࣝ
ࢠ࣮ศᩓ࡜࢖࣓࣮ࢪࣥࢢࢹࣂ࢖ࢫࡢ✵㛫ศゎ⬟ࡀᣲࡆࡽࢀࡿࠋ≉࡟ࠊ⥺※ࡢ࢚ࢿࣝࢠ࣮ศᩓࡀ࢚ࢿࣝ
ࢠ࣮ศゎ⬟ࢆไ⣙ࡍࡿ୺࡞ཎᅉ࡛࠶ࡾࠊࡇࢀࡣࢱ࣮
ࢤࢵࢺ⤖ᬗୖ࡛ࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬ࡜⥺※㸫᳨ฟჾ㛫㊥㞳࡟౫ᏑࡍࡿࠋLEBRA-PXR ࢩࢫࢸ࣒ࡣࠊ㟁Ꮚ⥺ᙧຍ㏿ჾࢆ⏝࠸࡚࠸ࡿࡓࡵࠊ㞟᮰᮲௳ࢆኚ࠼ࡿࡇ
࡜࡛ࢱ࣮ࢤࢵࢺ⤖ᬗୖ࡛ࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖ࣝ
ࢆㄪᩚࡍࡿࡇ࡜ࡀẚ㍑ⓗᐜ᫆࡟⾜࠼ࡿࠋࡇࡢࡓࡵࠊ
ࢱ࣮ࢤࢵࢺ⤖ᬗୖ࡛ࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࢆኚ࠼ࡿᡭ
ἲࢆ᥇⏝ࡋࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬ࡜࢚ࢿࣝࢠ࣮ศゎ⬟[1]㻌Y.Hayakwa et al., Simulations to the project of a PXR based
X-ray source composed of an electron linac and a doublecrysatal system䠖Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res. B227
(2005) 32-40.
[2] T. Kuwada et al., AIP Conference Proceedings 879; 9th Int.
Conf. on Synchrotron Radiation Instrumentation (May 28 –June 2, 2006, Daegu, pp1968-1971)[3] M.Inagaki et al., Performance Evaluation of DXAFS
Measurement Using Parametric X-ray Radiation:
Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan and the 31st Linear
Accelerator Meeting in Japan (Aug 2-4, 2006, Sendai,
Japan) 526-528.
[4] Y.Hayakawa et al., Advanced Applications of PXR at
LEBRA, Nihon University䠖International Conference on
Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena(July 3-7, 2006, Frascati (Rome), Italy).㻌

-588-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

PULSE STRUCTURE OF THE PXR INTENSITY AT LEBRA,NIHON UNIVERSITY*
Kyoko Nogami1,A), Manabu InagakiB), Yasushi HayakawaA), Ken HayakawaA), Toshinari TanakaA),
Takeshi SakaiB), Keisuke NakaoA), Tatsuya TakikawaC), Isamu SatoB),
A)
Institute of Quantum Science Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
B)
Advanced Research Institute for the Science and Humanities Nihon University,
12-5 Gobancho, Chiyoda-ku, Tokyo, 102-8251
C)
College of Science and Technology Nihon University, 1-8-14 Kanda-Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo, 101-8308
Abstract
Since the LEBRA-PXR system is driven with the long pulse duration of 10 Ps, the transition of PXR state in thepulse is one of the most significant problems to understand its behavior. Thus, the pulse structure of the PXR intensity
is measured with a scintillation detector. As the results, the correlation between the electron beam spot size on the target
crystal and the pulse structure of PXR intensity is observed. Typically, the PXR intensity rapidly changes in the case of
the small electron beam spot. Additionally, the pulse structure strongly depends on the angle of the second crystal.
Therefore, these results suggest that the state of the target crystal such as distortion and thermal strain changes
associated with the electron beam bombing.

᪥኱LEBRA-PXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀㸯㸬ࡣࡌࡵ࡟᪥ ᮏ ኱ Ꮫ 㟁 Ꮚ ⥺ ฼ ⏝ ◊ ✲ ᪋ タ (LEBRA) ࡛ ࡣ ࠊ
125MeV㟁Ꮚ⥺ຍ㏿ჾࢆᇶ┙࡜ࡋࡓࣃ࣓ࣛࢺࣜࢵࢡ
X⥺ᨺᑕ(PXR)࡟ࡼࡿX⥺※ࡢ㛤Ⓨࢆ⾜࠸ࠊ2004ᖺ࠿ࡽ฼⏝ᐇ㦂ࢆ㛤ጞࡋ࡚࠸ࡿࠋ⌧ᅾࡲ࡛࡟ࠊLEBRA
࡛ࡣ5.0-20keVࡲ࡛ࡢ㐃⥆࢚ࢿࣝࢠ࣮ྍኚ༢ⰍX⥺ࡢⓎ⏕࡟ᡂຌࡋ࡚࠾ࡾࠊ㹖⥺྾཰ᚤ⣽ᵓ㐀(XAFS)ࡸ
࢖࣓࣮ࢪࣥࢢ➼࡟ᛂ⏝ࡉࢀ࡚࠸ࡿ[1]ࠋ
PXRࡢᚑ᮶ࡢ◊✲࡛ࡣࠊගᏊᩘィ ࡟ࡼࡿ ᐃࡀ୺య࡛࠶ࡗࡓࡓࡵࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒↷ᑕ࡟క࠺᫬㛫ⓗ࡟㏿࠸ኚື࡟ࡘ࠸࡚ࡢ◊✲ࡀ୙༑ศ࡛࠶ࡗࡓࠋLEBRA-PXRࡢሙྜࠊẚ㍑ⓗ࣐ࢡࣟࣃࣝࢫᖜࡢ㛗࠸ࣜࢽ࢔ࢵࢡࢆ⏝࠸࡚࠸ࡿࡢ࡛ࠊ࣐ࢡࣟࣃࣝࢫෆ࡛ࡢ
PXRᙉᗘࡢ᫬㛫ኚືࡀ㔜せ࡟࡞ࡿࠋࡑࡇ࡛ࠊࢩࣥࢳ
࣮ࣞࢩ᳨ࣙࣥฟჾࢆᑟධࡋPXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀ࡢᇶ♏ⓗ࡞ᐇ㦂ࡀ⾜ࢃࢀࠊᐇ㝿ࡢ࣐ࢡࣟࣃࣝࢫᖜ10Ps࡛ࡢ᫬㛫ᵓ㐀ࢆ ᐃ࡛ࡁࡿࡇ࡜ࡀ☜ㄆࡉࢀࡓ[2]ࠋࡉࡽ
࡟ࠊPXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀࡟ࡘ࠸࡚ヲ⣽࡟ㄪ࡭ࡿࡓࡵࠊ
ࢩࣥࢳ࣮ࣞࢩ᳨ࣙࣥฟჾࢆ⏝࠸࡚㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧࡜᫬㛫ᵓ㐀ࡢ㛵ಀ࡟ࡘ࠸᳨࡚ドࢆ⾜ࡗࡓࠋOTRⓎ⏕⏝㔠ᒓⷧᯈ

PXRⓎ⏕⿦⨨➨1⤖ᬗ
Si(111)T2➨2⤖ᬗSi(111)7.34m
electron beam

PXR㸰㸬㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧࡜PXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀

13㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࡢ㞟᮰᮲௳ࢆኚ࠼ࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧࡜ࡑࡢ࡜ࡁᚓࡽࢀࡿPXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀ࡢ㛵ಀ࡟ࡘ࠸࡚ㄪ࡭ࡿࠋᅗ1࡟ᐇ㦂ࡢࢭࢵࢺ࢔ࢵࣉࢆ♧ࡋࡓࠋ
PXRⓎ⏕⿦⨨┤๓࡟タ⨨ࡉࢀࡓ㔠ᒓⷧᯈࠊࡲࡓࡣࠊ
PXRⓎ⏕⿦⨨ࡢ➨1⤖ᬗ(PXRⓎ⏕⏝ࢱ࣮ࢤࢵࢺ⤖ᬗ)

3 2
12

9

10
8
1 4 5
6
11
7

X⥺ฟຊ❆

220mm

ṇ㠃ᣑ኱ᅗ
ᅗ1㸸ᮏᐇ㦂ࢭࢵࢺ࢔ࢵࣉ

*ᮏ◊✲ࡣᩥ㒊⛉Ꮫ┬Ꮫ⾡ࣇࣟࣥࢸ࢕࢔᥎㐍஦ᴗ(⥅⥆)(ᖹᡂ17~19ᖺᗘ)
1
E-mail: nogami@lebra.nihon-u.ac.jp-589-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)࡟㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࡀ↷ᑕࡋࡓ㝿࡟Ⓨࡏࡽࢀࡿ㑄⛣ᨺᑕග
2.1 ᅇᢡ᭤⥺࡜᫬㛫ᵓ㐀
(optical transition radiation: OTR)ࢆ฼⏝ࡋ࡚㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࡢᙧ≧ࢆ☜ㄆࡋࡓࠋࡇࡢ࡜ࡁࠊ9.661 keVࠊ16 keVࠊ  ḟ࡟ࠊ➨2⤖ᬗ(཯ᑕᯈ)ࡢゅᗘT2ࢆኚ໬ࡉࡏࡓ࡜ࡁ
࡟ᚓࡽࢀࡿPXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀ࡢኚ໬ࡢ ᐃࢆ⾜ࡗ18.98 keVࡢPXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀ࢆࢩࣥࢳ࣮ࣞࢩࣙࣥ
ࡓࠋ௒ᅇࡣPXR࢚ࢿࣝࢠ࣮9.661 keV࠾ࡼࡧ16 keVࡢ᳨ฟჾ࡛ ᐃࡋࡓࠋࡑࢀࡒࢀࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧࡛ᚓ࡜ࡁࠊྛ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧࡟ࡘ࠸࡚ᅇᢡ᭤⥺ࢆ ᐃࡋࡽࢀࡓ᫬㛫ᵓ㐀ࢆ16ࣃࣝࢫศᖹᆒࡋࡓ⤖ᯝࠊ㟁Ꮚࡓࠋࡑࡇ࡛ᚓࡽࢀࡓ᫬㛫ᵓ㐀ࢆ16ࣃࣝࢫศᖹᆒࡋࠊ
ࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࡀᩘmm௨ୖࡢሙྜ࡟ࡣࠊ࣐ࢡࣟࣃࣝ
ࢫෆ࡛࡯ࡰ୍ᵝ࡞PXRᙉᗘࡀᚓࡽࢀࡓࡀࠊ㟁Ꮚࣅ࣮ࡉࡽ࡟ࡑࢀࢆ࣐ࢡࣟࣃࣝࢫෆ࡛3ศ๭ࡋ࡚ྛ᫬㛫࡛
࣒ࢆ1mm௨ୗ࡟㞟᮰ࡋࡓሙྜࡣ1-2Ps⛬ᗘࡢࣃࣝࢫ
ࡢฟຊ㟁ᅽࡢ✚ศ್(⤯ᑐ್)ࢆồࡵࠊฟຊ❆ࢧ࢖ࢬ
ᖜ࡛ࡋ࠿PXRᙉᗘࡀᚓࡽࢀ࡞ࡃ࡞ࡿ࡜࠸࠺ഴྥࡀ☜(I100 mm)ࡢ࢖࢜ࣥࢳ࢙ࣥࣂ࡛ᚓࡽࢀࡓPXRᙉᗘ࡜ㄆࡉࢀࡓ(ᅗ2)ࠋPXR࢚ࢿࣝࢠ࣮ࢆኚ࠼࡚ࡶྠᵝ࡞⤖ẚ㍑ࡋࡓࠋࡑࡢ⤖ᯝࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࡀᩘmm௨ᯝࡀᚓࡽࢀࡿࡇ࡜࠿ࡽࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧࡜ᚓࡽࢀࡿ
ୖࡢሙྜࠊPXRᙉᗘࡣᅇ㌿ゅT2࡟ᑐࡋ࡚࣐ࢡࣟࣃࣝ
PXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀࡟┦㛵ࡀ࠶ࡿ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿࠋࡇ
ࢫෆࡢ࡝ࡢ᫬㛫࡛ࡶ࡯ࡰྠࡌᅇᢡ᭤⥺ࢆᥥࡃࡇ࡜ࡀ
ࢀࡣࠊỈᖹ᪉ྥ(PXR࢚ࢿࣝࢠ࣮ศᩓ᪉ྥ)࡟㞟᮰ࡋࢃ࠿ࡗࡓࠋ୍᪉ࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࢆ1 mm௨ୗ࡟ࡓሙྜࠊ≉࡟㢧ⴭ࡟⌧ࢀࡓࠋ㞟᮰ࡋࡓሙྜࡣࠊ࣐ࢡࣟࣃࣝࢫࡢ๓༙࡜ᚋ༙࡛ࡣᅇ
ᢡ᭤⥺࡟㢧ⴭ࡞㐪࠸ࡀぢࡽࢀࠊྛ᫬㛫࡛ࡢ✚ศᙉᗘࡀᙉࡃ࡞ࡿゅᗘࡀ␗࡞ࡾࠊࡉࡽ࡟࣐ࢡࣟࣃࣝࢫࡢᚋ
༙࡛ᙉᗘࡀᙉࡃ࡞ࡿࡼ࠺࡞ゅᗘࡀ࠶ࡿࡇ࡜ࡀࢃ࠿ࡗ
㻜
ࡓ(ᅗ3)ࠋ
㻝㻤㻚㻥㻤㼗㼑㼂
(a)㻝㻢㼗㼑㼂㻥㻚㻢㻢㻝㼗㼑㼂
㻙㻜㻚㻞
2.2 ✵㛫ศᕸ
PXRࡣࠊ࣮࣍ࣟࣅ࣮࣒≧ࡢࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖ࣝࢆ
♧ࡍ࡜࠸࠺≉ᚩࡀ࠶ࡿ [3]ࠋࡑࡇ࡛ࠊPXRࣅ࣮࣒ࣉࣟ
ࣇ࢓࢖ࣝྛ㒊࡛ࡢPXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀ࡢኚ໬ࢆㄪ࡭

㻙㻜㻚㻢

㻝㻜㻜㻜

㻙㻜㻚㻤

㻤㻜㻜

㻡㻚㻜

㻝㻜㻚㻜

(b)

㻝㻡㻚㻜

㻙㻜㻚㻞
㻙㻜㻚㻠
㻙㻜㻚㻢
㻙㻜㻚㻤
㻙㻝㻜
㻜㻚㻜

㻡㻚㻜

㻝㻜㻚㻜

(c) 㻝㻡㻚㻜

㻙㻜㻚㻞
㻙㻜㻚㻠
㻙㻜㻚㻢

ࢩࣥࢳ࣮ࣞࢩࣙࣥฟຊಙྕ✚ศ್ [V]

㻜
㻙㻝
㻜㻚㻜

(b)

㻜㻚㻤

㻜㻚㻢

㻜㻚㻢

㻜㻚㻠

㻜㻚㻠

㻜㻚㻞

㻜㻚㻞

㻢㻜㻜

㻠㻜㻜

㻠㻜㻜

㻞㻜㻜

㻞㻜㻜

㻜
㻢㻚㻥㻡
㻝㻚㻞
㻜

㻣㻚㻜㻡

㻣㻚㻝㻡

㻣㻚㻜㻡

㻣㻚㻝㻡

㻝㻢㻜㻜

(c)

㻝

㻜㻚㻤

㻤㻜㻜

㻢㻜㻜

㻜
㻢㻚㻥㻡
㻝㻢㻜㻜

㻝

㻝㻜㻜㻜

(a)

(d)

㻜
㻝㻚㻞

㻝㻞㻜㻜

㻝㻞㻜㻜

㻜㻚㻥

㻜㻚㻥

㻤㻜㻜

㻤㻜㻜

㻜㻚㻢

㻜㻚㻢

㻠㻜㻜

㻠㻜㻜

㻜㻚㻟

㻜㻚㻟

つ᱁໬ࡋࡓ࢖࢜ࣥࢳ࢙ࣥࣂฟຊಙྕつ᱁໬ࡋࡓࢩࣥࢳ࣮ࣞࢩ᳨ࣙࣥฟჾฟຊಙྕ

㻙㻜㻚㻠

㻙㻜㻚㻤
㻙㻝
㻜㻚㻜

㻡㻚㻜

㻝㻜㻚㻜

㻜
㻝㻝㻚㻣㻤

㻝㻡㻚㻜

᫬㛫 [Ps]ᅗ2㸸㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧࡜PXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧(⦪㹶ᶓ)ࡀࠊ⣙(a)3x3 mmࠊ(b)3x1 mmࠊ
(c)1x3 mmࡢሙྜ࡟ࡘ࠸࡚PXR࢚ࢿࣝࢠ࣮18 keV(㟷)ࠊ
16 keV(ࣆࣥࢡ)ࠊ9.661 keV(㯤⥳)ࡑࢀࡒࢀ16ࣃࣝࢫᖹᆒ
ࡋࡓ᫬㛫ᵓ㐀ࢆ♧ࡍࠋᅗ୰ࡢOTR⏬ീࡣࠊPXR࢚ࢿࣝࢠ࣮16keVࡢ࡜ࡁ➨1⤖ᬗ࡛Ⓨ⏕ࡋࡓࡶࡢ࡛࠶ࡾࠊࢫ
ࢣ࣮ࣝࣂ࣮ࡣ3 mmࢆ⾲ࡍࠋ㻜㻝㻝㻚㻤㻞 㻝㻝㻚㻣㻤㻜㻝㻝㻚㻤ᅇ㌿ゅT2 [deg]

㻝㻝㻚㻤

㻝㻝㻚㻤㻞

㻜

ᅗ3㸸࣐ࢡࣟࣃࣝࢫෆࡢྛ᫬㛫࡟࠾ࡅࡿᅇᢡ᭤⥺ᚓࡽࢀࡓPXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀ࢆ16ࣃࣝࢫศᖹᆒࡋࠊࡉࡽ
࡟࣐ࢡࣟࣃࣝࢫࢆ3ศ๭(㟷ࠊ㉥ࠊ⥳ࡢ㡰)ࡋ࡚ྛ᫬㛫࡛ࡢᅇᢡ᭤⥺ࢆ♧ࡋࡓࠋྛᅗࡢ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧(⦪xᶓ)࡜PXR
࢚ࢿࣝࢠ࣮ࡣࠊ(a)⣙3x3mm/16keVࠊ(b)⣙3x1mm/16keVࠊ
(c)⣙3x3mm/9.661keVࠊ(d)⣙3x1mm/9.661 keV࡛࠶ࡿࠋࡲ
ࡓࠊX⥺ฟຊ❆ࢧ࢖ࢬࡢ࢖࢜ࣥࢳ࢙ࣥࣂࡢฟຊಙྕࢆつ᱁໬ࡋࡓࡶࡢ(ࣆࣥࢡ)ࡶ♧ࡋࡓࠋ

-590-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)ࡿࡓࡵ࡟ࠊX⥺ฟຊ❆࡟ᑐࡋ࡚ࢩࣥࢳ࣮ࣞࢩ᳨ࣙࣥ
ฟჾࡢ఩⨨ࢆ⛣ືࡉࡏィ13⟠ᡤࡢ᫬㛫ᵓ㐀ࢆ ᐃࡋ
ࡓ(ᅗ1ṇ㠃ᣑ኱ᅗ)ࠋࡇࡢ࡜ࡁࡢPXR࢚ࢿࣝࢠ࣮ࡣࠊ
9.661 keV࡛ࠊ➨2⤖ᬗࡢゅᗘT2ࡣࢩࣥࢳ࣮ࣞࢩࣙࣥ
᳨ฟჾࢆX⥺ฟຊ❆ࡢ୰ᚰ(ᅗ1ṇ㠃ᣑ኱ᅗ୰ࡢ1)࡟
タ⨨ࡋࡓ࡜ࡁࠊPXRᙉᗘࡀ᭱኱࡜࡞ࡿゅᗘ࡟ᅛᐃࡋ
ࡓࠋ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࡀᩘmm௨ୖࡢሙྜࠊPXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀ࡣPXRࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖ࣝྛ㒊࡛ኚ໬ࡋ࡚࠸ࡿࡇ࡜ࡀࢃ࠿ࡿࠋࡇࢀ࡟ᑐࡋ࡚ࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࢆ1 mm௨ୗ࡟㞟᮰ࡉࡏࡓሙྜࡣࠊPXRࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖ࣝྛ㒊ࡢᙉᗘศᕸࢆ཯ᫎࡋ࡚࠸ࡿࡔࡅ
࡛ࠊ᫬㛫ᵓ㐀࡟ኚ໬ࡣࡳࡽࢀ࡞࠿ࡗࡓ(ᅗ4)ࠋ
㻜(a)ࢩࣥࢳ࣮ࣞࢩࣙࣥฟຊಙྕ [V]

㻙㻜㻚㻞
㻙㻜㻚㻠
㻙㻜㻚㻢
㻙㻜㻚㻤

㻙㻝㻚㻞㻜
㻜㻚㻜
㻙㻜㻚㻞

ᮏ◊✲ࡣࠊᩥ㒊⛉Ꮫ┬Ꮫ⾡ࣇࣟࣥࢸ࢕࢔᥎㐍஦ᴗ(⥅⥆)(ᖹᡂ17~19ᖺᗘ)ࠕྍኚἼ㛗㧗㍤ᗘ༢Ⰽග※ࡢ㧗ᗘ฼⏝࡟㛵ࡍࡿ◊✲ࠖࡢᨭ᥼ࢆཷࡅ࡚⾜ࡗࡓࠋ

㻝
㻠
㻡
㻥

㻙㻝

㻡㻚㻜

㻝㻜㻚㻜

ཧ⪃ᩥ⊩

(b) 㻝㻡㻚㻜

[1] Y.Hayakawa et al., “Advanced Applications of PXR at
LEBRA, Nihon University”, International Conference on
Charged and Neutral Particles Channelling Phenomena,
Frascati (Rome), July, 2006[2] ⁪ᕝ㐩ஓ et al., “NaI(Tl)ࢩࣥࢳ࣮ࣞࢩ᳨ࣙࣥฟჾ࡟ࡼ
ࡿࣃ࣓ࣛࢺࣜࢵࢡX⥺ᨺᑕࡢ᫬㛫ᵓ㐀 ᐃ”, ᩥ㒊⛉Ꮫ┬Ꮫ⾡ࣇࣟࣥࢸ࢕࢔᥎㐍஦ᴗ(⥅⥆)ࠕྍኚἼ㛗㧗㍤ᗘ
༢Ⰽග※ࡢ㧗ᗘ฼⏝࡟㛵ࡍࡿ◊✲ࠖࢩ࣏ࣥࢪ࣒࢘ ㉥እ⮬⏤㟁Ꮚ࣮ࣞࢨ࡜ࣃ࣓ࣛࢺࣜࢵࢡX⥺ ฼⏝◊✲ࡢ㐍ᒎ, Funabashi, Feb., pp141-143, 2007
[3] M.Inagaki et al., “Performance Evaluation of DXAFS
Measurement Using Parametric X-ray Radiation”,
Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan and the 31st Linear
Accelerator Meeting in Japan, Sendai, Aug., pp526-528,
2006.

㻙㻜㻚㻠
㻙㻜㻚㻢
㻙㻜㻚㻤
㻙㻝
㻙㻝㻚㻞
㻜㻚㻜

㻡㻚㻜

㻝㻜㻚㻜

࠶ࡿ≧ែ࡛Ⓨ⏕ࡋࡓPXRࢆඃ఩࡟཯ᑕࡍࡿ➨2⤖ᬗ
ࡢゅᗘT2ࡀ␗࡞ࡿࡇ࡜ࢆព࿡ࡋ࡚࠸ࡿ࡜ᛮࢃࢀࡿࠋ
ࡇࢀࡽࡢࡇ࡜࠿ࡽࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒↷ᑕ⮬య࡟ࡼࡿ➨1⤖ᬗࡢ≧ែኚ໬(ࡺࡀࡳࠊ⇕ࡦࡎࡳ)ࡀ࣐ࢡࣟࣃࣝࢫ
ෆ࡛㉳ࡇࡗ࡚࠸ࡿࡇ࡜ࡀ♧၀ࡉࢀࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧࡟ࡼࡗ࡚ࡶࡑࡢኚ໬ࡢ௙᪉࡟㐪࠸ࡀ࠶ࡿ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿࠋ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࡀᩘmm௨ୖ࡜኱ࡁ࠸ሙྜ࡟
ẚ࡭࡚ࠊ1 mm௨ୗ࡟㞟᮰ࡋࡓሙྜࡢᅇᢡ᭤⥺ࡣ࣐ࢡࣟࣃࣝࢫෆࡢྛ᫬㛫࡛ᕪࡀ኱ࡁ࠸ࡇ࡜࠿ࡽࠊ➨1⤖ᬗࡢ≧ែኚ໬ࡀࡼࡾ኱ࡁ࠸࡜⪃࠼ࡽࢀࡿࠋࡉࡽ࡟ࠊ
X⥺ࣅ࣮࣒࡟ᑐࡍࡿ✵㛫ศᕸࡢ ᐃ࠿ࡽࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࢆᑠࡉࡃࡋ1-2 Ps⛬ᗘ࡛PXRᙉᗘࢆᚓࡿሙ
ྜࡢ࡯࠺ࡀࠊ✵㛫ⓗ࡟࡯ࡰྠࡌ᫬㛫ᵓ㐀࡜࡞ࡗࡓࠋ
ࡋࡓࡀࡗ࡚ࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࢆ≉࡟Ỉᖹ᪉ྥ࡟ᑠ
ࡉࡃࡋࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࡢ࣐ࢡࣟࣃࣝࢫᖜࢆ▷ࡃࡍࡿࡇ࡜࡟ࡼࡗ࡚ࠊ➨1⤖ᬗࡢ࠶ࡿ≉ᐃࡢ≧ែ࡛Ⓨ⏕ࡍࡿ
PXRᡂศࡔࡅࢆᚓࡿࡇ࡜ࡀ࡛ࡁࠊ⢭ᗘࡢ㧗࠸ᐇ㦂ࢆ⾜࠺ࡇ࡜ࡀ࡛ࡁࡿ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿࠋ

㻝㻡㻚㻜᫬㛫 [Ps]ᅗ4㸸PXRࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓࢖ࣝ࡟ᑐࡍࡿ᫬㛫ᵓ㐀(a)㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧ࡀᚄ3mmࡢ࡜ࡁࠊPXRࣅ࣮࣒ࣉࣟࣇ࢓
࢖ࣝࡢ୰ᚰ࡟ᑐࡋ࡚᫬㛫ᵓ㐀ࡢኚ໬ࡀ㢧ⴭࡔࡗࡓ㒊ศࢆ♧ࡋࡓ(ᅗ1࡟࠾ࡅࡿ1ࠊ4ࠊ5ࠊ9ࡢ఩⨨)ࠋ(b)㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧ࡀ3x1 mm(⦪xᶓ)ࡢ࡜ࡁ(a)࡜ྠࡌ఩⨨࡛ࡢẚ㍑ࠋᚓ
ࡽࢀࡓ᫬㛫ᵓ㐀ࡣࠊ16ࣃࣝࢫศᖹᆒࡋࡓࡶࡢ࡛࠶ࡿࠋ

㸱㸬⪃ᐹ࡜ࡲ࡜ࡵ ௒ᅇࠊࢩࣥࢳ࣮ࣞࢩ᳨ࣙࣥฟჾࢆ⏝࠸࡚PXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀ࢆ ᐃࡋࡓࠋࡑࡢ⤖ᯝࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ᙧ≧࡜PXRᙉᗘࡢ᫬㛫ᵓ㐀࡟┦㛵ࡀ࠶ࡗࡓࠋ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࡀᩘmm௨ୖࡢሙྜࠊ࣐ࢡࣟࣃࣝࢫෆ࡛࡯ࡰ
୍ᵝ࡞PXRᙉᗘࡀᚓࡽࢀࡿࡢ࡟ᑐࡋ࡚ࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࢆ1 mm௨ୗ࡟㞟᮰ࡍࡿ࡜1-2 Ps⛬ᗘࡢࣃࣝࢫ
ᖜ࡛ࡋ࠿PXRᙉᗘࡀᚓࡽࢀ࡞࠸ࡇ࡜ࡀࢃ࠿ࡗࡓࠋࡲ
ࡓ㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࢧ࢖ࢬࢆᑠࡉࡃࡋࡓሙྜ࡟࠾࠸࡚ࠊ
PXRᙉᗘࡢ๓༙࡜ᚋ༙࡛ࡣⓎ⏕⿦⨨ࡢ➨2⤖ᬗࡢゅᗘT2࡟ࡼࡿᅇᢡ᭤⥺࡟㢧ⴭ࡞㐪࠸ࡀ࠶ࡾࠊ㟁Ꮚࣅ࣮࣐ࢡࣟࣃࣝࢫࡢ๓༙ࡼࡾᚋ༙࡛PXRᙉᗘࡀᙉࡃ࡞ࡿ
ゅᗘࡀ࠶ࡿࡇ࡜ࡀㄆࡵࡽࢀࡓࠋࡇࢀࡣࠊ➨1⤖ᬗࡢ
-591-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

OBSERVATION OF BACKBOMBARDMENT ON DC ELECTRON GUN*
Toshinari Tanaka1,A), Ken HayakawaA), Yasushi HayakawaA), Kyoko NogamiA), Keisuke NakaoA),
Isamu SatoB), Takeshi SakaiB), Manabu InagakiB)
A)
Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
B)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
Abstract
The emission current of the dc electron gun was found to be enhanced synchronously with the rf pulse of the 125
MeV linac at Nihon University. The behaviour of the emission current in terms of the magnetic focusing in the injector
system showed the existence of backbombardment of the EIMAC Y646B cathode assembly by the electrons
decelerated in the buncher accelerating tube. The cathode heater power had been supplied over approximately 23000 hr
during use in the gun, and then the cathode assembly was removed. Significant accumulation of the cathodeimpregnants on the grid mesh wires of the assembly suggests that the emission current enhancement resulted from thegrowth of grid emission caused by the backbombarding electrons. So far the beam current enhancement has not been
reproduced on newly installed cathode assembly, although approximately 0.5 % of the emitted electrons have beenfound to come back toward the gun.

DC㔚ሶ㌂ߦ߅ߌࠆࡃ࠶ࠢࡏࡦࡃ࡯࠼ࡔࡦ࠻ߩ᷹ⷰ

¿ᄢ125MeV㔚ሶ࡝࠾ࠕ࠶ࠢߢߪ100kVᾲ㒶ᭂDC㔚ሶ㌂ߦEIMACߩY646Bࠞ࠰࡯࠼ࠕ࠮ࡦࡉ࡝ࠍ↪޿ߡ޿ࠆ [1] ‫⥄ޕ‬À㔚ሶ࡟࡯ࠩ࡯㧔FEL㧕ߩ⊒Áߦߪࡄ
࡞ࠬX20Psߩടㅦࡆ࡯ࡓࠍ೑↪ߔࠆ‫ޔ߈ߣߩߎޕ‬RFࡄ࡞ࠬౝߢࡆ࡯ࡓ㔚ᵹ୯߇৻ቯߢ޽ࠆߎߣ߇㊀ⷐߢ޽ࠆ߇‫ޔ‬㔚ሶ㌂߆ࠄߩࡆ࡯ࡓᒁ߈಴ߒ㔚ᵹᵄᒻߪ‫࡯ࠨ࡞ࡄ࠼࠶࡝ࠣޔ‬࿁〝ߩ․ᕈ߇ Âߢࡄ࡞ࠬXో૕ߦÃߞߡචಽᐔမߣߪߥߞߡ޿ߥ޿‫ޕ‬ᓥߞߡ㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒࡆ࡯ࡓࡄ࡞ࠬX߇RFߣߓ20Psߢߪ
ᐔမߥࡆ࡯ࡓ߇ᓧࠄࠇߥ޿ߚ߼‫ޔ‬㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒࡆ࡯ࡓࡄ࡞ࠬߩ߁ߜ20PsߩᐔမㇱࠍÄÅߒߡടㅦߢ
߈ࠆࠃ߁‫ࠬ࡞ࡄߩ࡯ࠨ࡞ࡄ࠼࠶࡝ࠣޔ‬Xࠍ⚂50Psߣ
ߍߡࡆ࡯ࡓᒁ߈಴ߒࠍⴕߞߡ޿ࠆ‫ޕ‬ࠞ࠰࡯࠼ࡅ࡯࠲࡯ߪᤨㅢ㔚ߒ‫߇࠼࡯࠰ࠞޔ‬ⓨ㑆㔚⩄,㒢ÆÇߢേ૞ߔࠆ᧦ઙߣߥࠆࡅ࡯࠲࡯㔚ജ⚂
10WࠍÈᜬߒߡ޿ࠆ‫⁁ߩߎޕ‬ᘒߢ‫ޔ‬2004ᐕ5É߆ࠄ
2006ᐕ12É߹ߢߩ㑆‫ޔ‬1Êߩࠞ࠰࡯࠼ࠍ੤឵ߔࠆߎ
ߣߥߊ቟ቯߦ૶↪ߒ¾ߌ‫ߪߦ⊛⚳ᦨޔ‬2007ᐕ1ÉߦËߩࠞ࠰࡯࠼ߦ੤឵ߒߚ‫࡯࠲࡯ࡅߩ࠼࡯࠰ࠞߩߎޕ‬ㅢ㔚ᤨ㑆ߪ߅ࠃߘ23000ᤨ㑆ߣߥࠅ‫ߩߢ߹ࠇߘޔ‬Ìࠞ࠰࡯࠼ߦᲧߴ2୚એ਄ߩ૶↪ᤨ㑆ߣߥߞߚ‫ޕ‬
2005ᐕᓟඨߦߥߞߡ‫ޔ‬㔚ሶ㌂ߩᒁ߈಴ߒ㔚ᵹࠍ࠾࠲࡯ߒߡ޿ࠆCTᵄᒻߦ‫ޔ‬50Ps ߩᒁ߈಴ߒࡆ࡯ࡓ
ࡄ࡞ࠬߣ㊀ÍߒߡRFࡄ࡞ࠬߦᦼߒߚᄌൻ߇᷹ⷰ
ߐࠇࠆࠃ߁ߦߥߞߚ‫ߩߘޕ‬ᓟCTᵄᒻࠍÎÏߦ⺞ߴߚߣߎࠈ‫࡯ࡖ࠴ࡦࡃޔ‬஥߆ࠄÐⴕߔࠆ㔚ሶࡆ࡯ࡓߩ

ሽ࿷ߣ‫ࠆࠃߦࠇߘޔ‬ᒁ߈಴ߒ㔚ᵹߩჇടࠍ␜¥ߔࠆ⚿ᨐ߇ᓧࠄࠇߚ‫ޕ‬㔚ᵹߩჇടߪÑ°ߢߪߥ޿߇‫ߎޔ‬ࠇߪᾲ㒶ᭂRF㔚ሶ㌂ߦ߅ߌࠆࡃ࠶ࠢࡏࡦࡃ࡯࠼ࡔ
ࡦ࠻ߣÒÓߩ⃻⽎ߣ⠨߃ࠄࠇࠆ‫ޕ‬એਅߦ߅޿ߡ‫ޔ‬੤឵ᓟߩrߚߥࠞ࠰࡯࠼ࠕ࠮ࡦࡉ࡝ߦߟ޿ߡᓧࠄࠇߚ
⚿ᨐ߽฽߼‫ߩߘޔ‬ÎÏࠍÔÕߔࠆ‫ޕ‬W=7XYPZ[\]^_

࿑1ߦ¿ᄢ125MeV㔚ሶ࡝࠾ࠕ࠶ࠢ౉኿ㇱߩ᭎Öࠍ␜ߔ‫ޕ‬Ꮐ┵ߦ޽ࠆ100kVߩDC㔚ሶ㌂߆ࠄᒁ߈಴ߐࠇ
ߚࡆ࡯ࡓߪ⏛᳇࡟ࡦ࠭ML1‫ޔ‬ML2ߢ㓸᧤ߐࠇ‫࡝ࡊޔ‬ࡃࡦ࠴ࡖ࡯ㅢㆊᓟߦߐࠄߦ⏛᳇࡟ࡦ࠭ML3ߢ㓸᧤ࠍฃߌߡࡃࡦ࠴ࡖ࡯ߦ౉኿ߔࠆ‫࡯ࡖ࠴ࡦࡃޕ‬ㅢㆊᓟߦ㓸᧤×ࠍㅢߞߡടㅦ▤ߦዉ߆ࠇࠆ‫ޕ‬㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒᓟᦨೋߩࡆ࡯ࡓ㔚ᵹ࠾࠲࡯CT1߇ࡊ࡝ࡃࡦ࠴ࡖ࡯
⋥೨ߦ޽ࠆ‫ޕ‬2ᐕඨߦÃߞߡ૶↪ߒߚY646Bࠞ࠰࡯
࠼ࠕ࠮ࡦࡉ࡝ߩࡄ࡞ࠬౝᒁ߈಴ߒ㔚ᵹჇടߪ‫ޔ‬ടㅦ
_Øc _ÙÚc

~O

1

-694-

|D


H

|H L]D
Z



|F


ÛÜ`dÝc^wN|}ON{Dd

࿑1. 125MeV࡝࠾ࠕ࠶ࠢ౉኿ㇱߩ᭎Ö࿑‫ޕ‬ᢥㇱnቇºቇpࡈࡠࡦ࠹ࠖࠕផㅴ»¼㧔½¾㧕㧔ᐔᚑ17㨪19ᐕᐲ㧕
E-mail: tanaka@lebra.nihon-u.ac.jp*

K^c ÛÜ`dÝc^L]H

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)ེㆇォᤨߦᤨÞiߒߡ޿ࠆCT1ߩ㔚ᵹᵄᒻߩᄌൻ
߆ࠄಽ߆ߞߚ‫ޕ‬
CT1ߢ᷹ⷰߒߚ㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒ㔚ᵹᵄᒻߩో૕ࠍ
࿑2ߦ␜ߔ‫ޕ‬ᒁ߈಴ߒ㔚ᵹߩࡄ࡞ࠬXߪ48Ps‫ޔ‬ㅢߩ૶↪ࡆ࡯ࡓ㔚ᵹߪࡇ࡯ࠢ୯ߢ⚂200mAߢ޽ࠆ‫ޕ‬RFߣߩ࠲ࠗࡒࡦࠣᲧ4ߩߚ߼ߦࠢ࡜ࠗࠬ࠻ࡠࡦ1ßᯏ಴ജRFᵄᒻ‫ޔ‬ടㅦᤨߣߩᲧ4ߦࠢ࡜ࠗࠬ࠻ࡠࡦ
࠻࡝ࠟࠍಾࠅRF಴ജࠍOFFߒߚߣ߈ߩ㔚ᵹᵄᒻࠍ
ᤨߦ␜ߒߡ޽ࠆ‫ޕ‬㔚ᵹᵄᒻߦߪCTߩW㒢ߥࠗࡦ࠳ࠢ࠲ࡦࠬߦࠃࠆ‫⚂ޔ‬3%/20Psߩ࠼࡞࡯ࡊ߇޽ࠆ‫ޕ‬࿑2ߢߪ㔚ᵹᵄᒻߩᄌൻ߇⋡┙ߚߥ޿ߚ߼‫ޔ‬RF߇ONߣ
OFFߢߩ㔚ᵹߩᏅࠍߣߞߡ࿑3ߦ␜ߒߚ‫ޕ‬
࿑ 3ߦ ߅ ޿ ߡ‫ޔ‬㔚ᵹߩᏅࠍߣߞߚᵄᒻߩ14Psߣ
62PsઃㄭߦàࠄࠇࠆÏ޿ࡇ࡯ࠢߪ‫ߩࠬ࡞ࡄࡓ࡯ࡆޔ‬㐿ᆎߣ⚳ੌߦኻáߔࠆ‫ޕ‬㔚ᵹߪ⽶ߩ୯ߢ⴫␜ߐࠇߡ
޿ࠆߚ߼âãߩᱜߩ஥ߢ㔚ᵹ߇ᷫዋߣߥࠆ‫ޕ‬࿑߆ࠄ
RFࡄ࡞ࠬ㐿ᆎߩ࠲ࠗࡒࡦࠣߢ৻äåᲑ⁁ߦ㔚ᵹ߇
⚂0.8mA㧔⚂0.4%㧕ᷫዋߒ‫ߩߘޔ‬ᓟRFࡄ࡞ࠬ⚳ੌ߹ߢߦæᢙ㑐ᢙ⊛ߦ⚂2.2mA㧔⚂1%㧕Ⴧട‫ߦࠄߐޔ‬
0.02

a)

0

b)

0

-0.02

c)

-50

-0.04

-100

-0.06

RF

-150

-0.08

-200

-0.1

RF OFF

-250

-0.12

RF ON

-300
0

10

20

30

40

50

60

RF Power (Arb. Unit)

Beam Current (mA)

50

-0.14
70

80

Time (micro sec)

࿑2CT1ߢߩ㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒ㔚ᵹᵄᒻߩᲧ4‫ޕ‬a)࠲ࠗࡒࡦࠣߩෳ⠨ߦࠢ࡜ࠗࠬ࠻ࡠࡦ1ßᯏ಴ജRFᵄᒻ‫ޔ‬b)RF߇OFFߩᤨߩ㔚ᵹᵄᒻ㧔50mAࠝࡈ
࠮࠶࠻⴫␜㧕‫ޔ‬c)RF߇ONߢടㅦᤨߩ㔚ᵹᵄᒻ‫ޕ‬5`4ab6`PG6cd?
ᾲ㒶ᭂDC㔚ሶ㌂ߦ߅޿ߡߪ‫ޔ‬ㅢߪࠞ࠰࡯࠼ࠍ
6

0.02
Beam Current Difference (mA)

0

3

-0.02

2

-0.04

1

-0.06

b)

RF

RF Power (Arb. Unit)

Beam Current Difference (mA)

a)
4

-0.1

-2

-0.12

-8

-0.14

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-0.14

ML3=0.70A

-4

-0.18

ML3=1.00A

-6

-0.22

ML3=1.40A

-0.26
-0.3

0

Time (micro sec)

-0.1

ML3=0.50A

-2

-1

-0.06

ML3=0.35A

0

-0.08

-3

-0.02

RF

2

0

Current Difference

0.02

4

RF Power (Arb. Unit)

100

RFࡄ࡞ࠬ⚳ੌᤨߦåᲑ⁁ߦჇട‫ߡߒߘޔ‬RFࡄ࡞ࠬ⚳ੌᓟߪᷫ/ߒ‫ߦᤨੌ⚳ࠬ࡞ࡄࡓ࡯ࡆޔ‬㔚ᵹ߇ߥߊߥߞߡ޿ࠆߎߣ߇ಽ߆ࠆ‫ޕ‬RFࡄ࡞ࠬߩ㐿ᆎᤨߣ⚳ੌᤨߦ↢ߓߡ޿ࠆåᲑ⁁ߩ㔚ᵹᵄᒻᄌൻߪ‫ޔ‬RF߇ONߩ㑆ߦਅᵹߢÐടㅦߐࠇÐⴕߒߡ߈ߚ㔚ሶࡆ࡯ࡓߦࠃࠆ⍱ᒻߩࡄ࡞ࠬ߇ሽ
࿷ߒ‫߇ࠇߘޔ‬㊀Íߒߡ޿ࠆߚ߼㔚ᵹ୯߇ᷫዋߒߡ޿
ࠆߣ⠨߃ࠄࠇࠆ‫ޔߦࠄߐޕ‬RFࡄ࡞ࠬ㐿ᆎ߆ࠄæᢙ㑐ᢙ⊛ߦ㔚ᵹ߇Ⴧടߒ‫⚂ޔ‬12Psߢ2.2mAჇടߒߡ㘻๺ߒߡ޿ࠆ᭽ሶ߇àࠄࠇࠆߩߪ‫࠼࡯ࡃࡦࡏࠢ࠶ࡃޔ‬ࡔࡦ࠻ߦࠃࠆ㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒ㔚ᵹߩታ㓙ߩჇടߣ⠨߃ࠄࠇࠆ‫ߩߘޕ‬ᓟࠞ࠰࡯࠼੤឵߹ߢߩ1ᐕ㑆ߢç‫ޘ‬ߦ㘻๺୯߇Ⴧടߒ‫ޔ‬8mA㧔4%㧕ߦ߹ߢ㆐ߒߚ‫ޕ‬ CT1ߪࡊ࡝ࡃࡦ࠴ࡖ࡯ߩ਄ᵹߦ޽ࠆߚ߼‫ޔ‬RFߢÐടㅦߐࠇߚࡆ࡯ࡓߦࠃߞߡ㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒ㔚ᵹჇട߇↢ߕࠆߥࠄ‫ࡦࡃޔ࡯ࡖ࠴ࡦࡃ࡝ࡊߪࡓ࡯ࡆߩߘޔ‬࠴ࡖ࡯‫ߩߘߪ޿ࠆ޽ޔ‬ᓟߩടㅦ▤ߦÀ᧪ߔࠆ‫ߎߘޕ‬ߢ‫ޔ‬㔚ᵹჇടߩÁࠆè޿߇ࡃࡦ࠴ࡖ࡯⋥೨ߩML3ߩ
ബ⏛㔚ᵹߦଐሽߔࠆ߆ࠍ⺞ߴߚ‫ޕ‬ML3ߩਅᵹ߆ࠄéࠆࡆ࡯ࡓ߇ᓇ㗀ߔࠆߥࠄ‫ޔ‬ML3ߩ㓸᧤ജߩᄌൻߦࠃ
ࠅࡃࡦ࠴ࡖ࡯ࠍㅢㆊߔࠆࡆ࡯ࡓ㔚ᵹߣߣ߽ߦ‫ࡦࡃޔ‬࠴ࡖ࡯߆ࠄéࠆࡆ࡯ࡓ㔚ᵹ߽ᄌൻߒ‫ޔ‬㔚ᵹჇടߩÁࠆè޿߇ᄌൻߔࠆߣ⠨߃ࠄࠇߚ‫ޕ‬ML3ߩബ⏛㔚ᵹࠍ
0.35A߆ࠄ1.4A߹ߢ1.4୚ߕߟᄌൻߐߖߚ⚿ᨐࠍ࿑4ߦ␜ߔ‫ޕ‬ᱜⷙߩ૶↪ബ⏛㔚ᵹߪ0.7Aߢ޽ࠆ‫ޕ‬0.35AߢߪჇട߇ዋߥߊ‫ޔ‬⍱ᒻࡄ࡞ࠬᚑಽ߽ዊߐ޿‫ޕ‬0.7
㨪1.0Aߢ㔚ᵹჇട߇ᦨᄢߣߥࠅ‫ޔ‬1.4Aߢߪ߶߷Ⴧട
߇ߥߊߥࠅ⍱ᒻࡄ࡞ࠬᚑಽ߽⋡┙ߚߥߊߥߞߡ޿ࠆ‫ޕ‬ߎߩ⚿ᨐ߆ࠄ‫ޔ‬ዋߥߊߣ߽ࡃࡦ࠴ࡖ࡯߆ࠄᓟߩㇱಽߢÐടㅦߐࠇߡéߞߡߊࠆࡆ࡯ࡓ߇ሽ࿷ߔࠆߎߣ‫ޔ‬߹ߚߘߩࡆ࡯ࡓߦࠃࠆ㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒ㔚ᵹߩჇട߇
⿠߈ߡ޿ࠆߎߣ‫߇ޔ‬᣿ࠄ߆ߢ޽ࠆߣê߃ࠆ‫ޕ‬

10

20

30

40

50

60

70

80

Time (micro sec)

࿑4ML3ബ⏛㔚ᵹߦࠃࠆ㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒ㔚ᵹჇടߩᄌൻ‫ޕ‬ബ⏛㔚ᵹࠍ0.35A߆ࠄ1.4୚ߕߟᄌᦝ
ߒ‫ޔ‬RF߇OFFߩᤨߩ㔚ᵹߣߩᏅࠍᓧߚ‫ޕ‬1.4Aߢ߶
߷㔚ᵹჇട߇ߥߊߥߞߚ‫ޕ‬ㅢߩ㔚ᵹ୯ߪ0.7A‫ޕ‬

࿑3RFߩ࠲ࠗࡒࡦࠣߣ‫ޔ‬RF߇ONߣOFFߣߩ㑆ߩ㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒ㔚ᵹߩᏅ‫ޕ‬a)ࠢ࡜ࠗࠬ࠻ࡠࡦ1ßᯏ಴ജRFᵄᒻ‫ޔ‬b)࿑2ߩRF߇ONߩ㔚ᵹᵄᒻ߆
ࠄOFFߩ㔚ᵹᵄᒻࠍᏅߒᒁ޿ߚ⚿ᨐ‫ޕ‬-695-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)ࠍ߶߷Èᜬߒߡ޿ߚ‫ߦ߁ࠃߩߎޕ‬㐳ᦼ૶↪ߩ㑆ߦ᷷ࠣᐲ,㒢ÆÇߢߪߥߊⓨ㑆㔚⩄,㒢ÆÇߢേ૞ߐߖ
࡝࠶࠼ࡔ࠶ࠪߩ⁁ᘒ߇ᄢ߈ߊᄌൻߒߡ޿ࠆ߇‫ޔ‬૶↪ߔࠆ‫᧦ߩߎޕ‬ઙߢߪࠞ࠰࡯࠼᷷ᐲ߇චಽ㜞ߊ‫ޔ‬ࡃ࠶ࠢࡏࡦࡃ࡯࠼ࡔࡦ࠻ߩലᨐ߇ߤߎߦ⃻ࠇߡ޿ߚߘߩ᷷ᐲ߇ᄙዋᄌൻߒߡ߽േ૞߳ߩᓇ㗀ߪήiߢ߈‫ޔ‬ߩ߆ߪ߹ߛ᣿⏕ߢߪߥ޿‫ޕ‬ࠞ࠰࡯࠼⴫㕙ઃㄭߩ㔚⇇ߢᒁ߈಴ߒ㔚ᵹ߇᳿߹ࠆ‫ޕ‬2ᐕඨ૶ߞߚࠞ࠰࡯࠼ࠍrߒ޿߽ߩߦ੤឵ߒߡ߆
¿ᄢ࡝࠾ࠕ࠶ࠢߢ߽ࠞ࠰࡯࠼ߪߎߩ᧦ઙߢ૶↪ߒߡ
ࠄߪ࿑3‫ޔ‬࿑4ߩࠃ߁ߥ㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒ㔚ᵹߩჇടߪ
޿ࠆ‫ޕ‬↢ߓߡ޿ߥ޿‫ߒ߆ߒޕ‬CT1ߦ߅ߌࠆ㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒᒁ߈಴ߐࠇߚ㔚ሶࡆ࡯ࡓߩ߁ߜࡃࡦ࠴ࡖ࡯߹ߚߪ
㔚ᵹߩML3ബ⏛㔚ᵹଐሽᕈࠍ⺞ߴࠆߣ‫ޔ‬࿑6ߩࠃ߁ᓟᲑߩടㅦ▤ߢÐടㅦߐࠇ‫ࡓ࡯ࡆޔ‬㓸᧤×ࠍÐⴕߒߦ߿ߪࠅᦨᄢ⚂1mA㧔0.5%㧕ߩÐⴕ㔚ሶࡆ࡯ࡓߩሽ
CT1߹ߢ㆐ߒߚ㔚ሶࡆ࡯ࡓߪ‫ߪ࡯ࠡ࡞ࡀࠛޔ‬ਇ᣿࿷߇᣿ࠄ߆ߣߥߞߚ‫ޕ‬ᓥߞߡ‫ᤨ↪૶ޔ‬㑆ߩ㐳ᦼൻߦߛ߇㔚ᵹ୯ߢߪ0.4㨪0.5%⒟ᐲߣߥࠆߎߣ߇ಽ߆ߞ
ࠃࠅౣ߮㔚ᵹჇട߇↢ߕࠆน⢻ᕈ߇⠨߃ࠄࠇࠆ‫ޕ‬ߚ‫߇ࠇߎߒ߆ߒޕ‬ታ㓙ߦ㔚ሶ㌂ࠞ࠰࡯࠼߹ߢ㆐ߒ
ߡ߽‫߷߶ߪ࠼࡯࠰ࠞޔ‬ⓨ㑆㔚⩄,㒢ÆÇߢേ૞ߒߡ
1
޿ࠆߚ߼‫ޔ‬ᗐ⊛ߦߪࠞ࠰࡯࠼ㆊᾲߦࠃࠆᒁ߈಴ߒ
㔚ᵹߩჇടߪ⿠ߎࠅ㔍޿ߣ⠨߃ࠄࠇࠆ‫ޕ‬ᓥߞߡᰴߦ
ᾲ㒶ᭂDC㔚ሶ㌂ߩᒁ߈಴ߒ㔚ᵹߦ᷹ⷰߐࠇߚ1㨪㔚ᵹჇടߩ Âߣߒߡ⠨߃J޿ߩߪ‫[࠼࠶࡝ࠣޔ‬ë
4ñߩࡄ࡞ࠬౝ㔚ᵹჇടߪ‫࡯ࡖ࠴ࡦࡃޔ‬એᓟߢÐടߦࠃࠆࠣ࡝࠶࠼᡼಴㔚ᵹߩ⊒↢ߢ޽ࠆ‫ޕ‬ㅦߐࠇߚࡆ࡯ࡓߩሽ࿷߇⏕⹺ߐࠇߚߎߣ߆ࠄ‫࠶ࡃޔ‬¿ᄢ125MeV࡝࠾ࠕ࠶ࠢߩ㔚ሶ㌂ᒁ߈಴ߒ㔚ᵹᵄࠢࡏࡦࡃ࡯࠼ࡔࡦ࠻߇ Âߣ⠨߃ࠄࠇࠆ‫ߩߎޕ‬㔚ᵹᒻߦ⃻ࠇߚᄌൻߪ‫ࠣ߇࠻ࡦࡔ࠼࡯ࡃࡦࡏࠢ࠶ࡃޔ‬Ⴧടߪ⚂12Psߢ߶߷㘻๺ߒߚ߇‫ޔ‬FELߩ⊒Áߦߪᔅ࡝࠶࠼᡼಴㔚ᵹࠍ⊒↢ߐߖߚ⚿ᨐߣ⠨߃ࠆߎߣ߽ߢ
ߕߒ߽ήiߢ߈ߥ޿ᄌൻߢ޽ࠆ‫ౕ߇ࠇߘޔߒ߆ߒޕ‬߈ࠆ‫ޕ‬RFࡄ࡞ࠬ⚳ੌᓟߩჇട㔚ᵹߩᷫ/ߪ‫ޔ‬㔚ሶ૕⊛ߦߤߎࠍㆊᾲߒߚ⚿ᨐߢ޽ࠆߩ߆‫ߩߢ߹ࠇߎޔ‬[\ߦࠃࠆㆊᾲÆÇ߇రߩ᷷ᐲߦéࠆ㓙ߩ⃻⽎ߣ⠨᷹ቯ⚿ᨐ߆ࠄߪቯ߆ߢߥ޿‫ޕ‬੤឵ᓟߩrߒ޿ࠞ࠰࡯
߃ࠄࠇࠆ‫ޔߒ߆ߒޕ‬࿑3߆ࠄ߽᣿ࠄ߆ߥࠃ߁ߦ‫ޔ‬ᷫ࠼ߢߪ㔚ᵹჇട߇᷹ⷰߐࠇߡ޿ߥ޿߇‫ޔ‬᣿ࠄ߆ߦࡃ
/ìਛߢࠣ࡝࠶࠼ࡄ࡞ࠬ⚳ੌߣᤨߦߎߩ㔚ᵹ߽ߥࡦ࠴ࡖ࡯஥߆ࠄߩÐⴕࡆ࡯ࡓ߇߿ߪࠅ⒟ᐲሽ࿷ߔ
ߊߥߞߡ޿ࠆ‫ߩߎޕ‬Áࠆè޿ߪߤߜࠄ߆ߣê߃߫ࠞ࠰࡯࠼ߩࡃ࠶ࠢࡏࡦࡃ࡯࠼ࡔࡦ࠻ߦ⿠Âߔࠆߣ⠨߃ࠆߎߣ߇⏕⹺ߐࠇߚ‫⚿ߩߎޕ‬ᨐ߆ࠄ‫ޔ‬㔚ᵹჇടߩW
ࠆᣇ߇⸃ߒJ޿‫ޕ‬ήߪࠞ࠰࡯࠼ߣࠣ࡝࠶࠼ߩ⁁ᘒߦଐሽߔࠆน⢻ᕈ߇ߎߩࠞ࠰࡯࠼ࠕ࠮ࡦࡉ࡝ࠍ2006ᐕ12Éߦ੤឵ߩߚ
␜¥ߐࠇࠆ߇‫⁁ࠆࠃߦ↪૶ޔ‬ᘒᄌൻߩነਈ߇⠨߃ࠄ߼ขࠅᄖߒߚ㓙ߦ‫⴫࠼࡯࠰ࠞޔ‬㕙ࠍíᓇߒߚ౮⌀ࠍࠇ੹ᓟ㐳ᦼ㑆ߢߩᄌൻࠍòóߔࠆᔅⷐ߇޽ࠆ‫ޔߚ߹ޕ‬࿑5ߦ␜ߔ‫⋥࠼࡯࠰ࠞޕ‬ᓘߪ7mm޽ࠆ‫࠼࡯࠰ࠞޕ‬ਛߎࠇߦ㑐ôߒࡆ࡯ࡓࡄ࡞ࠬో૕ߩᵄᒻߦߟ޿ߡ‫ߘޔ‬ᄩㇱߩࠣ࡝࠶࠼ࡔ࠶ࠪߦߪࠞ࠰࡯࠼฽R‛⾰ߢ޽ߩᐔမᐲߩ㐳ᦼ⊛ᄌൻࠍ⺞ߴࠆߎߣ߽õ㗴ߢ޽ࠆ‫ޕ‬
ࠆBaO╬ߩήîㅘ᣿ߩ‛⾰߇‫ޔ‬㔚✢ߦઃ⌕ߒߚïߩࠃ߁ߦᄢ㊂ߦ⫾Ⓧߒߡ޿ߚ[2]‫'ޕ‬ðㇱߢߪߘߩ㊂߇ᭂ߼ߡዋߥߊ‫↪૶ޔ‬ೋᦼߩࠣ࡝࠶࠼ࡔ࠶ࠪߩ⁁ᘒ

3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12

0
-20
-40
-60
-80
-100

RF Power (Arb. Unit)

Beam Current Difference (mA)_[1] K.Kanno et al., Proceedings of the 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan ( Tsukuba, Aug. 1-3, 2001) 73.
[2] J.L.Cronin, IEE PROC. Vol. 128 (1981) 19.

-120
-140
50

60

70

80

90

Time (micro sec)࿑6੤឵ᓟߩࠞ࠰࡯࠼ߢߩ‫ޔ‬࿑4ߣ᭽CT1ߦ߅ߌࠆࡆ࡯ࡓ㔚ᵹߩML3ബ⏛㔚ᵹଐሽᕈߩ᷹ቯ
⚿ᨐ‫ޕ‬⍱ᒻᵄᒻߪRFࡄ࡞ࠬ‫ޕ‬਄߆ࠄബ⏛㔚ᵹ0
㨪1.5A߹ߢ0.3Aö㧔2mAߕߟࠝࡈ࠮࠶࠻⴫␜㧕ߩ‫ޔ‬RF߇ONߣOFFߣߩ㑆ߩࡆ࡯ࡓ㔚ᵹߩᏅ‫ޕ‬

࿑5ขࠅ಴ߒߚࠞ࠰࡯࠼ࠕ࠮ࡦࡉ࡝ߩ౮⌀‫ࠞޕ‬࠰࡯࠼㕙ߩਛᄩㇱߣ'ðㇱߩ⁁ᘒ߇⇣ߥߞߡà߃ࠆߩߪ‫ࠪ࠶ࡔ࠼࠶࡝ࠣޔ‬ਛᄩㇱߦਥߦ⫾Ⓧߒߚ
ࠞ࠰࡯࠼฽R‛⾰߇ነਈߒߡ޿ࠆ‫ޕ‬-696-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

DEVELOPMENT OF THE ELECTRON GUN EMISSION CURRENTFEEDBACK SYSTEM AT LEBRA*

     
A)

B)





             







 

    ! $?Z  \ Z ^``?Z  {$\  |}
    ^     ^} Z^\ Z! ZZ ^ {\  |}
    ^     

Abstract    ! $?Z  \ Z ^``?Z  {$\   |}  Z
!?Z !^ Z^}? `^ ^ ZZ  ?? ? !^
`?} ?   !!?Z   ! ZZ  ??^   ±

÷øùúûüýþ
ûü
efghij ÷ ø ù ú û ü ý þ      (LEBRA) 
125MeV  
100kV DCûüû 1mA 
 !"#$ %& û'"(!")#* $%& 0.01%
'$' '()$+*FEL*!,-$ ./ +0
û123
4 1 !56
7$  ûüû8û19:4 ;<  ÷ù125MeV ûüû
=>1?@4 kf lmn
÷ù125MeV  ûü ABCû8100kVDCûü  EIMAC
Y646BDE1 [1]FGHI
Jû845.4V & 52.9Vû190mA  %&  1u$ ? Núû

û KIKUSUIKLPMC110-0.6A$û MN #3Oû81PQ4 !CRû813O4 .B û8!
ûS1'*û1'4
Current Transformer #1(CT#1) TUV
W$' ûü#50cmXY<$ û100kVZ8[ \W+' CT#1]^_$ *` aýû3Obc1d
!B 0eý LAN(IEEE802.11b)
1 Ib4 !!*'fg1+hi4+1jýkl*N)Z8[\Wm+N)$' MOXA!
Ethernetn o[$  D.M.!
pq[rUs[ tûû81'u' *tû TAKASAGOKL
KX-100H$ û vwor1d !CRû813O4 !B xy'fgz` *`{*PCeýLAN1I|û81)]^_$ CT#1bc1}~oT'4 '#*%&1+2i4+2 # û8 1V$û23.9mA4 !
*'

?   Z`ú~ .{  -697-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

/ +* #û11mA  û8141.8μV $ 

T~]' }~oTû1'û
1234 %¤û81û1I|9:4 û PC #¥b*or*+ 
ûCRû814 ¦$ §¨©~qKCPU$ H8/3069F
1 + u1: û8!
û-' *'fg!



 
 
 



+u3:




























+u2:û8!
-Sû

ofpqrstuvwxyz1+3i4
+1!X$  IJ 4 ûû83O*` PC #or1 3Obc4 
ûMOXA!
û ¡Q!$ 
PC1¢£4 

û MN3OªüPQ4
û8«¬*û8CR ûCR­k0~110V$' MN3Oªü®R­k0~10V$ %+û1
1mA  ûMN
3OªüPQ4 û813.80μV 
$ FGHû845.4V
$# 4.1V û81û
®R  ¯# l*
û1mA13O4 10°±²!4 ! 1digit$*'0.38μV±
$ *!)¯³5V!4 ! ±24bit;WD/A Converter (DAC) 
24Bit DAC´µ¶ +**` DACCR
·4V }¸wû81Q)* T1 8bitDAC1³2.5mV!!* *CPU8bit DAC
1¹º'  DAC1 ¤!1x»¦4 !B*

-698-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan){fpqrstuv|}~+4ûH+5i4

%)¼1+ u4:a OFFHH (200796:8÷')+u4:b  ONH
H (200796:8÷')û

+u5:b ONH)¼
+3 # ½¾H¿#*û23
!/OFFHû
ÀÁÂÃ0.4mA  ONH
0.12mA$+*%+
%+ûÄ1 ±0.3mA 2) !B*
ûCR©&Å^_1'
*!Æ 0.92mVRMS$+*ûÇ4 !0.24mA,È4 ONHû
ÀÁÂÃ2°!ÉÊ4 ! # 
ËÌ$ !Í) û

fi+u5:a  OFFH)¼û÷ùÎ,-./0 ûü û$ 1234 *` 
1øûüû813O4 !
û13O
ø
%' ±12345 1±12645 234
!B*7"8[1] K.Kanno et al., Proceedings of the 26th Liner
Accelerator Meeting in Japan (Tsukuna, Aug.13,2001)-699-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

PRECISE CONTROL OF COOLING WATER TEMPERATURE FORLEBRA-LINAC
Takeshi Sakai1,A), Toshinari TanakaB), Ken HayakawaB), Yasushi HayakawaB), Takao KuwadaA),
Yumiko TakahashiB) , Keisuke NakaoB), Kyoko NogamiB), Manabu InagakiA), Isamu SatoA)
A)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities (ARISH), Nihon University
12-5, Goban-cho, Chiyoda-ku, Tokyo 102-8251, Japan
B)
Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi-shi, 274-8501 Japan
Abstract
Precise experiments using FEL and PXR require a high-stability electron beam from the linac. The cooling watertemperature for an accelerator tube and electromagnets has been adjusted with high precision by a refrigerator andimprovement of a fine cooling system, and modify of a flow path. The linac cooling water temperature has been
controlled to within ±0.01Υ by adjustment and the improvement of the fine cooling water system. Fluctuation of the
PXR intensity at the output port has been suppressed to ±2% by improvement of the cooling water system.

᪥ᮏ኱Ꮫࣜࢽ࢔ࢵࢡࡢ෭༷Ỉ㸯㸬ࡣࡌࡵ࡟

ᗘࡢ⢭ᐦไᚚ

⾜ࡗ࡚࠸ࡿࠋ෭෾ᶵ࠿ࡽࡣ2ࡘࡢὶ㊰࡟ศᒱࡋ㸪ྛ⢭ᐦ ㄪࡢ1ḟ෭༷Ỉ࡟౑⏝ࡋ࡚࠸ࡿࠋ⢒ ㄪࡣ୺࡟ࢡࣛ࢖ࢫࢺࣟࣥ㸪ࢲ࣑࣮࣮ࣟࢻ࡞࡝ࡢ෭༷࡟౑⏝ࡋ࡚࠸ࡿࠋ2005㹼2006ᖺᗘ࡟࠿ࡅ࡚෭෾ᶵ㓄⟶㸪ㄪ⠇ィ࡞࡝ࡢ᭦᪂㸪PXRⓎ⏕⏝Siࢱ࣮ࢤࢵࢺ෭༷⣔ࡢపᅽ෭༷⣔࡬ࡢ⛣⾜࡞࡝ࢆ⾜࠸㸪෭༷Ỉ ᗘᏳᐃ໬࠿ࡽPXRࡢᙉᗘࢆ࠶ࡿ⛬ᗘࡲ࡛ᢚ࠼ࡿࡇ࡜࡟ᡂຌࡋ
ࡓࡀ [6] 㸪࢔ࢼࣛ࢖ࢨ࣮⤖ᬗࢆ⏝࠸ࡿDEIࡢ ᐃ࡛ࡣࡲࡔᏳᐃᗘࡀ୙༑ศ࡛࠶ࡗࡓࠋ

᪥ᮏ኱Ꮫ㟁Ꮚ⥺฼⏝◊✲᪋タLEBRA࡛ࡣ㸪ᩥ㒊⛉Ꮫ┬Ꮫ⾡ࣇࣟࣥࢸ࢕࢔᥎㐍஦ᴗࠕྍኚἼ㛗㧗㍤ᗘ
༢Ⰽග※ࡢ㧗ᗘ฼⏝࡟㛵ࡍࡿ◊✲ࠖࡢ ᨭ᥼㸪ཬࡧ
KEK࡜ࡢඹྠ◊✲࡟ࡼࡾ 㸪125MeV㟁Ꮚ⥺ᙧຍ㏿ჾࢆ࣮࣋ࢫ࡜ࡋࡓ⮬⏤㟁Ꮚ࣮ࣞࢨ࣮(FEL㸸Free Electron
Laser)㸪ࣃ࣓ࣛࢺࣜࢵࢡX⥺ᨺᑕ(PXR㸸Parametric Xray Radiation)࡟ࡼࡿග※ࡢᐇ⏝໬ࢆ㐍ࡵ࡚ࡁࡓࠋ⌧ᅾࡲ࡛࡟㸪FELࡣ0.855㹼6Pmࡢ⠊ᅖ࡛㐃⥆Ἴ㛗ྍኚ
Ⓨ᣺ࢆ㐩ᡂࡋ㸪PXR࡟࠾࠸࡚ࡣ5㹼20keVࡢ㐃⥆Ἴ㛗㸱㸬⢭ᐦ ㄪ⣔ࡢᨵⰋ࡜ㄪᩚ
ྍኚ࡞༢ⰍX⥺ࡀᚓࡽࢀ࡚࠸ࡿࠋ⌧ᅾ㸪ྛග※ࢆ⏝[1][2]
ࠋ࠸ࡓᏛෆඹྠ฼⏝ᐇ㦂ࢆᐇ᪋ࡍࡿ࡟⮳ࡗ࡚࠸ࡿ
3.1 ᪧ෭༷⣔ࡢၥ㢟Ⅼ⌧ᅾࡣ㸪PXRࡢඃࢀࡓࢥࣄ࣮ࣞࣥࢩ࣮࡞≉ᚩࢆ฼⏝ࡋࡓ࢖࣓࣮ࢪࣥࢢࢆ୰ᚰ࡟ᛂ⏝◊✲ࢆ⾜ࡗ࡚࠾ࡾ㸪LEBRAࡢ෭༷⣔ࢩࢫࢸ࣒ࡣ㸪ᪧ᪥ᮏ኱ᏛཎᏊຊ
ࡇࢀࡲ࡛ࡣSPring-8ࡸ㧗࢚ࢿࣝࢠ࣮ຍ㏿ჾ◊✲ᶵᵓ◊✲ᡤ㸦⌧㔞Ꮚ⛉Ꮫ◊✲ᡤ㸧Ⓨ㊊᫬ࡢィ⏬࡛࠶ࡗࡓ࡞࡝ࡢ኱ᆺᨺᑕග᪋タ௨እ࡛ࡣᅔ㞴࡛࠶ࡿ࡜⪃࠼ࡽ࣐࢖ࢡࣟࢺࣟࣥ⏝ࢆὶ⏝ࡋ࡚࠸ࡓࠋ᫖ᖺᗘࡢ෭෾ᶵ
ࢀ࡚࠸ࡓX⥺྾཰ᚤ⣽ᵓ㐀(XAFS㸸X-ray Absorption⣔ࡢᨵⰋ࡟ࡼࡾ෭෾ᶵഃࡢ ᗘㄪᩚࡀ⣽࠿ࡃ࡛ࡁࡿ
Fine Structure) ࡸ ᅇ ᢡ ᙉ ㄪ ᆺ ࢖ ࣓ ࣮ ࢪ ࣥ ࢢ (DEI 㸸ࡼ࠺࡟࡞ࡗࡓࡀ㸪෭෾ᶵࡢࢥࣥࣉࣞࢵࢧ࣮ືస᫬࡟
Diffraction Enhanced Imaging)ࡢᇶ♏◊✲ࢆ㐍ࡵ࡚࠸࠾ࡅࡿ▷᫬㛫࡛ࡢ኱ࡁ࡞Ỉኚ໬࡟⢭ᐦ ㄪഃࡢㄪࡿ [3][4][5] ࠋࡇࢀࡽ࢖࣓࣮ࢪࣥࢢ ᐃ࡛ࡣ㸪ຍ㏿ࣅ࣮⠇ィࡀ࠺ࡲࡃ㏣㝶࡛ࡁࡎ㸪෭༷⣔඲య࡛ぢࡓሙྜ㸪࣒ࡢᏳᐃᗘ㸪ຍ㏿ჾഃࡢᏳᐃᗘࡀ㠀ᖖ࡟㔜せ࡛࠶ࡾ㸪 㠀ᖖ࡟୙Ᏻᐃ࡛࠶ࡗࡓࠋLEBRAࡢ෭༷⣔ὶ㊰ࡣ⢭LEBRA࡛ࡣ෭༷⣔ࡢᏳᐃ໬ࢆ㐍ࡵ࡚࠸ࡿࠋᐦ ㄪ࠿ࡽࡣࣜࢨ࣮ࣂ࣮ࢱࣥࢡࢆ௓ࡉࡎࢲ࢖ࣞࢡࢺ
ᮏ✏࡛ࡣ⢭ᐦ ㄪ⣔ࡢᨵⰋ㸪ㄪ⠇㸪ᨵⰋᚋࡢ෭༷
࡟ຍ㏿⟶㸪㟁☢▼ᮏయ࡬ࡘ࡞ࡀࡗ࡚࠸ࡿࡓࡵ㸪኱ࡁỈᏳᐃᗘ㸪PXRᙉᗘࡢᏳᐃᗘ࡟㛵ࡋ࡚ሗ࿌ࢆ⾜࠺ࠋ࡞ኚືࡀఏࢃࡾ᫆࠸࡜࠸࠺ḞⅬࡀ࠶ࡗࡓࠋࣜࢨ࣮
ࣂ࣮ࢱࣥࢡࡣຍ㏿⟶ࡸ㟁☢▼ࡢ෭༷㒊ᚋ࡟タ⨨ࡋ࡚㸰㸬/(%5$ࣜࢽ࢔ࢵࢡ࡜෭༷⣔࠶ࡾ㸪ࡉࡽ࡟ࢱࣥࢡᐜ㔞ࡣ120L࡜ᑠࡉࡃ㸪ࣜࢨ࣮ࣂ࣮࡬ᡠࡗ࡚ࡶ⣙30sec࡛㏦ࡾฟࡉࢀ࡚ࡋࡲࡗ࡚࠸LEBRAࣜࢽ࢔ࢵࢡࡢᴫせᅗࢆᅗ1࡟♧ࡍࠋLEBRAࡓࠋࡑࡇ࡛᫖ᖺᗘ࡟෭෾ᶵ㸪㓄⟶➼ࡢᨵⰋࢆ⾜࠸㸪࡛ࡣຍ㏿ჾୖὶഃ࡜ୗὶഃ࡛2ࡘࡢ⢭ᐦ ㄪࢆࡑࢀ෭෾ᶵỈ ኚືᖜࡣᗈ࠸ࡀ㸪▷᫬㛫ࡢ኱ࡁ࡞ኚືࡀࡒࢀタ⨨ࡋ㸪୺࡟ຍ㏿⟶㸪೫ྥ㟁☢▼࡞࡝ࡢ෭༷ࢆ
↓࠸ࡺࡗࡃࡾ࡜ࡋࡓኚ໬ࢆࡍࡿࣃ࣓࣮ࣛࢱ࣮ࢆ㑅ࡧ㸪ᮏ◊✲ࡣᩥ㒊⛉Ꮫ┬Ꮫ⾡ࣇࣟࣥࢸ࢕࢔᥎㐍஦ᴗ(⥅⥆)(ᖹᡂ17㹼19ᖺᗘ)ࡢᨭ᥼ࢆཷࡅ࡚⾜ࡗࡓࠋE-mail: sakai@nihon-u.ac.jp

1

-853-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)䝞䞁䝏䝱䞊⣔

4mຍ㏿⟶㽢3

100kV㟁Ꮚ㖠㻌

ᪧ⢭ᐦ

ㄪ㻝

(b)

PXRⓎ⏕⿦⨨FELⓎ⏕⿦⨨

෭෾ᶵ
ᪧ⢭ᐦ

෭෾ᶵ㻌
䝸䝄䞊䝞䞊

ㄪ㻞
䜽䝷䜲䝇䝖䝻䞁㻌

⢒

ㄪ㻌

(a)

ᅗ1㸸LEBRAࣜࢽ࢔ࢵࢡᴫせᅗࠋᪧ෭༷⣔ࡣ2ࡘࡢ⢭ᐦ ㄪࢆ⏝࠸࡚㸪ୖὶ㸪ୗὶࢆศࡅ࡚෭༷ࠋ᪂⢭ᐦㄪ⣔࡛ࡣ㸪1ྎ࡛඲యࢆ෭༷ࡋ㸪タ⨨ሙᡤࡢไ㝈࠿ࡽຍ㏿ჾᮏయᐊഃ࡟ࣜࢨ࣮ࣂ࣮ࢱࣥࢡ(b)㸪࣏ࣥࣉ㸪ࢥࣥࢺ࣮࣮ࣟࣛ⣔ࢆࢡࣛ࢖ࢫࢺࣟࣥࣔࢪ࣮ࣗࣞࢱ࣮ᐊ(a)࡬࡜ศࡅ࡚タ⨨ࡋࡓࠋ඲యࡀᏳᐃ࡟࡞ࡿࡼ࠺࡟ᑐᛂࡋ࡚࠸ࡓ[6]ࠋ
3.2 ⢭ᐦ

ㄪ⣔ࡢᨵⰋ

SDC36ࢆ⏝࠸ࡓࠋࡇࡢㄪ⠇ィࡣRS485ࡢ㏻ಙᶵ⬟ࢆᣢࡗ࡚࠸ࡿࡓࡵ㸪LAN࡬ኚ᥮ࢆ⾜࠸㐲㝸࠿ࡽࡢࢹ࣮
ࢱ཰㞟㸪ࣃ࣓࣮ࣛࢱ࣮ㄪ⠇ࢆᐜ᫆࡟⾜࠼ࡿࡼ࠺࡟ࡋ㸪ㄪ⠇᫬㛫ࡢ▷⦰ࢆᅗࡗࡓࠋ

3-1࡛㏙࡭ࡓࡼ࠺࡟㸪ࡇࢀࡲ࡛ࡢ෭༷⣔ὶ㊰ࡣ෭(a)෾ᶵࡢ ᗘኚ໬ࡀࡑࡢࡲࡲ⢭ᐦ ㄪഃ࡬ఏࢃࡾ㸪ኚ27䉝⢭ᐦ ㄪືࡀ኱ࡁࡃ࡞ࡾࡸࡍ࠿ࡗࡓࠋࡇࢀࡣ㸪ᅗ2(a)࡟♧ࡍ䝸䝄䞊䝞䞊ࡼ࠺࡟෭༷⣔㓄⟶ୖኚືࡀఏࢃࡾࡸࡍ࠸ὶ㊰ࡢࡓࡵ
䜽䞊䝸䞁䜾
䝍䝽䞊
࡛࠶ࡗࡓࠋࡑࡇ࡛㸪᫖ᖺᗘࡣᅗ2(b)ྑഃࡢࡼ࠺࡟㸪෭෾ᶵ࠿ࡽ⢭ᐦ ㄪࡢ㛫࡟୕᪉ᘚࢆ௜ࡅ㸪෭Ỉᚠ⎔20䉝෭෾ᶵ
ຍ㏿⟶䚸㟁☢▼ 30䉝⣔࡬⢭ᐦ ㄪഃ࠿ࡽ୍㒊ࢆᡠࡋ㸪⢭ᐦ ㄪ࡜෭෾ᶵ୕᪉ᘚ㛫ࡢỈ ᕪࢆ⊃ࡃࡍࡿࡓࡵ25Υ࡬ୖ᪼ࡉࡏ㸪ࡉࡽ࡟㸪(b)෭෾ᶵ࠿ࡽࡣ෌ᗘࣜࢨ࣮ࣂ࣮ࢆ⤒⏤ࡍࡿࡇ࡜࡛ ᗘ୕᪉ᘚ᫖ᖺᗘᨵⰋ⟠ᡤ30䉝 ⢭ᐦ ㄪ෭෾ᶵኚ໬ࢆ⦆ࡸ࠿࡟࡞ࡿࡼ࠺ᨵⰋࡋ࡚࠸ࡓࠋ௒ᖺᗘࡣ᫖
27䉝
(3)
䝸䝄䞊䝞䞊
ᖺᗘࡢㄪᩚ࡜ၥ㢟Ⅼࢆ㋃ࡲ࠼㸪⢭ᐦ ㄪ⣔ࡢ᭦᪂࡟(2)
ຍ࠼㸪ᅗ2(b)ᕥഃ࡟♧ࡍࡼ࠺࡟⢭ᐦ ㄪ࠿ࡽ኱ᐜ㔞
䜽䞊䝸䞁䜾
䝸䝄䞊䝞䞊
䝍䝽䞊
ࣜࢨ࣮ࣂ࣮ࢆ⤒⏤ࡋ࡚ຍ㏿⟶➼ࡢ෭༷㒊࡬㏦ࡿࡼ࠺
(1)
ຍ㏿⟶䚸㟁☢▼
25䉝࡟ὶ㊰ࡢኚ᭦ࢆ⾜࠺ࡇ࡜࡟ࡋࡓࠋ
20䉝
୕᪉ᘚ
LEBRA࡛ࡣ࣐ࢩࣥࢱ࢖࣒ࡀ㡰ㄪ࡟ቑຍࡋ࡚࠾ࡾ㸪
2006ᖺᗘࡣ1800᫬㛫ࢆ㉺࠼ࡿ฼⏝ᐇ㦂ࡀ⾜ࢃࢀࡓࠋᅗ2㸸ᨵⰋ๓ᚋ෭༷⣔ࣇ࣮ࣟࢩ࣮ࢺࠋ෭Ỉᚠ⎔ჾ⣔ࡑࡢࡓࡵ㸪ᨵⰋᕤ஦ࡣ฼⏝ᐇ㦂࡟ᙳ㡪ࢆ୚࠼࡞࠸᫬
࡬⢭ᐦ ㄪ࠿ࡽ୍㒊ࢆᡠࡋ㸪 ᗘኚ໬ࢆ⦆ࡸ࠿࡟ࡋ
㛫ᖏ࡟⾜࠺ࡋ࠿࡞ࡃ㸪እ࡛⤌ࡳୖࡆࡓ≀ࢆ୰࡬㐠ࡧ࡚࠸ࡿࠋ⢭ᐦ ㄪ࠿ࡽࣜࢨ࣮ࣂ࣮⤒⏤ࡢὶ㊰࡬ኚ᭦ࠋ㎸ࡳ㸪⌧ሙ࡛ࡢᤣ௜ᕤ஦ࢆ࡛ࡁࡿࡔࡅ▷ᮇ㛫࡟᏶஢
3.3 ෭෾ᶵ⣔ࢆྵࡵࡓ඲యㄪᩚ࡜Ᏻᐃᗘࡢẚ㍑
ࡍࡿࡼ࠺࡟ࡋࡓࠋࡲࡓ㸪ᕤ஦᏶஢ᚋࡢ⛣⾜࡟᫬㛫ࡀ࠿࠿ࡿሙྜࢆ᝿ᐃࡋ㸪௚ࡢᐇ㦂࡟ᙳ㡪ࡋ࡞࠸ࡼ࠺࡟㸪⢭ᐦ ㄪࡀ᪩࠸ ᗘኚ໬࡟ᑐᛂ࡛ࡁࡿࡼ࠺࡟࡞ࡗ
ࡇࢀࡲ࡛ࡢ⢭ᐦ ㄪ⣔ࢆணഛ࡟ṧࡋ㸪ࡍࡄ࡟ษ᭰࠼
ࡓࡓࡵ㸪෭෾ᶵഃࡢタᐃ࠿ࡽ⾜ࡗࡓࠋᒣṊ〇ࡢㄪ⠇ࡽࢀࡿࡼ࠺㓄៖ࡋ࡚⾜ࡗࡓࠋィ࡟ࡣ࣑ࣜࢵࢺࢧ࢖ࢡࣝἲ࡟ࡼࡿ⮬ືㄪᩚᶵ⬟ࡀ࠶
ᅗ1࡟♧ࡋࡓࡼ࠺࡟㸪ຍ㏿ჾᮏయᐊ㸪ࣔࢪ࣮ࣗࣞ
ࡿࡓࡵ㸪ఱᗘ࠿⮬ືㄪᩚࢆ⾜࠸኱ࡲ࠿࡞ࣃ࣓࣮ࣛ
ࢱ࣮ᐊࡣ⊃ࡃタ⨨ሙᡤࡀไ㝈ࡉࢀࡿࡓࡵ㸪⇕஺᥮ჾࢱ࣮ࢆồࡵ㸪ㄪᩚࡢࢫࢱ࣮ࢺ್ࢆỴࡵࡓࠋ ᗘ ᐃࡣࢥࣥࣃࢡࢺ࡛ᤣ௜㠃✚ࡀᑠࡉ࠸᪥㜰〇సᡤ〇ࣉ࡟ࡣ㸪Pt100ⓑ㔠᢬ᢠయ(3⥺ᘧ)ࢆ⏝࠸ࡓࠋ෭෾
࣮ࣞࢺᘧ⇕஺᥮ჾ(PHE)ࢆ᥇⏝ࡋࡓࠋࡇࡢ⇕஺᥮ჾᶵ⣔ㄪᩚࡢ⤖ᯝ㸪ᅗ3(1)࡟♧ࡍࡼ࠺࡟㸪▷᫬㛫ࡢ⣽ࡣ㸪㟁⇕ຠ⋡ࡀ㠀ᖖ࡟ࡼࡃ㸪㍍㔞࡛࠶ࡿࡓࡵ㸪ᤣ௜࠿࠸ኚືࡀ࠶ࡿࡀ㸪඲య࡛ࡣ±0.4Υ௨ෆ࡟ᢚ࠼ࡿࡇ
ᕤ஦ࡶᐜ࡛᫆㸪ࣉ࣮ࣞࢺᯛᩘࡢቑῶ࡛⬟ຊኚ᭦ࡀྍ
࡜ࡀ࡛ࡁࡓ(ᅗ2(b)(1)࡛ ᐃ)ࠋ෭෾ᶵࡢㄪᩚࢆ㋃ࡲ
⬟࡛࠶ࡾ㸪ࡇࢀࡲ࡛ࡢ1ྎศ࡜ྠ⛬ᗘࡢ㠃✚࡛2ྎศ࠼࡚㸪⢭ᐦ ㄪഃࡢㄪᩚࢆ⾜ࡗࡓࠋ෭෾ᶵࡢሙྜ࡜
௨ୖࡢ⬟ຊ࡟ᑐᛂྍ⬟࡛࠶ࡗࡓ(ᅗ1(a))ࠋࢱࣥࢡࡣ
ྠᵝ࡟㸪 ᗘ ᐃ࡟ࡣPt100ⓑ㔠᢬ᢠయ(3⥺ᘧ)タ⨨ሙᡤࡢไ㝈ࡸ㸪෭༷Ỉᨺᑕ໬ࢆ⪃៖ࡋ㸪ຍ㏿ჾࢆ⏝࠸㸪࣑ࣜࢵࢺࢧ࢖ࢡࣝἲ࡟ࡼࡿ⮬ືㄪᩚ࡛኱యᮏ య ᐊ ࡬ タ ⨨ ࡋ ࡓ ( ᅗ 1(b)) ࠋ ሙ ᡤ ࡢ ไ 㝈 ࡟ ࡼ ࡾࡢࣃ࣓࣮ࣛࢱ࣮ࢆỴࡵ㸪ࡑࡢ್ࢆ┠Ᏻ࡟ㄪᩚࢆ⾜ࡗ
700×700×2100mm3ࡢ㠀ᖖ࡟⦪㛗ࡢࢱࣥࢡࢆ᥇⏝ࡋࡓࡓࠋ⢭ᐦ ㄪ⣔ㄪᩚࡢ⤖ᯝ㸪ᅗ3(2)࡟♧ࡍࡼ࠺࡟㸪ࡀ㸪Ỉ㔞ࡣ7ಸࡢ800Lࢆ☜ಖ࡛ࡁࡓࠋ⇕஺᥮ჾ㸪ㄪ
±0.04Υ௨ෆ࡟ᢚ࠼ࡿࡇ࡜ࡀ࡛ࡁࡓ(ᅗ2(b)(2)࡛ ᐃ)ࠋ
⠇ィ࡞࡝ࡣ࣓ࣥࢸࢼࣥࢫ㸪ㄪ⠇ࡢࡋࡸࡍࡉࢆ⪃៖ࡋ෭෾ᶵ㸪⢭ᐦ ㄪࡢㄪᩚࡢ⤖ᯝ㸪ຍ㏿⟶㸪೫ྥ㟁ࣔࢪ࣮ࣗࣞࢱ࣮ᐊ࡬タ⨨ࡋࡓࠋㄪ⠇ィࡣࡇࢀࡲ࡛ࡢ
☢▼࡞࡝࡬㏦ࡿ┤๓ࡢࣜࢨ࣮ࣂ࣮ࢱࣥࢡෆỈ ࡛ᅗ౑⏝⤒㦂࡞࡝࠿ࡽ㸪ᒣṊ〇ࢹࢪࢱࣝᣦ♧ㄪ⠇ィ
䝸䝄䞊䝞䞊

-854-

Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 1-3, 2007, Wako Japan)

3(3) ࡟ ♧ ࡍ ࡼ ࠺ ࡟ 㸪 s 0.01 Υ ௨ ୗ ࢆ 㐩 ᡂ ࡋ ࡓ ( ᅗ
2(b)(3)࡛ ᐃ)ࠋ ᗘ ᐃ࡟ࡣ㸪ASL♫〇ࡢ㧗⢭ᗘࢹࢪࢱࣝ ᗘィF200ࢆ⏝࠸㸪 ᐃࣉ࣮ࣟࣈ࡟ࡣ0Υ㸪
30Υ㸪100Υ࡛ᰯṇࢆཷࡅࡓPt100ⓑ㔠
᢬ᢠయ(4⥺ᘧ)ࢆ⏝࠸ࡓࠋࡇࡢ⤖ᯝࡼࡾ㸪෭෾ᶵ࠿ࡽ⢭ᐦㄪࢆ௓ࡋ࡚㸪ࣜࢨ࣮ࣂ࣮ࢱࣥࢡࡲ࡛࡟ᚎࠎ࡟ ᗘኚ໬ࢆ྾཰ࡋ㸪ᖹᆒ໬ࡍࡿࡇ࡜࡛㧗⢭ᗘ࡟ ᗘไᚚࡀ࡛ࡁ࡚࠸ࡿ࡜࠸࠼ࡿࠋ
25.5
25.4

(1)෭෾ᶵ㻌

25.3

Chill water Temp. [䉝]

25.2
25.1
25.0
24.9

ࡀ࠶ࡗࡓ[7]ࠋ
௒ᚋࡢㄢ㢟࡜ࡋ࡚ࡣ㸪ࣜࢨ࣮ࣂ࣮ࢱࣥࢡ࠿ࡽ෭༷
⟠ᡤࡲ࡛ࡢ㛫ࡢ㓄⟶࡟ࡣ᩿⇕ᮦࢆᕳ࠸࡚࠸ࡿࡀ㸪ⱝᖸ ᗘኚ໬ࡀⓎ⏕ࡋ࡚࠸ࡿྍ⬟ᛶࡀ࠶ࡿࠋࡑࡇ࡛෭
༷㒊ධຊ┤๓㸪┤ᚋ࡛ࡢ ᗘࣔࢽࢱ࣮ࢆ⾜࠸㸪 ᗘࢆᚤㄪᩚࡍࡿࡇ࡜࡛ࡉࡽ࡟Ᏻᐃ໬ࡀྍ⬟࠿࡝࠺࠿᳨
ウࢆ⾜࠺ணᐃ࡛࠶ࡿࠋPXRⓎ⏕⏝ࢱ࣮ࢤࢵࢺ⤖ᬗ෭༷⣔ࡣ㸪Ỉ ኚື㸪㧗Ỉᅽ࡟ࡼࡿ㓄⟶᣺ືࡢᙳ㡪࠿ࡽ⢭ᐦ ㄪ⣔࠿ࡽษࡾ㞳ࡋ㸪⡆᫆ⓗ࡞పᅽ෭༷⿦⨨࡬⨨᥮࠼࡚࠸ࡿࡀ㸪⢭ᐦ ㄪ෭༷⣔࠿ࡽࡢὶ㊰ࢆ☜ಖḟ➨㸪෌ᗘ⨨᥮࠼ࡿணᐃ࡛࠶ࡿࠋࡲࡓ㸪ࢡࣛ࢖ࢫࢺࣟࣥࡸ㸪ࢲ࣑࣮࣮ࣟࢻࡢ෭༷࡟ࡣ⢒ ㄪࢆ⏝࠸࡚࠸ࡿࡀ㸪௒ᅇࡢ෭༷⣔Ᏻᐃ໬ࢆ㋃ࡲ࠼㸪⢒ ㄪࢆ⢭ᐦ ㄪ໬ࡋRF※⣔ࡢỈ Ᏻᐃ໬ࡶ᳨ウ୰࡛࠶ࡿࠋ

24.8
24.7

1.3
24.6
24.5

෭෾ᶵ⣔ᨵⰋᚋ

ᨵⰋ๓

1.2

30.10

30.08

(2)⢭ᐦ

IonChamber Output [arb. unit]

24.4

ㄪ㻌

30.06

Fine cooling water Temp. [䉝]

30.04

30.02

1.1

1

0.9

0.8

30.00

෭෾ᶵ䞉⢭ᐦ

29.98

ㄪᨵⰋᚋ㻌

0.7
29.96

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Time[sec]

29.94

ᅗ4㸸⢭ᐦ ㄪᨵⰋᚋࡢPXRග※ᙉᗘࡢẚ㍑ࠋᏳᐃ
໬ᚋࡣኚືᖜࢆ±2%௨ୗ࡟ᢚ࠼࡚࠸ࡿࠋ

29.92

29.90

29.96029.955(3)䝸䝄䞊䝞䞊䝍䞁䜽㻌ᮏ◊✲ࡣ㸪ᩥ㒊⛉Ꮫ┬Ꮫ⾡ࣇࣟࣥࢸ࢕࢔᥎㐍஦ᴗ(⥅⥆)(ᖹᡂ17㹼19ᖺᗘ)ࠕྍኚἼ㛗㧗㍤ᗘ༢Ⰽග※ࡢ㧗ᗘ฼⏝࡟㛵ࡍࡿ◊✲ࠖࡢᨭ᥼ࢆཷࡅ࡚⾜ࡗࡓࠋReserver water Temp. [䉝]29.95029.94529.940ཧ⪃ᩥ⊩

29.935[1] T.Tanaka, et al., "᪥ᮏ኱Ꮫ㟁Ꮚ⥺฼⏝◊✲᪋タࡢ⌧≧",in these proceedings.
[2] Y.Hayakawa, et al., "Tunable Monochromatic X-ray Source
Based on Parametric X-ray radiation at LEBRA, nihon
University", AIP Conf. Proc. 879,123(2007).
ᅗ3㸸(1)෭෾ᶵ㸪(2)⢭ᐦ ㄪㄪᩚᚋࡢ ᗘኚ໬࡜㸪[3] Y.Hayakawa,et al.,"Status of the parametric X-ray generator(3)ࣜࢨ࣮ࣂ࣮ࢱࣥࢡෆỈ ኚ໬ࠋ෭෾ᶵ±0.4Υ௨ෆ㸪
at LEBRA, Nihon University"Nuclear Instruments and⢭ᐦ ㄪ±0.04Υ௨ෆ࡟ㄪᩚࡢ⤖ᯝ㸪ࣜࢨ࣮ࣂ࣮ࢱ
Methods in Physics Reaserch B 252(2006) 102-110.
ࣥࢡ࡛±0.01Υ௨ୗ࡟ᢚ࠼ࡿࡇ࡜ࡀ࡛ࡁࡓࠋ
[4] T.Kuwada, et al., "Phase Contrast Imaging of Biological
Materials
using
LEBRA-PXR",
AIP
Conf.
Proc.879,1968(2007)㸲㸬ࡲ࡜ࡵ࡜௒ᚋࡢㄢ㢟[5] M.Inagaki,"PERFORMANCE EVALUATION OF DXAFS⢭ᐦ ㄪ㹼෭෾ᶵ㛫ࡢỈ ᕪࢆ⊃ࡃ㸪ୟࡘ෭Ỉᚠ
MEASUREMENT USING PARAMETRIC X-RAY
RADIATON",Proc. 31st Linear Accel. Meeting in⎔⣔ࡢ୍㒊ࢆᡠࡋ㸪⢭ᐦ ㄪ㹼ຍ㏿⟶࣭㟁☢▼⣔ࡢ
Japan,(August 2-4, 2006, Sendai Japan),p526-528.
㛫࡟኱ᐜ㔞ࡢࣜࢨ࣮ࣂ࣮ࢆ௓ࡍࡇ࡜࡛෭෾ᶵ࠿ࡽࡢ
[6]
T.Sakai,
et al., "IMPROVEMENT OF WATER COOLING
ᗘኚ໬ࢆᖹᆒ໬ࡋ྾཰ࡍࡿࡇ࡜ࡀ࡛ࡁ㸪⢭ᐦ ㄪ
SYSTEM FOR LEBRA LINAC",Proc. 31st Linear Accel.
Ỉ ᗘࢆ±0.01Υ௨ୗ࡛㧗⢭ᗘㄪᩚ࡛ࡁࡓࠋ
Meeting in Japan,(August 2-4, 2006, Sendai Japan),p765⢭ᐦ ㄪᏳᐃ໬ࡢ⤖ᯝ㸪ຍ㏿ჾഃࡢᏳᐃ໬࠿ࡽຍ
767.
㏿ࣅ࣮࣒ࡶᏳᐃ໬ࡉࢀ㸪ᅗ4࡟♧ࡍࡼ࠺࡟㸪PXRග
[7] T.Sakai, et al., "Diffraction-Enhanced-Imaging Using※ᙉᗘࡢኚືࡣ㸪෭෾ᶵ㸪⢭ᐦ ㄪᨵⰋ๓ࡢs15%㸪
Parametric X-ray Radiation Generated by Medium Size෭෾ᶵᨵⰋᚋࡢs10%࡟ẚ࡭㸪s2%௨ୗࡲ࡛ᢚ࠼ࡿ
Linac",JSNDI Spring Conference 2007,(May 22-23, Tokyo,
Japan),p101-104.
ࡇ࡜ࡀ࡛ࡁࡓࠋࡲࡓ㸪PXRࢆ⏝࠸ࡓDEI࡟ࡼࡿ ᐃ
29.93029.92529.920
16:00

16:30

17:00

17:30

18:00

࡛ࡣ㸪᧜ᙳീࡀ㩭᫂࡟࡞ࡾᏳᐃ໬࡟ࡼࡿ኱ࡁ࡞ຠᯝ

-855-

NIM B
Beam Interactions
with Materials & Atoms

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 252 (2006) 102–110
www.elsevier.com/locate/nimb

Status of the parametric X-ray generator at LEBRA,
Nihon University q
Y. Hayakawa a,*, I. Sato a, K. Hayakawa a, T. Tanaka a, A. Mori b,
T. Kuwada a, T. Sakai a, K. Nogami a, K. Nakao a, T. Sakae caLaboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science,
Nihon University, Narashinodai 7-24-1, Funabashi 274-8501, Chiba-ken, Japanb
College of Pharmacy, Nihon University, Funabashi 274-8555, Japanc
School of Dentistry at Matsudo, Nihon University, Matsudo 271-8587, Japan
Received 12 January 2006; received in revised form 29 June 2006
Available online 1 September 2006

Abstract
A parametric X-ray radiation (PXR) generator system was constructed in 2001 in a dedicated beamline connected to the 125 MeV
electron linac of the Laboratory for Electron Beam Research and Application at Nihon University. This generator system consists of
two perfect-silicon-crystal plates mounted on precisely moving mechanical setup to achieve a wide tunability. The experimental operationof the PXR generator started early in 2004; X-rays were ﬁrst observed through this device in April 2004. Application studies using the
PXR beam from a 100 MeV electron beam have been conducted since July 2004. Preliminary results suggest the possibility of applying
the PXR to advanced X-ray imaging and to the measurement of X-ray absorption ﬁne structure.
 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.
PACS: 41.60.m; 41.50.+h; 29.17.+w
Keywords: PXR; Electron linac; Coherent X-ray source; XAFS

1. Introduction
Parametric X-ray radiation (PXR) is a phenomenon
that results from the polarization of crystalline media irradiated with relativistic charged particles [1–3]. The radiation has a quasi-monochromaticity that depends on theangle between the velocity of the charged particle and the
crystal planes. The directivity of the X-ray emission is similar to that of other radiations from relativistic particles.
The characteristics of PXR have been investigated experiq

This work is supported by the ‘‘Academic Frontier’’ Project for Private
Universities: matching fund subsidy from MEXT, 2000–2004 and 2005–
2007.
*
Corresponding author. Tel.: +81 47 469 5983; fax: +81 47 469 5490.
E-mail address: yahayak@lebra.nihon-u.ac.jp (Y. Hayakawa).
0168-583X/$ - see front matter  2006 Elsevier B.V. All rights reserved.
doi:10.1016/j.nimb.2006.07.010

mentally at various institutes [4–10]. Most experiments,
however, have been performed using temporary measurement systems set up for the direct observation of X-rays
from the target crystal. In the case of an observation withsecondary monochromatization, a LiF crystal was used as
the second crystal [11].
A PXR-based X-ray source has been developed at theLaboratory for Electron Beam Research and Application(LEBRA) at Nihon University [12]. This project is basedon the 100 MeV-class electron linac constructed for the
production of a visible to near-infrared free electron laser(FEL); the PXR generator has been set up on a dedicatedbeamline [13]. The PXR generator has a double-crystal system with a (+, ) parallel arrangement similar to a doublemonochromator for synchrotron radiation [14,15]. The
ﬁrst crystal is the target irradiated with the electron beam

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 102–110

and the second crystal is the reﬂector for PXR from thetarget. This double-crystal system provides tuned X-rays
through a ﬁxed extracting port. An experimental study ofthe system was begun at the end of 2003. X-rays were ﬁrst
successfully observed through the device in April 2004. The
electron beam energy in the experiment was 100 MeV, thebeam current was about 90 mA, the pulse duration 20 ls
and the reputation rate 2 Hz [16]. Application studies using
the PXR beam have been conducted since July 2004. A
Si(1 1 1)–Si(1 1 1) system arranged in Bragg geometry is currently in use for PXR production.
This paper reports on the qualitative properties of the
PXR beam obtained from the device. In addition, typicalresults of several applications using the PXR beam aredemonstrated.
2. Status of the linac and the PXR beamline
The electron linac of LEBRA has relatively good performance for a conventional middle-class machine because it
has been developed for an FEL [13,17]. Table 1 shows
the typical operational condition of the LEBRA linac for
PXR experiments. The electron beam from the linac has
the advantages of high current and low emittance in the
production of PXR.
The PXR beamline is connected to the linac behind a90 bending section, which acts as an energy analyzer, as

Table 1
Parameters of the LEBRA linac for PXR experiments
Electron energy
Acceleration frequency
DC gun voltage
Macropulse duration
Electron bunch length
Macropulse beam current
Repetition rate
Average current
Normalized emittance (rms)
Energy spread

100 MeV2856 MHz
100 kV
620 ls610 ps100 mA
2–5 Hz65 lA
620 p mm mrad
61%

103

shown in Fig. 1. The X-ray beamline is separated fromthe electron beamline by the double-crystal system in thevacuum chamber. The X-rays are transported to the next
room through a 2 m-thick concrete wall. This geometry
reduces background radiation from the beam dump.
3. Observation of the PXR beam
Since the PXR generator is a pulsed X-ray source dependent on the duty cycle of the electron linac, it is diﬃcult toapply a photon-counting method using a scintillator or asolid-state detector to the observation of a PXR beam.
The signals of such detectors easily pile up in the macropulse of 20 ls duration. Hence, we used a simple ion chamber ﬁlled with argon gas to detect X-rays. Although this ion
chamber was not calibrated with regard to the absolutedose rate, it was suﬃcient to measure relative variationsof the X-ray intensity. As shown in Fig. 1, X-rays wereextracted through a polyimide window 125 lm in thickness
and the measurements were carried out in air.
To discriminate the X-ray signals from the background,scanning measurements for the second crystal angle were
performed. Fig. 2 shows typical results of the measurement; the center energy of the PXR beam was 13.5 keV(Fig. 2(a)) and 9.0 keV (Fig. 2(b)), respectively. In thisexperiment, 100 MeV electron beams with macropulse
duration of 18 ls were used and the relative intensity of
the X-rays was estimated from the pulse height of the ion
chamber signal due to one macropulse. In Fig. 2, each solid
circle and the error bar are deﬁned by the average and thestandard deviation of 10 events, respectively. The angular
distributions of the X-ray yield observed had widths
approximately equal to those of the calculations for an
ideal electron beam [14]. In addition, the angular distribution in the case of the higher energy tends to be wider inboth the experimental results and the calculations. Consequently, we concluded that the observed X-rays could be
attributed to PXR. The shapes of the peaks had tails that
seemed to be caused by the divergence and/or the trajectory ﬂuctuation of the electron beam. Especially, theFig. 1. Layout of the PXR generator and the dedicated beamline. Relative X-ray yields are measured using an ion chamber. The X-ray images are takenwith photo ﬁlm or an imaging plate.

104

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 102–110–6

13.5 keV

4

calc.

2

0

4

2

8.4

0

8.425

Calculated yield [photon/e]

X-ray intensity [a.u.][×10 ]

2nd crystal angle [deg.]plates (IP). For an ideal electron beam, the proﬁle of the
PXR beam from the double-crystal system is hollow, asshown in Fig. 3 [14]. The actual PXR beam, however,has the proﬁle shown in Fig. 4, which was observed when
the X-ray energy at the beam center was 13.5 keV. Here,the X-ray beam size is restricted by the area of the X-ray
extraction window with a diameter of 98 mm. The proﬁleof the PXR beam is rather uniform except for a discontinuous change in brightness across the horizontal direction.
The uniform proﬁle also suggests that the eﬀect of the multiple scattering might be considerable even in the doublecrystal system.

–6

9.0 keV

6

calc.

10

4
5
2
0

12.7

12.72

0
12.74

Calculated yield [photon/e]

X-ray intensity [a.u.][×10 ]

2nd crystal angle [deg.]
Fig. 2. A comparison between the X-ray intensity (solid circle) and thecalculated rocking curves for 1 mm-thick target crystal (solid lines); the
X-ray energies are (a) 13.5 keV and (b) 9.0 keV, respectively. These areexpressed as functions of the second crystal angle.

Table 2
Speciﬁcations of the PXR generator
Target crystal

Si perfect crystal

Crystal thickness
TargetReﬂector
Spacing between the electron and
the X-ray beamlines

0.2 mm
5 mm
200 mmX-ray energy range
Si(1 1 1)
Si(2 2 0)
Diameter of the X-ray extraction window

Fig. 3. Typical spatial proﬁle of X-ray beam produced by the two-crystal
PXR generator using Si(1 1 1) planes if the PXR energy is 13.5 keV, where
both axes are described in units of 0.2 mrad.

4–20 keV
6.5–34 keV
98 mm

contribution from electrons multiple-scattered in the target
crystal seems to be signiﬁcant.
In Table 2 the speciﬁcation of the PXR generator isshown. As shown in Fig. 1, the spacing between the electron and the X-ray beamlines is 200 mm and the X-ray
extraction window has a diameter of 98 mm. Thus far,Si(1 1 1) planes have been used for both the target and thereﬂector; the energy tunability of the X-rays has experimentally been conﬁrmed in the range of 6–20 keV.
4. X-ray imaging using the PXR beam
To investigate the properties of the PXR beam, X-ray
imaging was carried out using photo ﬁlms or imaging

Fig. 4. The proﬁle of the direct PXR beam at the energy of 13.5 keV taken
by an imaging plate (IP) for 20 min under the condition of an average
electron beam current of 4 lA.

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 102–110

105

x-ray energy [keV]

14

13.5

13
–5
Fig. 5. The X-ray image of Au mesh supports for an electron microscope,
which has wire spacing of 100 lm, observed using an 11 keV PXR beam
and an X-ray CCD whose exposure time was 10 min for the average beam
current of 4 lA. The wire diameter is almost equal to the CCD unit size of
24 lm.

Besides the uniformity, the X-ray image taken by the
PXR beam has rather good position resolution. An X-ray
image of Au mesh supports, which are for an electron
microscope, is shown in Fig. 5 as an example. In this case,
the PXR energy was 11 keV and an electronic-cooling-type
X-ray CCD was used as an imaging device; the average
electron beam was estimated to be 4 lA; the exposure
time of 10 min in real time corresponded to the total macropulse duration of 24 ms. Despite the 50 mm distance
between the sample and the CCD element, the mesh wiresof 100 lm spacing are clearly deﬁned in Fig. 5. In the caseof PXR, the electron beam spot on the target behaves as apoint-like source. The X-ray monochromaticity and thepoint-like source result in good spatial resolution of the
X-ray image.
Because of the advantages mentioned above, the X-ray
beam from the PXR beam is suitable for imaging. In
particular, the energy tunability is useful for obtaining
information about object density in imaging applications.
Another advantage is the relatively large exposure area of
98 mm in diameter.

05horizontal direction [mrad]Fig. 6. The energy distribution in the PXR beam from the Si(1 1 1)–
Si(1 1 1) system at the Bragg angle of 8.4 as a function of the horizontal
emission angle, the center of which corresponds to the exact Bragg
condition.

depends almost linearly on the angle /2h for ﬁxed h if
b is approximately equal to 1 and / is close to 2h. The
PXR beam from the double-crystal system has the same
property and the typical energy distribution is shown in
Fig. 6.
The energy distribution in the PXR beam can explain
the change in brightness across the horizontal plane in
Fig. 4. Since an IP contains BaFBr in the luminescencelayer, the sensitivity of an IP changes discontinuously at
the K absorption edge of bromine. Similar results using a
PXR beam of 9 keV for a copper foil and a zinc foil isshown in Fig. 7. Because of the K absorption edge ofCu, the X-ray absorption due to the copper foil increases
drastically at energy higher than 8.98 keV. On the other
hand, the absorption due to the zinc foil is almost ﬂat, since

5. Spatial energy distribution in PXR beam
According to kinematic theory, PXR has an energyresolved spatial distribution [18]. If both the electron velocity v and the reciprocal lattice vector g of the target crystal
are in the horizontal plane, one can express the PXR
energy hx in the case of the Bragg angle h, which is the incident angle of the electron into the crystal plane, as in thefollowing equation [5]:hx ¼

c jgj sin hh;
1  b cos /ð1Þ

where c* is the light speed in the target medium and b = jvj/c*; / is the angle between the electron velocity and the
X-ray direction. According to Eq. (1), the PXR energy

Fig. 7. X-ray absorption image of a copper foil and a zinc foils using a
PXR beam with energy of approximately 9 keV at the center; the imaging
device was IP and the exposure time was 20 min.

106

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 102–110

the X-ray energy in the PXR beam is lower than the Kabsorption edge of Zn. In these images, the K-edges
obtained were well-deﬁned despite the uniformity of the
X-ray beam attributed to the electron beam divergence.
The high resolution of the energy distribution can be
explained by a simple geometrical discussion on the double-crystal system with the (+, ) parallel arrangement.
For / = 2h, i.e. the Bragg condition in Eq. (1), the PXR
energy is approximately equal to the Bragg energy
hx B = 
hc*jgj/2sinh. Diﬀerentiating Eq. (1) with respect tothe angle / givesﬁrst-order approximation, even though the incident anglesof the electrons are slightly diﬀerent. Thus, the resolutionof the X-ray dispersion is eﬀectively maintained when theelectron beam is well focused on the target and the distance
L between the target crystal and the detection plane is sufﬁciently large. Hence, the actual electron beam spot size on
the target crystal restricts the energy resolution of the PXRbeam.

dðhxÞ
hc jgjb sin h sin /b sin /
¼
:
¼ hx
2
d/
1
 b cos /ð1  b cos /Þ

Since the X-ray production of the PXR generator is limited by the duty cycle of the linac, the average intensity israther low. However, PXR beam characteristics, such as
tunability and monochromaticity, may make advanced
application possible. We therefore carried out several
experiments for the demonstration.

ð2Þ

Around the Bragg condition, therefore, a slight diﬀerence
Dh of the angle / shifts the PXR energy tob sin 2hhx0 ¼ hxB þ DDhhx  
hx B 1 
1  b cos 2h


Dh

hx B 1 
;
ð3Þ
tan h
where b  1 is used in the last approximation. This situation is illustrated in Fig. 8(a). In contrast, Fig. 8(b) describes the case in which the incident angle of theelectron changes from h to h + Dh. In this case, the X-ray
beam axis itself moves, involving an energy shift to
dð
hxB Þ
hc jgj cos hhx00  hxB þ
Dh ¼ 
hx B þ
Dhdh
2 sin2 hDh¼hx B 1 
:
tan h

ð4Þ

Comparing Eq. (4) with Eq. (3) indicates that the energies
of X-rays emitted in the same direction are equal within theelectronbeam

1st crystalθθ

6. Applications of the PXR beam

6.1. XAFS measurement
Considering the energy dispersion with high resolution
discussed above, measurement of X-ray absorption ﬁne
structure (XAFS) is a possible application of the PXRbeam [18]. Therefore, we have attempted XAFS experiments similar to energy-dispersive XAFS (DXAFS) usinga polychromator [19,20]. This measurement was performed
simply by obtaining the X-ray absorption image of striplike samples using the X-ray CCD as shown in Fig. 9. In
this experiment, the samples are pure copper foils of
5 lm thickness and cupric sulfate (CuSO4) solution conﬁned in gel; the X-ray energy was set around the K-edgeof Cu. The measurement conditions were an electron macropulse intensity of 100 mA, a duration of 10 ls and a repetition rate of 2 Hz, which corresponded to the averageΔθ electron
beamΔθ
2nd crystal

2θ + Δθ
θ + Δθ

hω'

θ

hω

θ

θ + Δθ

θ + Δθ

L

hω"

L

hω

Fig. 8. Schematic explanation for the X-ray energy shift caused by (a) the intrinsic dispersion property of PXR and (b) the incident angle variation of theelectron.

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 102–110

107

simplicity of the measurement, another advantage of the
PXR beam is that the XAFS spectra of two or more
samples can be obtained simultaneously. Such XAFS
measurement using X-ray imaging seems to be one of themost promising applications of the X-ray beam from the
PXR generator.
6.2. Fluorescence analysis

Fig. 9. X-ray absorption image of pure copper foils and CuSO4 gel, which
was obtained around the K absorption edge of Cu using an X-ray CCD
for an exposure time of 40 min.

current of 2 lA. The image in Fig. 9 was obtained with theexposure time of 40 min. Because of the linear energy
gradient across the horizontal plane, the XAFS spectra ofthese samples can be obtained directly from the X-ray
image in Fig. 9. Fig. 10 shows the horizontal proﬁle ofthe X-ray image brightness for each sample, where the
X-ray energy is calibrated by applying Eq. (3) to the geometry of this experiment. The spectrum of pure copper,
which is the average of two samples, has a shape like thatof the X-ray absorption near-edge structure (XANES) of
Cu. On the other hand, the chemical energy shift of Cu2+
is observed in the spectrum of the CuSO4 solution. These
results indicate that the energy resolution in this measurement was better than a few eV at least. In addition to the

In X-ray ﬂuorescence analysis, a tunable X-ray beam
should be useful for reducing the background ﬂuorescence
except that of target atoms. We therefore performed anexperiment on X-ray ﬂuorescence analysis in the setup displayed in Fig. 11. In this measurement, a brass sample wasirradiated with a PXR beam of 9.1 keV or 9.8 keV and a
Si–PIN-type solid-state detector (SSD) was prepared forthe spectroscopy of the ﬂuorescence X-rays from the sample. Here, the PXR beam was reﬂected by a third Si(1 1 1)
plate in order to reduce incoming c-rays and the neutron
background into the sample and the detector. Due to theadvantage of the (+, , +) arrangement, a strong reﬂectionof the X-rays can be obtained within a narrow angularwidth of the third crystal [21]. As a result, the X-ray spectra
shown in Fig. 12 were obtained for 1000 s in real time
under the conditions of a 2 Hz repetition rate of the electron macropulse with 100 mA current and 20 ls duration.
Since the detector used in these measurements can resolve
only one event per macropulse, the maximum number ofobservable events in this case was limited to 2000 for each
spectrum. In the case of 9.8 keV PXR (Fig. 12(b)), there are
two peaks of Cu Ka and Zn Ka, the energies of which are
8.0 keV and 8.6 keV, respectively, except that of the PXR
itself. In contrast, the absence of the Zn Ka peak is shownin Fig. 12(a). Although the PXR energy of 9.1 keV is higher
than the Zn Ka energy, it is lower than the K absorption
edge of Zn (9.661 keV) [22]. Although the eﬃciency ofthe measurement is strongly restricted by the linac pulse
structure, this result demonstrates one of the advantagesof tuned X-rays in ﬂuorescence analysis.

1

Si (111)μτ [a.u.]Cu

PXR beam

Kabs energy

0.5

9.1 keV or 9.8 keV

Cu: 8.981 keV
Zn: 9.661 keV

CuSO4

0

SSD (Si-PIN)
8.98

9

9.02

X-ray energy [keV]
Fig. 10. XAFS spectra of pure Cu (solid line) and CuSO4 (broken line)
obtained from the X-ray image in Fig. 9, where the X-ray energy iscalibrated using Eq. (3).

brass
Fig. 11. Experimental setup for the measurement of ﬂuorescence X-rays
from a brass sample irradiated with the PXR beam of 9.1 keV or 9.8 keVusing a Si–PIN-type SSD.

108

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 102–110

Counts30

sample: brassCu

PXR energy: 9.1 keV

20
10

PXR

0
0

10
X-ray energy [keV]Zn30

sample: brass

CountsCu

PXR energy: 9.8 keV

20
10

20

PXR

0
0

10

20

X-ray energy [keV]
Fig. 12. Spectra of the ﬂuorescence X-rays from a brass sample irradiatedwith PXR beams of (a) 9.1 keV and (b) 9.8 keV, respectively. The
measurement time of 1000 s for each spectrum corresponded to 2000 macropulses of the electron beam from the linac.

6.3. Edge enhancement eﬀect in X-ray imaging
Recently, an advanced form of X-ray imaging, calledphase-contrast imaging, has been of special interest. Various techniques for applying phase-contrast have beendeveloped using spatial coherency of high-performancesynchrotron radiation [23–27]. At the ﬁrst stage of ourstudy on X-ray imaging using PXR coherency, we
attempted refraction-contrast imaging, which is a kind ofphase-contrast eﬀect. The experimental setup is illustrated
in Fig. 13 and an acrylic plate of 1.5 mm thickness was used
as a sample object. As a result, contrast enhancement wasobserved at the edge of the object as shown in Fig. 14. Sucha phenomenon, of course, is possibly caused by Compton
scattering or secondary radiation due to high-energy crays. However, the inﬂuence of secondary charged particles
from the acrylic plate is negligible because of a 120 mmthick air layer and a 0.5 mm-thick Be window between

120 mmPXR beam

XCCD
Extraction port
Acrylic plate(thickness: 1.5 mm)
Fig. 13. Setup for the measurement of the edge enhancement eﬀect due toan acrylic plate of 1.5 mm thickness using the X-ray CCD.

Fig. 14. Typical result of the edge enhancement eﬀect due to a 1.5 mmthick acrylic plate in the case of PXR energy of 12 keV. The image wastaken by the X-ray CCD with an exposure time of 10 min.

the object and the X-ray CCD. In addition, the edge
enhancement tends to depend on the incident PXR energy,
which is deﬁned as the X-ray energy at the center of the
PXR beam, as shown in Fig. 15. The shape of the contrast
proﬁles and the dependency on the X-ray energy probably
provide evidence that the enhancement was attributable tothe interference of refracted X-rays. These results suggestthat PXR has suﬃciently good coherency for phase-contrast imaging.
7. Photon yield in the PXR beam
To investigate the photon yield and the spectrum of the
PXR beam with 10 keV energy from the double-crystal
system, spectroscopy for the PXR beam itself has been
attempted using the Si–PIN SSD in the experimental setup
shown in Fig. 16. Similar to the results of the experimentusing ﬂuorescence analysis, the PXR beam was reﬂectedby the third Si(1 1 1) plate to reduce the inﬂuence of c-ray
and neutron background on the detector. Furthermore,an aluminum foil stack with a total thickness of 1.15 mm
was placed in front of the detector as an X-ray absorberto prevent detector pile-up events. The results of the experiment are shown in Fig. 17, where the peaks corresponding
to the fundamental (1 1 1), third (3 3 3) and fourth (4 4 4)
harmonic reﬂections appear. The spectrum is from raw
data obtained for 2013 s in real time under the conditionsof 100 mA electron macropulse intensity, 20 ls durationand 2 Hz repetition rate. The maximum number of events
that the detector could detect during this series 4026 eventswas equal to the number of electron macropulses.
In this case, the transmittance of X-rays against 180 cmthick air and 1.15 mm-thick Al is 1.2 · 104 for 10 keV and
0.67 for 30 keV; the SSD eﬃciency is 0.85 for 10 keV
and 0.09 for 30 keV. Taking account of the transmittanceY. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 102–110

9 keV

–1

0

10 keV1–10

position [mm]1

position [mm]13.5 keV

12 keV–10
position [mm]

109

1

–1

0
position [mm]1Fig. 15. Normalized proﬁles of the brightness around the edge of the acrylic plate in the X-ray CCD images, such as Fig. 14, observed in same geometry at
diﬀerent X-ray energies.

counts40

1st (230counts)

detector: SSD(Si–PIN)
measurement time: 2013 s
absorber: Al 1.15 mm

3rd(216counts)

20

4th(35connts)

0
0

20

40

X-ray energy [keV]

Fig. 16. Measurement setup for spectroscopy and photon counting of the
PXR beam with the energy of 10 keV using a Si–PIN-type SSD.

and detector eﬃciencies, the photon rates of the fundamental and the third harmonics coming into the detector
window are roughly estimated to be 560 (photons/macropulse) and 0.89 (photons/macropulse), respectively. Since
the detector’s active area is 7 mm2 and the distance between
the ﬁrst target crystal and the detector is 9 m, these values
correspond to 6.5 · 103 [photons/(macropulse mrad2)] for
10 keV and 10 [photons/(macropulse mrad2)] for 30 keV,
respectively. Considering the uniformity of the PXR beam
proﬁle, the total number of available photons of the fundamental reﬂection at the PXR exit window is estimatedFig. 17. Raw spectrum of the 10 keV PXR beam obtained using the SSD
arranged as shown in Fig. 16. The measurement time of 2013 s in real timecorresponded to 4026 events of the electron macropulse.

at roughly 9 · 105/macropulse, which corresponds to
7 · 108 photons/electron. This value is an order magnitude less than the theoretical yield from a target with aneﬀective thickness of 0.1 mm. The reliability of this estimation, however, is low because it dose not include the reﬂectance of the third crystal, the detector saturation due to thesignal pile-up and/or the high-energy background, themisalignment of the detector setup and the inﬂuence ofthe linac stability. In addition, this measurement system,
consisting of three silicon perfect-crystal plates, was sensitive to thermal ﬂuctuation around the target and/or to
the experimental room temperature. Therefore, the above
values of the photon yields may be underestimations.

110

Y. Hayakawa et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 102–110

So far, we have observed no phenomena that seem
attributable to other radiation processes such as selfdiﬀracted bremsstrahlung and transition radiation in the
X-ray energy range of 6–20 keV. This may suggest thatsuch processes are negligible compared with PXR in thecase of a 100 MeV electron beam.
8. Summary
We have developed a PXR generator based on the
LEBRA linac and successfully observed PXR throughthe device. Although the quantitative analysis of the PXRbeam has not been suﬃcient yet, the qualitative properties,
such as tunability from 6 to 20 keV and the spatial distribution with a linear energy gradient across the horizontal
plane, have been experimentally conﬁrmed.
Several preliminary experiments have been performed todemonstrate PXR applications. The results suggest thepossibility of advanced applications, such as phase-contrast imaging and XAFS measurement. Since it is diﬃcult
to obtain a high photon density from the PXR beam without a complicated focusing system, measurement methods
using imaging devices are important for the eﬀective useof available photons. Furthermore, a time-resolved measurement such as the pump-probe method may be suitable
for a linac-based X-ray source.
Acknowledgements
This work was supported in part by MEXT.KAKENHI(15760039, 17760058 and 17760059). The PXR application
studies were also ﬁnancially supported by a Grant-in-Aid
for Scientiﬁc Research Program from Nihon University(Sogo: 04-019 and 05-029, TS).
References[1] M.L. Ter-Mikaelian, High-energy Electromagnetic Processes inCondensed Media, Wiley Interscience, New York, 1972.
[2] V.G. Baryshevsky, I.D. Feranchuk, Nucl. Instr. and Meth. 228 (1985)
490.
[3] H. Nitta, Phys. Lett. A 158 (1991) 270.
[4] Y.N. Adishchev, V.A. Verzilov, A.P. Potylitsyn, S.R. Uglov, S.A.
Vorobyev, Nucl. Instr. and Meth. B 44 (1989) 130.
[5] A.V. Shchagin, V.I. Pristupa, N.A. Khizhnyak, Phys. Lett. A 148(1990) 485.
[6] R.B. Fiorito, D.W. Rule, X.K. Maruyama, K.L. DiNova, S.J.
Evertson, M.J. Osborne, D. Snyder, M.A.P.H. Rietdyk, A.H. Ho,
Phys. Rev. Lett. 71 (1993) 704.
[7] I. Endo, M. Harada, T. Kobayashi, Y.S. Lee, T. Ohgaki, T.
Takahashi, M. Muto, K. Yoshida, H. Nitta, A.P. Potylitsin, V.N.
Zavaev, T. Ohba, Phys. Rev. E 51 (1995) 6305.

[8] Y. Hayakawa, M. Seto, Y. Maeda, T. Shirai, A. Noda, J. Phys. Soc.
Jpn. 67 (3) (1998) 1044.
[9] J. Freudenberger, H. Genz, L. Groening, P. Hoﬀmann-Stascheck, W.
Knüpfer, V.L. Morokhovskyi, V.V. Morokhovskyi, U. Nething, A.
Richter, J.P.F. Sellschop, Nucl. Instr. and Meth. B 119 (1996)
123.
[10] J. Freudenberger, H. Genz, V.V. Morokhovskyi, A. Richter, J.P.F.
Sellschop, Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 270.
[11] B. Sone, Y. Danon, R.C. Block, Nucl. Instr. and Meth. B 227 (2005)22.
[12] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, H.
Nakazawa, K. Yokoyama, K. Kanno, T. Sakai, in: Proc. of 12th
Symp. on Accelerator Science and Technology, Wako, Japan (1999),
p. 391.
[13] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, H. Nakazawa, K.
Yokoyama, K. Kanno, T. Sakai, K. Ishiwata, A. Enomoto, S.
Fukuda, S. Ohsawa, K. Tsuchiya, M. Kato, Nucl. Instr. and Meth. A
483 (2002) 29.
[14] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, Nucl. Instr. andMeth. B 227 (2005) 32.
[15] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, Y.
Matsubara, H. Nakazawa, K. Yokoyama, K. Kanno, T. Sakai, K.
Ishiwata, H. Inokawa, Y. Nakamura, K. Nakao, E. Hashimoto, K.
Fujioka, T. Murakami, in: Proc. of the 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Tsukuba, Japan (2001) p. 110 (in Japanese).
[16] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, K. Yokoyama, T.
Kuwada, A. Mori, K. Nogami, T. Sakai, K. Kanno, K. Ishiwata, K.
Nakao, in: Proc. of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator
Society of Japan and the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan,
Funabashi, Japan (2004) p. 60 (in Japanese).
[17] K. Hayakawa, T. Tanaka, K. Sato, Y. Matsubara, I. Kawakami, I.
Sato, S. Fukuda, S. Anami, T. Kurihara, T. Kamitani, S. Ohsawa, A.
Enomoto, S. Toyama, M. Nomura, Y. Yamazaki, K. Yamada, M.
Ikezawa, Y. Sibata, M. Oyamada, Nucl. Instr. and Meth. A 375(1996) ABS 25.
[18] K.-H. Brenzinger, B. Limburg, H. Backe, S. Dambach, H. Euteneuer,
F. Hagenbuck, C. Herberg, K.H. Kaiser, O. Kettig, G. Kube, W.
Lauth, H. Shöpe, T. Walcher, Phys. Rev. Lett. 79 (1997) 2462.
[19] A. San-Miguel, M. Hagelstein, J. Borrel, G. Marot, M. Renier, J.
Synchrotron Rad. 5 (1998) 1396.
[20] A. Yamaguchi, Y. Inada, T. Shido, K. Asakura, M. Nomura, Y.
Iwasawa, J. Synchrotron Rad. 8 (2001) 654.
[21] A. Mori, Y. Hayakawa, A. Kidokoro, I. Sato, T. Tanaka, K.
Hayakawa, K. Kobayashi, H. Ohshima, Measurement of the energy
distribution of parametric X-ray radiation from a double-crystal
system, this Topical Issue, doi:10.1016/j.nimb.2006.08.013.
[22] C.M. Lederer, V.S. Shirley (Eds.), Table of Isotopes, seventh ed.,Wiley, New York, 1978.
[23] J. Baruchel, P. Cloetens, J. Härtwig, W. Ludwig, L. Mancini, P.
Pernot, M. Schlenker, J. Synchrotron Rad. 7 (2000) 196.
[24] K. Mori, N. Sekine, H. Sato, D. Shimao, H. Shiwaku, K. Hyodo, H.
Sugiyama, M. Ando, K. Ohashi, M. Koyama, Y. Nakajima, J.
Synchrotron Rad. 9 (2002) 143.
[25] M.G. Hönnicke, L. Rigon, R.-H. Menk, C. Cusatis, J. SynchrotronRad. 12 (2005) 701.
[26] Y. Suzuki, N. Yagi, K. Uesugi, J. Synchrotron Rad. 9 (2002) 160.
[27] A. Yoneyama, T. Takeda, Y. Tsuchiya, J. Wu, T.-T. Lwin, A.
Koizumi, K. Hyodo, Y. Itai, Nucl. Instr. and Meth. A 523 (2004)
217.

NIM B
Beam Interactions
with Materials & Atoms

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 252 (2006) 118–123
www.elsevier.com/locate/nimb

Measurement of the energy distribution of parametric
X-ray radiation from a double-crystal system
Akira Mori a,*, Yasushi Hayakawa b, Akio Kidokoro b, Isamu Sato b,
Toshinari Tanaka b, Ken Hayakawa b, Kouji Kobayashi a, Hisashi Ohshima abaCollage of Pharmacy, Nihon University, Narashinodai, Funabashi, Chiba 274-8555, Japan
Laboratory for Electron Beam Research and Application, Nihon University, Narashinodai, Funabashi, Chiba 274-8501, Japan

Received 12 January 2006; received in revised form 18 July 2006
Available online 28 September 2006

Abstract
A parametric X-ray radiation (PXR) generator system was developed at the Laboratory for Electron Beam Research and Applications (LEBRA) at Nihon University; this PXR generator system is a tunable wavelength and quasi-monochromatic X-ray source constructed as one of the advanced applications of the LEBRA 125-MeV electron linear accelerator. The PXR beam which has characteristicof energy distribution.
The theoretical values of energy distribution obtained at the output port were calculated to be approximately 300 eV and 2 keV at thecentral X-ray energies of 7 keV and 20 keV, respectively. In order to investigate the energy distribution, several measurements of the
X-ray energy were carried out. The X-ray absorption of known materials and that of thin aluminum has been evaluated based on analyses of images taken using an imaging plate.
The X-ray energy was deduced base on the identiﬁcation of the absorption edges, and the energy distribution was estimated based on
measurements using aluminum step method. In addition, an X-ray diﬀraction method using a perfect silicon crystal was employed, andspectra were measured using a solid state detector (SSD). The results of these experiments agreed with the calculated results. In particular, the well-deﬁned absorption edges in the X-ray images and the typical rocking curves obtained by the measurement of the X-ray
diﬀraction indicated that the distribution has a high-energy resolution.
Ó 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.
PACS: 41.60.m; 41.50.+h; 29.17.+w
Keywords: Parametric X-ray radiation; Energy distribution; Linear gradation

1. Introduction
LEBRA has a PXR [1–3] generator system [4,5]. The
electron beam generated by the thermion discharge wasaccelerated to 100 MeV by a pre-buncher, buncher andthree 4-m acceleration tubes. This electron beam irradiateda perfect-crystal of silicon (1 1 1). As a result, PXR was generated in the direction in which it met the Bragg requirement. It is generally known that the PXR energy isdetermined by the angle between the crystal and the*Corresponding author. Tel.: +81 47 469 6046; fax: +81 47 469 5490.
E-mail address: mori@pha.nihon-u.ac.jp (A. Mori).

0168-583X/$ - see front matter Ó 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.
doi:10.1016/j.nimb.2006.08.013

electron beam. Therefore, the energy can be changed byrotating the target crystal.
A double-crystal system was introduced as a system thatcarried the generated PXR to the experimental site [6,7].
The system is composed of two crystal wafers controlled
by monometers, as shown in Fig. 1. By such as approach
it is possible to extract PXR of various wavelengths used
for a ﬁxed port. Taking into account the monochromaticity, silicon perfect-crystal plates have been used both as targets and as reﬂectors. Thus, the ﬁrst observation of X-ray
repetition from the PXR generator was achieved in 2004
using the system of measurement described here and asimple ion chamber [8].

A. Mori et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 118–123

119

Fig. 1. Double-crystal system.

Table 1aParameters of LEBRA liner accelerator for PXR experiments

14.0

100 MeV2856 MHz
100 kV
20 ls
10 ps
100 mA
2–5 Hz
5 lA
20p mm mrad
1%

Energy [keV]

Beam energy
Acceleration frequency
DC gun voltage
Maximum pulse duration
Bunch length
Macropulse beam current
Repetition rate
Average current
Normalized emittance (rms)
Energy spread

13.5

13.0
-40

-20
0
20
Position from center [mm]40Fig. 2. Calculated energy distributions (center energy: 13.5 (keV)).
Table 1b
Parameters of LEBRA PXR experiments system
Target crystal
Second crystal
Beam line length
The atmospheric pressure ofbeam line
Diameter of beam line
Material of outlet

Silicon (1 1 1) (diameter 100 mm,
thickness 200 lm)
Silicon (1 1 1) (diameter 100 mm,
thickness 1 mm)
7500 mm106 Pa
98 mm
Polyimide (thickness 200 lm)

At present, the achieved level of X-ray energy ranges
between 5 keV and 20 keV. The speciﬁcations of the present PXR generator system and the accelerator are shownin Table 1.
2. Characteristics and energy distribution of PXR
The present PXR beam at LEBRA is a quasi-monochromatic X-ray source that can be generated from an accelerator [9–14]. In addition, it exhibits high-quality directivity
and unique energy distribution. The energy was found toremain constant in vertical direction. The horizontal direction was calculated according to the following equations[10,15]; a representative example of the calculation results
is shown in Fig. 2.
If both the electron vector v and the reciprocal lattice
vector g of the target crystal are along the horizontal plane,
one can express the PXR energy 
hx in the case of the Bragg

angle h, which is the incident angle of the electron into the
crystal plane, following,
hx ¼

hc j g j sin h;
1  b cos /ð1Þ

where c* is the light speed in the target medium and b =jvj/c*; / is the angle between the electron velocity and the
X-ray direction. According to Eq. (1), the PXR energy
depends almost linearly on the angle /–2h for ﬁxed h if b
is approximately equal to 1 and / is close to 2h. For /= 2h, i.e. the Bragg condition in Eq. (1), the PXR energy
is approximately equal to the Bragg energy hxB = 
hc*jgj/2 sinh. Diﬀerentiating Eq. (1) with respect to the angle /givesdðhxÞ hxb sin /¼:d/1  b cos /ð2Þ

Around the Bragg condition, therefore, a slight change
Dh of the angle / shifts the PXR energy toDh0hx ¼ hxB þ Dhx  hxB 1 
;
ð3Þ
tan h
where b  1 is used in the last approximation.
The energy at the center was 13.5 keV in this case. The
linear energy gradation is horizontally; it was therefore
possible to measure the XAFS without altering the stateof the PXR source.
The energy distribution of PXR is measured using various methods. The energy distribution results and a review

120

A. Mori et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 118–123

of the results obtained with each respective method are discussed below.
The following methods were employed for the present
series: Imaging of X-ray absorption edges, imaging of aluminum-step absorption, X-ray diﬀraction using perfect silicon crystal plates, and measurement of the spectra with asolid-state detector (SSD).
3. Results and discussion
3.1. Imaging of X-ray absorption edges
The PXR energy has a linear, horizontal. The X-ray
absorption edge was examined through radiography. The
brightness of the radiograph changed drastically at the
X-ray absorption edge. This energy was already known.
Therefore, the absolute value of the energy is generally
obtained from the observed position.
Bromine was used in a representative experiment. Theenergy at the K-absorption edge is known to be 13.47
keV. The bromine was contained in the emulsion of the
Polaroid ﬁlm. Then, the center of energy of the PXR was
adjusted to 13.5 keV, and the PXR was used to irradiate
the Polaroid ﬁlm.
When the energy of the X-ray was lower than that of theK-absorption edge, little absorption of X-rays wasobserved. Therefore, the image darkened. Abundantabsorption of X-rays was observed when the energy
exceeded the K-absorption edges. Therefore, the brightnessof the image increased. It is possible that the site of thismarkedly altered energy was at the K-absorption edge.
The distance between the PXR output port and thePolaroid ﬁlm was 50 mm. A Polaroid 57 ﬁlm (ASA 3000)
was used in the present series. The center energy of the
PXR was set at 13.2 keV, as based on calculations. The
PXR was used for 1800-s irradiation. Fig. 3(a) shows sucha photograph. The diameter of the exposed region shownin the ﬁgure was 98 mm. In the horizontal direction, we
observed a marked variation in brightness at the K-absorption edge. In the vertical direction, the brightness remained
unchanged. Fig. 3(b) shows a radiographic image taken
when the center energy of PXR was set at 13.85 keV.
Dramatic variation in the brightness at the K-absorption

Fig. 3. Imaging of X-ray absorption edges. (a) Radiograph (the center
energy of PXR was set from the calculation to 13.2 keV). (b) Radiograph(the center energy of PXR was set from the calculation to 13.85 keV). The
diameter in the exposed part is 98 mm.

edge shifted horizontally, according to the energy levels
observed. The vertical direction remained consistent.
Due to the energy distribution, the contrast in the X-ray
image changed at the absorption edge in the horizontal
direction. The X-ray energy in the vertical direction isalmost constant. These features are useful for the energy
calibration of the PXR emitted from the present doublecrystal system; moreover, the accuracy of the system sechedseveral eV. It was not possible to measure the energy distribution in this case.
All materials have K-absorption edges and L-absorption
edges. If these edges are combined, it is necessary to determine the absolute value of the energy. The following materials were used in the PXR generation area of LEBRA:
K-absorption edge: Mn (6.538 keV) to Mo (20.000 keV)andL-absorption edge: Nd to Cf.
The following materials were examined in the present
study.
K-absorption edge: Fe (7.111 keV), Cu (8.981 keV), Zn(9.661 keV), Br (13.474 keV), Sr (16.105 keV) and Y(17.039 keV)
L-absorption edge: Gd, Yb, W, Au and Pb.

3.2. Aluminum-step absorption imaging
The absorption coeﬃcient is known to be dependent on
the X-ray energy. Therefore, the absorption coeﬃcient
could be measured by using ﬁlters with diﬀerent thicknesses. As a result, the energy could be estimated basedon the absorption coeﬃcient. The aluminum step method
is a standard method, and the absorption coeﬃcient wasmeasured easily. If the energy was measured at several
points, the energy distribution could be estimated. The vertical direction revealed no energy change. Therefore, if a
section was imaged in the vertical direction, the diﬀerencein the permeability of an energy-constant region could beobtained.
The distance between the aluminum steps and the PXR
output port was 200 mm. The distance between the aluminum steps and the imaging plate (IP) was 5 mm. The measurements were carried out under ambient pressure. The IP
is a product of Fuji ﬁlm (MS-2000), and its special resolution is 50 lm squared. Fig. 4(a) shows the irradiated imageof the aluminum steps. The aluminum steps had the following thickness: 24, 48, 96, 192 and 384 lm. The center
energy of the PXR was set at 7.00 keV, based on the calculation Eq. (3). The PXR was irradiated for 900 s. The diameter of the exposed region was 98 mm.
The contrast in the section examined at this step was
measured at several sites. These results were normalized,
and ﬁt by an exponential. The energy in this respect wasestimated for the absorption coeﬃcient, from which theexponential ﬁtting was obtained. Fig. 4(b) shows the resultsof this step. The solid line represents the results of the theoretical calculations, and the dots indicate the results of theA. Mori et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 118–123

Fig. 4. (a) A radiograph of aluminum steps absorption. (b) A measurement of energy gradation (center energy: 7 (keV)).

experimental measurements. These two sets of results
showed good agreement.
A linear energy gradation was observed when the aluminum step method was used. The measurement results
agreed with the calculated results.
3.3. X-ray diﬀraction using perfect silicon crystals
Fig. 5(a) provides an illustration of the experiment
design.

PXR beama double-crystal system
Si(1 1 1)
Si(1 1 1)

Electron beam
PXR beam
OutletSi(1 1 1)

Electron beamoutletSi(1 1 1)

arrangement +-+arrangement +--Fig. 5. The experiment arrangement X-ray diﬀraction method using asilicon perfect-crystal: (a) Arrangement ‘‘+  +’’. (b) Arrangement ‘‘+ 
’’.

121

The distance between the third perfect-crystal silicon(1 1 1) and the PXR output was 1050 mm. The distance
between the silicon perfect-crystal and the ion chamber
was 750 mm. These sessions were conducted under ambientpressure. The angle of the silicon crystal was controlled bya motor controlled in a step-wise manner (0.0001° steps).
The PXR irradiation was at 20 ls (1 pulse).
There were two arrangements of the third crystal. Fig. 5
shows these two types of arrangement. Fig. 5(a) shows thearrangement indicated as ‘‘+  +’’, and Fig. 5(b) shows thearrangement indicated as ‘‘+  ’’. h represents the angle
between the PXR beam line and the silicon crystal face.
The diﬀerences between the results obtained with thesearrangements were examined (Fig. 6). The center energyof PXR was set at 9.98 keV. The arrangement ‘‘+  ’’(Fig. 6(a)) had a 0.13° width and a 0.15-V peak strength.
The arrangement ‘‘+  +’’ (Fig. 6(b)) had a 0.002° widthand a 5.5-V peak strength. The arrangement ‘‘+  +’’has a peak strength that was 37 times that of arrangement‘‘+  ’’. The width of arrangement ‘‘+  +’’ was very
narrow, i.e. 1/65.
With the arrangement ‘‘+  +’’, a very sensitive rocking
curve was obtained. As arrangement ‘‘+  ’’, the regionin which it met the Bragg requirements for energy extension in the PXR source was limited. The arrangement ‘‘+ +’’ met the Bragg requirements for the entire crystal face
for the energy extension at any given angle.
Fig. 7 shows the results obtained when a Polaroid picture of the PXR beam reﬂecting arrangement ‘‘+  +’’was taken. A black oval indicates a shadow of the crystal.
The right white oval indicates an image of the refraction.
Reﬂection occurred on all aspects of the crystal in thebeam. The distribution of energy was theoretical in thesecases. Therefore, the rocking curve of the other energies
was measured using the arrangement ‘‘+  +’’.
The energy and Bragg angle at the center are assumed to
be E and h. The diﬀerence of energy from the center isassumed to be DE, the refraction angle in the second crystal
becomes h + Dh.
When incident on the third crystal of the arrangement‘‘+  +’’, the angle meets the Bragg requirement withh + Dh. The strength of reﬂection X-ray increases because
it reﬂects by all aspects of silicon face. On the other hand,Fig. 6. Diﬀerence of rocking curve between the two kinds of arrangements (center energy: 9.98 (keV)). (a) An arrangement ‘‘+  +’’. (b) An arrangement‘‘+  ’’.

122

A. Mori et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 118–123

where h is the angle of the incident X-ray and hB is just the
Bragg angle. This is well known as the Darwin curve.
Filled circles indicate the rocking curve measurement.
The dashed line indicates the theoretical diﬀraction widthof silicon (1 1 1). Good agreement between the calculationand the experimental measurements was observed. Therefore this method is considered to be suitable for achieving
highly accurate measurements of the energy.
The present results indicate that the diﬀraction of the
PXR strongly depends on the crystal arrangement. It is
expected that the energy resolution is very high along thehorizontal.
3.4. Measurement of spectra using SSD

Fig. 7. Radiograph using the PXR beam that reﬂects by the arrangement‘‘+  +’’ with a Polaroid ﬁlm.

the angle of incidence becomes h  Dh, and it does notmeet a Bragg requirement. Therefore, it reﬂects from a partof the crystal face and it becomes a weak reﬂected light.
As shown in Fig. 8, the angular distributions of the
X-ray yield widths approximately equal that of the calculated ones [6].
According to the dynamical theory of X-ray diﬀraction,
the reﬂectivity Ig/I0 of the perfect single crystal in the symmetrical Bragg case is described byW ¼

sin 2hBv0ðh  hB Þ þ:j P jj vg jj P jj vg j

Fig. 9 shows an arrangement of the measurements using
the SSD. The silicon crystal reﬂected the PXR beam
because the background noise was decreased. The distance
between the silicon perfect-crystal and the PXR output
port was 1050 mm. A distance between the silicon perfect-crystal and the SSD was 750 mm. The angle of thesilicon perfect-crystal met the Bragg reﬂection requirements. The SSD was made of pin-silicon (XR-100CR). A
1.15-mm aluminum ﬁlter was set up ahead of the SSD; thiswas done in order to prevent detector pile-up. The output

ð4Þ

P = 1: for r-polarization
P = cos 2hB: for p-polarizationIg¼ 1 if j W j < 1;
I0
pﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃ2
Ig 2¼ jWj  W21
I0

ð5Þotherwise;

Fig. 8. Comparison between measured rocking curves and theory
calculation. Filled circles show the measured rocking curve. Dashed line
shows theoretical diﬀraction width of silicon (1 1 1). (a) Center energy: 7.00
(keV). (b) Center energy: 16.00 (keV).

Fig. 9. The experimental arrangement using SSD.

Fig. 10. Energy measured by SSD (The center energy of PXR: 10.00 keV).

A. Mori et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 252 (2006) 118–123

signals of the SSD were acquired with a multi-channel analyzer (MCA).
Fig. 10 shows the results obtained by using thisapproach. The center energy of the PXR was set up as
10.00 keV based on the calculations. The PXR irradiation
was applied for 1000 s. The calibration of the SSD was
set at 55Fe. There were strong spectra at 10 keV (fundamental refraction) and 30 keV (third harmonic refraction).
The fundamental refraction was approximately 2260 times
stronger than the third harmonic refraction, when thetransmittance of the absorber was taken into account.
4. Conclusions
The energy distribution of PXR agreed with the theoretical measurements. The horizontal direction indicated a linear gradation.
The vertical direction indicated no energy change.
The energy of the PXR beam from the double-crystal
system was also measured.
The imaging of absorption edges revealed that the absolute energy could be measured.
The aluminum step method revealed that the energy distribution could be measured in an approximate manner.
Diﬀraction using a perfect-crystal gave results that thehigh-energy resolutions of the PXR beam.
Spectroscopy using a SSD showed that the center ofenergy could be estimated.
The experimental measurement of the energy distribution of the PXR agreed with the results of the theoretical
calculations.
Along the horizontal axis, the energy distribution had alinear gradation, and along the vertical axis, the energy distribution remained constant.
Acknowledgments
We express gratitude for Dr. T. Sakai, Dr. K. Nogami
and Dr. K. Nakao to control the accelerator. The development of this X-ray source has been supported by the‘‘Academic Frontier’’ Project for Private Universities:

123

matching fund subsidy from MEXT, 2000–2004 and2005–2007. Part of the work was also supported by MEXT.
KAKENHI(17760059).
References[1] M.L. Ter-MIkaelian, High-energy Electromagnetic Processes inCondensed Media, Wiley-Interscience, New York, 1972.
[2] V.G. Baryshevsky, I.D. Feranchuk, Nucl. Instr. and Meth. 228 (1985)
490.
[3] H. Nitta, Phys. Lett. A 158 (1991) 270.
[4] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, H.
Nakazawa, K. Yokoyama, K. Kanno, T. Sakai, in: Proceedings of
12th Symposium on Accelerator Science and Technology, Wako,
Japan, 1999, p. 391.
[5] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, H. Nayakawa,
K. Yokoyama, K. Kanno, T. Sakai, K. Ishiwata, A. Enomoto,S. Fukuda, S. Ohsawa, K. Tsuchiya, M. Kato, Nucl. Instr. and Meth.
A 483 (2002) 29.
[6] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, Nucl. Instr. andMeth. B 227 (2005) 32.
[7] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, Y.
Matsubara, H. Nakazawa, K. Yokoyama, K. Kanno, T. Sakai, K.
Ishiwata, K. Nakao, in: Proceedings of 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Tsukuba, Japan, 2001, p. 110 (in Japanese).
[8] Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, K. Yokoyama,
T. Kuwada, A. Mori, K. Nogami, T. Sakai, K. Kanno, K. Ishiwata,
K. Nakao, M. Kato, in: Proceedings of 29th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Funabashi, Japan, 2004, p. 60 (in Japanese).
[9] Y.N. Adishchev, V.A. Verzilov, A.P. Potylitsyn, S.R. Uglov, S.A.
Vorobyev, Nucl. Instr. and Meth. B 44 (1949) 130.
[10] A.V. Shchagin, V.I. Pristupa, N.A. Khizhnyak, Phys. Lett. A 148(1990) 485.
[11] R.B. Fiorito, D.W. Rule, X.K. Maruyama, K.L. DiNova, S.J.
Evertson, M.J. Osborne, D. Snyder, M.A.P.H. Rietdyk, A.H. Ho,
Phys. Rev. Lett. 71 (1993) 704.
[12] I. Endo, M. Harada, T. Kobayashi, Y.S. Lee, T. Ohgaki, T.
Takahashi, M. Muto, K. Yoshida, H. Nitta, A.P. Potylitsin, V.N.
Zavaev, T. Ohba, Phys. Rev. E 51 (1995) 6305.
[13] Y. Hayakawa, M. Sato, Y. Maeda, T. Shirai, A. Noda, J. Phys. Soc.
Jpn. 67 (3) (1998) 1044.
[14] J. Freudenberger, H. Genz, V.V. Morokhovskyi, A. Richter, J.P.F.
Sellschop, Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 270.
[15] K.-H. Brenzinger, B. Limburg, H. Backe, S. Damach, H. Euteneneuer, F. Hagenbuck, C. Herberg, K.H. Kaiser, O. Kettig, G. Kube,
W. Lauth, H. Shope, T. Walcher, Phys. Rev. Lett. 79 (1997) 2462.

SYNCHROTRONRADIATION
INSTRUMENTATION
Ninth International Conference on
Synchrotron Radiation Instrumentation
Daegu, Korea

28 May - 2 June 2006

PART ONEEDITORSJae-Young Choi
Seungyu Rah
Pohang Accelerator Laboratory,
Pohang, Republic of Korea
SPONSORING ORGANIZATIONS
Korea Ministry of Science and Technology
Korea Synchrotron Radiation Users' Association
The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research
Daegu Metropolitan City
Daegu Convention and Visitors Bureau
Korea Tourism Organization
The Korean Physical Society

Organized by:Pohang Accelerator Laboratory andJapan Synchrotron Radiation Research InstituteMelville, New York, 2007
AIP CONFERENCE PROCEEDINGSVOLUME 879

Tunable Monochromatic X-ray Source Based on Parametric
X-ray Radiation at LEBRA, Nihon University l
Y. Hayakawa*, I. Sato*, K. Hayakawa*, T. Tanaka*, T. Kuwada*, T. Sakai*,K. Nogami*, K. Nakao*, M. Inagaki* and A. Mori1^* Laboratory for Electron Beam Research and Application, Nihon University, Narashinodai 7-24-1,
Funabashi 274-8501, Japant College of Pharmacy, Nihon University, Funabashi 274-8555, Japan
Abstract. The monochromatic X-ray source based on parametric X-ray radiation (PXR) was developed by using the electron
beam from the 125-MeV linac at Nihon University. The X-ray generating system consists of two silicon perfect-crystal plates
to offer a wide tunability. The system has actually been providing the energy dispersive monochromatic X-ray beam in theregion of 6 to 20 keV, using Si(l 1 l)-plane for the target and the second crystals. Since the X-ray beam from the PXR generator
has rather high energy resolution and coherency, X-ray absorption fine structure (XAFS) measurement and phase-contrast
imaging are possible applications of PXR. Actually, preliminary experiments on energy dispersive XAFS measurement andrefraction-contrast imaging have been successfully carried out using the PXR beam.
Keywords: new X-ray source, PXR, perfect crystal, middle-class linac, XAFS, phase-contrast imaging, coherent X-ray source
PACS: 41.60.-m, 41.50.+h, 29.17,+w, 61.10.Ht, 87.64.Rr

INTRODUCTION
The 125-MeV S-band electron linac of the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA)
at Nihon University has relatively high performance for a conventional machine, since the linac was developed forgeneration of free electron laser [1]. Due to limitation of the electron energy, however, it is difficult to generate tunable
monochromatic X-rays by using ordinary methods such as synchrotron radiation. The alternative X-ray production
method employed at LEBRA is the use of parametric X-ray radiation (PXR), which is a kind of transition radiationfrom crystalline medium [2, 3]. The radiation has the advantages of monochromaticity, directivity and continuous
tunability. Since the energy of PXR depends on the Bragg angle defined by the angle between the velocity of theincident electron and the crystal planes, a double-crystal system with a (+, —) arrangement was developed as a PXR
generator to offer a wide tunability [4]. The first crystal is the target irradiated with the electron beam from the linac,
and the second crystal is the reflector for PXR from the target. The system has been set up on the dedicated beamline,
which provides tuned X-rays through the fixed extracting port. Figure 1 shows the layout of the PXR beamline. The
parameters of the PXR system are listed in Table 1. The experimental operation of the PXR generator started early in2004 using Si(l 11) planes for both the target and the reflector. The energy of the X-rays has actually been tunable in
the range of 6 to 20 keV [5]. Application studies using the PXR beam have been conducted since July 2004.
The X-ray beam at the exit port has almost the same transverse size as the window inner diameter of 98 mm dueto the angular divergence of PXR which depends on the electron energy. The irradiation field has rather large area asa tunable X-ray source. In addition, the profile of the PXR beam in the irradiation area is quite uniform. Therefore,
the X-ray beam from the PXR generator is suitable for imaging [6]. Actually, X-ray radiography is one of the main
applications of the PXR beam at LEBRA. Figure 2 shows X-ray images taken using the PXR beam.
Since the PXR beam has a linear energy dispersion with high resolution, measurement of X-ray absorption finestructure (XAFS) is a possible application of the PXR beam. In addition, high coherency of PXR makes possible
phase-contrast imaging using Bragg diffraction. These are the most promising applications of the X-ray beam fromthe PXR generator. In particular, the linac-based X-ray source has an advantage in a time-resolved measurement
because of the pulsed structure of the electron beam.

1

This work is supported by the "Academic Frontier" Project for Private Universities: matching fund subsidy from MEXT, 2000-2004 and 20052007.
CP879, Synchrotron Radiation Instrumentation: Ninth International Conference,edited by Jae-Young Choi and Seungyu Rah© 2007 American Institute of Physics 978-0-7354-0373-4/07/$23.00
123

FIGURE 1. Layout of the PXR generator and the dedicated beamline.
TABLE 1.

Specifications of LEBRA-PXR system

Electron beam energy
Electron macropulse
Electron average current
Electron beam normalized emittance
PXR energy using Si(l 11)
PXR beam size (a), the exit window

100MeV(typ.)
100 mA, 10 - 20 fjLS, 2 - 5 Hz (typ.)<5/xA< 207r mm mrad
4 - 2 0 keV
98 mm in diameter

DIFFRACTION PROPERTIES OF PXR
Due to the energy dispersion of PXR, the PXR beam can be efficiently transported using the Bragg diffraction byperfect crystals. The double-crystal system of the LEBRA-PXR generator was designed on the basis of the property.
Considering only the horizontal plane, the PXR energy hco and its differential coefficient with respect to the angle cj>
between the electron velocity and the X-ray direction are given by
hc*\g\s'm6
Tiuo •

1 — /3 cos cj) 'd(huu)

he* \g\(3 s'mO sine,d^(1 - / 3 c o s ^ ) 2

Tiuo -

1(1)

COS (J

respectively, where c* is the speed of light in the target medium and (3 = \v\/c*\ g and 6 are the reciprocal lattice
vector of the crystal and the Bragg angle, respectively. Here, (3 « 1 is used in the last approximation. Around the
Bragg condition, i.e., (j) = 20, a slight difference A# of the angle (j) shifts the PXR energy toTiuo1 = Tiuo + Ahuu « Tiuo&(TIUJ)A<9 « Tiu

1

sin 2(91 -cos2<9A^•.hull

A0
tan^

(2)

FIGURE 2. Typical radiographs using the PXR beam; (a) IC card at 11 keV; a sample slice of (b) a human tooth and (c) a rabbitbone with a titanium implant, respectively, at 9 keV.

124

On the other hand, the ordinary Bragg energy expressed by Tiuo = Tic* \g\/2sva0 is equal to the PXR energy in the caseof AO = 0. The X-ray energy Ttu" which satisfies the Bragg condition for the Bragg angle 0 + AO is approximated by
TIUJ"

hu> + -^—^ AO
dO

huj-

AO
tan#

hc* \g\ cos6
AO = Tiu[l2sin2<9(3)Comparison between eq. (3) and eq. (2) gives an important result that all of the X-rays from the target crystal satisfy the
Bragg condition at the same angle of the 2nd crystal in the (+, —) arrangement within the first-order approximation.
Owing to this property, the PXR beam can be reflected efficiently despite the relatively large divergence angle.
Furthermore, this discussion is applicable to the case with more than three crystals. Figure 3 shows the schematic
explanation of successive diffraction in the case of the three-crystal system with the (+,—,+) arrangement, and thetypical rocking curve which was measured with respect to the third crystal angle. The rocking curve has an angularwidth almost equal to the value deduced from the dynamical theory of X-ray diffraction.

Tico'//ft©

[x10"']

PXR beam

9 + A9^=29 + A9
11
8.115
3rd crystal angle [ deg.]

1 st crystal

FIGURE 3. Diffraction of a PXR beam in a (+, —, +) arrangement and typical rocking curve of the 3rd analyzer crystal.

ENERGY DISPERSIVE XAFS
According to eq. (2), the PXR energy is approximately a linear function of the X-ray emission angle in the horizontal
plane. Therefore, one can directly obtain XAFS spectra from X-ray images taken by the PXR beam with the energy
dispersion properly. This method is a kind of energy-dispersive XAFS (DXAFS) measurement. Figure 4 demonstrates
the results of the XAFS experiments for several samples using LEBRA-PXR system, where the X-ray energy wascalibrated by applying eq. (2) [7]. In addition to the energy-dispersive method, the linac-based X-ray source hasadvantages in time-resolved measurement compared with X-ray sources by synchrotrons or storage-rings.

(a)

(b)

Yb 2 0 3

CU

i ft
\\Js

jTx

CuS0 4

'

9000
9100
X-ray energy [ eV ]FIGURE 4. (a) X-ray absorption image of an Yb203 X-ray filter, C11SO4 gel, a Cu-Ni foil, and a pure Cu foil taken by animaging plate (negative images); (b) XAFS spectra of the samples obtained from the image.

PHASE-CONTRAST IMAGING
Phase-contrast imaging is another promising application of the PXR beam. This new technique of radiography
is based on detection of the phase shift of X-rays due to penetrating materials with different permittivity. Due to125

FIGURE 5. Comparisons between an absorption-contrast radiograph (a) and refraction-contrast images (b-d) of a leaf packagedin paraffin. The phase-contrast images were taken at different analyzer angles.

the high sensitivity to a slight difference in an object consisting of light materials, this imaging method is adequate toinvestigating biological materials. Considering the PXR diffraction properties, the 3rd analyzer crystal in the ( + , — , + )arrangement can detect the refraction of X-rays passing through a sample object which is placed in front of the analyzer.
Consequently, refraction-contrast imaging, which is a kind of phase-contrast imaging, is possible by the combinationof the PXR beam and the analyzer system in the ( + , —, + ) arrangement. Preliminary experiments of refraction-contrast
imaging using the PXR beam have already been performed; the typical results are shown in Fig.5 [8]. Thus far, thecontrast enhancement and the phase-reverse effect have actually been observed using the refraction-contrast method.

SUMMARY
The PXR generator was developed on the basis of the electron beam from the 100 MeV-class LEBRA linac. The
tunable monochromatic X-rays have actually been obtained from the system and served for user's applications since2004. The energy of the PXR beam has been tunable in the range of 6 to 20 keV. The PXR beam is suitable forapplication to X-ray radiography. In particular, DXFAS measurement and phase-contrast imaging are most promising
applications of the X-ray beam from the LEBRA PXR generator.

ACKNOWLEDGMENTS
This work was supported in part by MEXT.KAKENHI (15760039, 17760058, and 17760059). The PXR application
studies were also financially supported by a Grant-in-Aid for Scientific Research Program from Nihon University(Sogo:04-019 and 05-029, TS).

REFERENCES
1. Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, H. Nakazawa, K. Yokoyama, K. Kanno, T. Sakai, K. Ishiwata, A. Enomoto,S. Fukuda, S. Ohsawa, K. Tsuchiya, and M. Kato, Nucl. lustrum. Methods A 483, 29 (2002).
2. Y N. Adishchev, V. A. Verzilov, A. P. Potylitsyn, S. R. Uglov, and S. A. Vorobyev, Nucl. Instrum. Methods B 44, 130 (1989).
3. A. V. Shchagin, V. I. Pristupa, and N. A. Khizhnyak, Phys. Lett. A 148, 485 (1990).
4. Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, and T. Tanaka, Nucl. Instrum. Methods B 227, 32 (2005).
5. Y Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, K. Yokoyama, T. Kuwada, A. Mori, K. Nogami, T. Sakai, K. Kanno, K. Ishiwata,and K. Nakao, "PRESENT STATUS OF THE PARAMETRIC X-RAY GENERATOR AT LEBRA," in Proceedings of the 1st
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan., Funabashi, Japan,
2004, p. 60, (in Japanese).
6. Y Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T Tanaka, A. Mori, T. Kuwada, T Sakai, K. Nogami, K. Nakao, and T Sakae, Nucl.
Instrum. Methods B (to be published).
7. A. Mori, Y Hayakawa, I. Sato, T Tanaka, K. Hayakawa, T Kuwada, K. Kobayashi, and H. Ohshima, "DXAFS measurement
using radiograph by parametric x-ray radiation," in these proceedings., 2006.
8. T Kuwada, Y Hayakawa, K. Nogami, T. Sakai, T Tanaka, K. Hayakawa, and I. Sato, "Phase Contrast Imaging of Biological
Materials Using LEBRA-PXR," in these proceedings., 2006.

126

Dispersive XAFS Image Radiographby Parametric X-ray Radiation*Akira Mori1, Yasushi Hayakawa2, Isamu Sato2, Toshinari Tanaka2,
Ken Hayakawa2,Takao Kuwada2, Koji Kobayashi1,Hisashi Ohshima1
1

Pharmacy, Nihon University, Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8555, JAPAN
2
Laboratory for Electron Beam Research and Application, Nihon University,
Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501, JAPAN

Abstract. The parametric X-ray (PXR) generator system at Laboratory for Electron Beam Research and Application(LEBRA) in Nihon University is a variable-wavelength and quasi-monochromatic X-ray source, which was developed as
one of the advance applications of the 125-MeV electron linear accelerator. Since the first observation of the X-rays
generated by the system in April 2004, application studies have been performed using the PXR beam in the region from
6.0 to 20keV. The PXR beam extracted from the fixed output port of the generator has characteristic energy dispersion.
The theoretical energy spread at the output port with an inner diameter of 98mm changes approximately from 300eV to
2keV depending on central X-ray energy from 7keV and 20keV. The dispersion occurs linearly only in horizontal
direction, with a high energy resolution. The characteristics of the PXR beam from the generator suggest a possibility offor the kind of energy dispersive X-ray absorption fine structure (DXAFS) measurement using density distribution in theradiographs of materials. Using the uniform film of the sample materials, DXAFS can be deduced from the measurementof the horizontal density distribution in the radiograph due to the characteristics of the PXR beam. Since the PXR
generator system is based on the S-band liner accelerator, it has the potential for the time-resolved XAFS measurementwith several ten pico-second resolutions.
Keywords: DXAFS, Parametric X-ray, Energy distribution
PACS: 41.60.-m, 41.50.+h, 29.17.+w, 61.10.Ht

INTRODUCTION
At the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University, a tunable
monochromatic X-ray source was developed based on Parametric X-ray radiation (PXR) [1,2]. The PXR system wasconstructed with a dedicated beam line connected to the 100MeV - class electron linear accelerator of LEBRA.
Since the LEBRA-PXR source serves a tunable X-ray beam involving liner energy dispersion, X-ray absorption finestructure (XAFS) measurement is possible using an imaging device. This method is a kind of energy-dispersive
XAFS (DXAFS) which has recently been studied using bent-crystal polychrometers at several large synchrotron
facilities. In the case of the LEBRA-PXR, however, the energy dispersion of the X-ray beam is obtained using flatplane crystals and has a good linearity to the emission direction of X-rays. In a sample setup, one can obtain XAFS
spectra using the PXR beam from the LEBRA system, although the measurement requires large uniform samples.
Considering the large area of irradiation field of the PXR beam, imaging devices for radiography, such as an
imaging plate (IP), are useful for the detector in the DXAFS experiment using the PXR beam. We therefore carriedout preliminary experiments of DXAFS using the PXR beam and imaging devices such as an IP and an X-ray CCD.
This paper reports the results and discusses the properties of the LEBRA-PXR system with respect to XAFS
measurements.

CREDIT LINE (BELOW) TO BE INSERTED ON THE FIRST PAGE OF EACH PAPER
EXCEPT THOSE ON PP. 139 - 142, 481 - 484, 1195 - 1197, 1206 - 1209, 1531 - 1534,
and 1793- 1796

CP879, Synchrotron Radiation Instrumentation: Ninth International Conference,edited by Jae-Young Choi and Seungyu Rah© 2007 American Institute of Physics 978-0-7354-0373-4/07/$23.00

1841

CREDIT LINE (BELOW) TO BE INSERTED ON THE FIRST PAGE OF EACH PAPER

TABLE 1. Specifications of LEBRA-PXR system.
Typical electron energy
Average beam current
PXR generator target (first crystal)
PXR energy range ( Silicon (1 1 1) )PXR beam size (Output window)
Distance between PXR source to output window
Range of elements for XAFS measurement

100 MeVμ A
0.2mm thick Silicon (1 1 1)
4-20 keV
98 mm (diameter)
7.2 m
Ca to Mo (K-edge)
Sb to Cf (L-edge)≤5

ENERGY DISPERSIVE XAFS MEASURMENT USING PXRThe LEBRA-PXR system is a monochromatic X-ray source on the base of the 125-MeV electron liner
accelerator. PXR is a kind of radiation phenomena which result from the interaction between a relativist charged
particle and crystal medium. The radiation has high directivity and unique energy distribution.
If both the electron vector v and the reciprocal lattice vector g of the target crystal are along the horizontal plane,
one can express the PXR energy =ω in the case of the Bragg angle θ , which is the incident angle of the electron
into the crystal plane, following,=ω ==c * | g | sin θ
1 − β cos φ,(1)

where c* is the light speed in the target medium and β =| v | / c * ; φ is the angle between the electron velocity and
the X-ray direction. According to eq.(1), the PXR energy depends almost linearly on the angle φ − 2θ for fixed if
β is approximately equal to 1 and φ is close to 2 θ [3-5]. For φ = 2θ , i.e., the Bragg condition in eq. (1), the PXR
energy is approximately equal to the Bragg energy =ω B = =c * | g | / 2 sin θ .
Around the Bragg condition, the PXR energy shift due to slight difference Δθ of the angle φ is approximately
written by=ω ' = =ω B + Δ=ω ≈ =ω B (1 −

Δθ ,
)
tan θ

(2)

within the approximation β ≈ 1 .
Considering the reflection of X-rays by second crystal and the geometry of the system as shown in Fig.1(a),eq.(2) is replaced by the function of horizontal position x,=ω ' ≈ =ω B (1 +

1 x ,
・ )
tan θ L(3)

where L is the distance between the PXR source and the observation plane in the Fig.1(a). Figure 1(b) shows the
PXR energy as a function of the horizontal position which is accompanied with the results of the X-ray energy＋

2nd crystal

θ

7.05

PXR beam
0

θ+Δθ

X

VerticalΔθθ φ=2θ+Δθ
θ
Electron Beam

7.1

Horizontal－

energy[keV]

L

7

6.95
6.9
-30

:Measurment(Al step):calculation

-20

-10

0

10

20

30

Position from center[mm]1st crystal(a) Arrangement(b) energy distribution (Center energy is 7keV )FIGURE 1. PXR generated system with double crystal system1842

measurement using the absorption due to the Aluminum step. Using the distribution property, the XAFS spectrum of
the samples can be directly observed using imaging device. In the case of the LEBRA PXR system, the irradiation
field area has rather large area, of which diameter 98mm at the output port. Therefore the imaging plate (IP) is usefulfor imaging device.
The tunability of the PXR beam in the ranges of 4 keV to 20 keV makes possible XAFS measurement ofelements from Ca to Mo for K–absorption edge and from Sb to Cf for L –absorption edge. The dynamic ranges ofthe energy distribution are estimated to be 90 eV and 2.7 keV when the center energies are 4 keV and 20 keV. When
there are uniform samples as long as the PXR beam diameter, EXAFS can be measured.

EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION
To demonstrate DXAFS measurement using the PXR beam, several samples were prospered and theseabsorption images were taken in the simple setup as shown in Fig.2(a). Figure 2(b) shows the typical images of an
Yb2O3 X-ray filter, Cu-Ni alloy foil, a pure copper foil and CuSO4 gel In this case, the PXR energy was turned
around 9 keV and an IP (Yosida) with 50 um square area was used as the imaging device, the measurement
conditions were L1 of 600 mm and L2 of 20 mm. The time that had been required to take image was 1800 second.
The absorption edge of each sample was clearly defined and striped pattern were observed in the higher energy
region than the absorption edge. Figure 3(a) shows absorption spectra obtained from Fig.2(b), where the X-ray
energy was calculated by applying eq. (3). In the spectra of pure Cu and Cu - Ni alloy, the oscillators that seem to bea part of EXAFS of copper were observed. On the other hand, energy shifts of the absorption edges and sharp peaks
were observed in the spectra of CuSO4 and Yb2O3.These seems to be typical XANES spectra. In addition, the strong
absorption due to the L-absorption edge of Yb2O3 was also observed. The energy difference of Yb2O3 L -absorption
edge from Cu K-absorption edge obtained in the experiment was almost equal to the value of the “Table of
Isotopes”. These results suggest that the calculation can be easily performed by measured sample simultaneously.
The range irradiation field is one of the advantages of the DXAFS measurement using the PXR beam.
In other hand, Fig.3(b) shows the absorption spectra obtained using an X-ray CCD with an element size of 24 um
square and an active area of12 mm square. The time that had been required to take image was 900 second. The
DXAFS measurements for pure copper foil and CuSO4 gel were carried out under the condition that L1 and L2 were
480 mm and 180 mm, respectively. The energy range covered by the X-ray CCD is approximately 60 eV at 9 keV
because of the X-ray CCD action area. Although the use of the X-ray CCD is not efficient for wide-range EXAFS
measurement, the device is suitable for the XANES measurement become of the high position resolution.
In the case of the PXR source, both the electron beam size on the target and the position resolution of theimaging device restrict the energy resolution of DXAFS measurement. In particular, the electron beam size effect issignificant since it degrade the energy dependence itself. Assuming the diameter of the electron beam is 750μm. L is7650 mm at 9 keV, the energy resolution is estimated to be 3.93 eV. In order to improve the energy resolution,
smaller electron beam or larger distance L is required. The well forward electron beam has an advantage over thelong distance L because of the photon density and the compact measurement system. Perhaps, the destruction of the

Imaging Device
Output port

Samples

L1

L2(a) Arrangement of imaging(b) Image using IP
FIGURE 2. X-ray absorption image(The Yb2O3 X-ray filter, alloy ribbon of copper and nickel, the pure copper ribbon and
CuSO4. gel)1843

Yb 2O3

Cu + NiCu

1
Absorution

Absorption

1

CuSO4

0.5

pure-Cu

0.5
CuSO4

0

8950

9000 9050 9100
X-rayEnergy [eV]

9150

0
8.97

9200

(a) Obtain using IP

8.98

8.99
9
9.01
X-ray energy [keV]

9.02(b) Obtain using X-ray CCD
FIGURE 3. The absorption spectra

target crystal due to the electron beam may limit the energy resolution of the PXR dispersion.
Because the spatial resolution of the IP and the X-ray CCD are about 50μm and 24 μm, the energy resolution
attributed to the position resolution of the imaging device are estimated to be 1.16 eV and 0.56 eV respectively. In
the spec, the IP and the X-ray CCD are unquestionable for the energy resolution because the resolutions these
imaging devices are higher than the PXR source. Moreover, the resolution of the IP is more poor that of the CCD(Especially, XANES region). This is due to the problem of the device when IP is developed. It is necessary to use
wide view CCD used in synchrotron radiation facilities to request more detailed resolution.
The energy resolution when IP was used was worse than the result of using X-rays CCD. It is measured that thisdeterioration is not caused by the spatial resolution of the IP but by the distortion in the amplifier linearity of the IP
reader. Therefore, the improvement of the imaging device is also important for DXAFS measurement using
radiography techniques.

SUMMARY
There is a possibility that energy-dispersive XAFS (DXAFS) is obtained by taking the penetration image using
ribbon material without PXR generator scanning, because PXR has a straight line energy distribution. This method
can observe two or more material and authentic sample at the same time because the energy distribution in thevertical direction is constant. As a result of the experiment, the spectra pattern and the chemical shift was observed.
However, the energy resolution is decided the electron beam diameter and the imaging device.

ACKNOWLEDGMENTS
We express gratitude for Dr. T.Sakai, Dr. K.Nogami and Dr. K.Nakao to control the accelerator. The
development of this X-ray source has been supported by the “Academic Frontier” Project for Private Universities:
matching fund subsidy from MEXT, 2000-2004 and 2005-2007. Part of the work was also supported by
MEXT.KAKENHI(17760059).

REFERENCES
1. Y. HAYAKAWA, et. al., in: proc. Of 12th Symposium on Accelerator Science and Technology, Wako, Japan, 1999, p. 391
2. Y. Hayakawa et. al., Nucl. Instrum. Methods A 483 (2002) 29.
3. Y. Hayakawa,et.al., Nucl. Instrum. Methods B 227 (2005) 32.
4. M. L. Ter-MIkaelian, “High-energy electromagnetic processes in condensed media”, Wiley-Interscience, New York, 1972
5. Y.Hayakawa et.al. “Tunable Monochromatic X ray Source Based on Parametric X ray Radiation at LEBRA, Nihon
University”, in these proceedings.,2006

1844

Phase Contrast Imaging of Biological Materials using
LEBRA-PXR
T. Kuwada, Y. Hayakawa, K. Nogami, T. Sakai, T. Tanaka,
K. Hayakawa and I. Sato
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University,
Narashinodai 7-24-1,Funabashi 274-8501, Japan
Abstract. Phase contrast x-ray imaging is an important technique for investigation of materials consisted of light atoms,
such as soft biological tissues. The tunable monochromatic x-ray source based on Parametric X-ray Radiation (PXR),
which was developed at Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) in Nihon University,
provides x-rays with a high spatial coherence which is an essential property required for phase contrast imaging. In
preliminary experiment, refraction contrast images for leaf tissues of a tree and animal specimen have been obtained
successfully with the LEBRA-PXR x-rays. In the imaging system, the x-ray that passed through the sample once reflects
off the silicon perfect-crystal x-ray analyzer at the Bragg angle, and then enters the imaging plate. The bright-field andthe dark-field phase contrast images have been obtained by infinitesimal rotations of the analyzer, showing the evidenceof contrast reversal. Although the conventional radiograph by absorption contrast was also taken with the LEBRA-PXR,
significant differences are found between the radiograph and the phase contrast images.
Keywords: Parametric X-ray Radiation, phase contrast imaging
PACS: 87.64.Rr, 87.59.-e, 87.59.Bh

INTRODUCTION
The x-ray imaging, which provides information on internal structure without other additional destructive methods,
is an important diagnostic technique in medicine, biology and material science. In particular, phase contrast imaging
is utilized for observing light materials which are difficult to visualize with absorption imaging techniques. The
contrast in the conventional x-ray image results only from the difference of x-ray absorption depending on thedensity, the thickness or the composition in the object. However, the phase contrast imaging technique can provide
the additional contrast in the transmitted x-ray beam due to the phase difference resulted from inhomogeneousrefractive index in the object. Therefore, phase contrast imaging offers higher contrast and spatial resolution forlight materials such as biological tissues [1], though implementation of the new imaging technique requires thespatially coherent x-rays.
In the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) at Nihon University, a point-like x-ray
source has been developed on the basis of Parametric X-ray Radiation (PXR) from a high energy electron beam [2].
The LEBRA-PXR generator using a double-crystal system provides the monochromatic x-ray beam ranging from 6
to 20 keV. The x-ray beam of LEBRA-PXR has a wide exposure field, which is restricted by the x-ray extraction
window with diameter of 98mm, and has rather uniform dose in the exposure field. These characteristics of the
LEBRA-PXR suggest that the PXR beam is suitable for imaging applications. In fact, the x-ray absorption images
have been obtained for several materials using the LEBRA-PXR light source. Furthermore, the contrast
enhancement effect has been observed at the image for the edge of an acrylic plate, which suggests that the LEBRAPXR has a good coherency applicable for phase contrast imaging [3].
In preliminary
experimentfor phasecontrast
imaging with
contrast
imaging
has been
CREDITLINE(BELOW)
TO BE
INSERTED
ON LEBRA-PXR,
THE FIRST refraction
PAGE OF
EACH
PAPER
tested for the x-rays which transmitted through an object and being analyzed by a perfect crystal; only the x-rays
EXCEPT THOSE ON PP. 139 - 142, 481 - 484, 1195 - 1197, 1206 - 1209, 1531 - 1534,
satisfying the Bragg’s law for the diffraction can inject into the detector and contribute to the image formation [4].
andthe17931796
Using
imagingtechnique, the refraction contrast images for a few materials have been obtained successfully.

CP879, Synchrotron Radiation Instrumentation: Ninth International Conference,edited by Jae-Young Choi and Seungyu Rah© 2007 American Institute of Physics 978-0-7354-0373-4/07/$23.00

1968

CREDIT LINE (BELOW) TO BE INSERTED ON THE FIRST PAGE OF EACH PAPER

This paper discusses on the results of the refraction contrast images for biological materials obtained with the
LEBRA-PXR.

EXPERIMENTAL SETUP
The experimental setup for phase contrast imaging using the LEBRA-PXR is shown in Fig. 1, where the setup
was designed in a similar manner with the refraction contrast technique using an analyzer crystal as reported by
Bravin [4]. The x-ray beam is extracted through the extraction window with an inner diameter of 98 mm.
Horizontal size of the beam is restricted to 30 mm by a slit placed in front the sample. The sample is directly
irradiated by the x-ray beam without using a monochromator, since the LEBRA-PXR is horizontally energy resolved
monochromatic x-ray source. The x-ray passed through the sample is reflected by the analyzer crystal on thegoniometer when the incident angle of the x-ray satisfies the Bragg condition. Then the x-ray is detected with theimaging plate or with the ionization chamber, which depends on the experiment; imaging of the sample ormeasurement of the rocking curve of the analyzer crystal. The conventional radiographs are also obtained byremoving the analyzer crystal and placing the imaging plate instead. The spatial resolution of the imaging plates(CrossField Co., Ltd.) is 50 μm. The x-ray images in the experiment were taken at the exposure time of 30 min forthe x-rays with the energy of 14 keV.

FIGURE 1. Experimental setup for refraction contrast imaging with the LEBRA-PXR. The PXR beam passes through thesample, then being diffracted by a Si (111) analyzer crystal on the goniometer. The horizontal beam size is restricted to 30 mmby the slit of plastic blocks. The diffracted beam is detected by the imaging plate or the ionization chamber.

RESULTS AND DISCUSSION
In this experiment, X-ray imaging was tested for a few biological materials by using the LEBRA-PXR. Figure 2
shows the results of imaging for the dry specimen of a web spider, Araneus ventricosus. Figure 2-(a) is theconventional absorption image. Figs 2-(b) to 2-(e) are the refraction contrast images, each of which were taken at
the angle of the analyzer crystal specified on the rocking curve in Fig. 2-(f). Difference in the appearance of thedensity heterogeneities is observed among these refraction contrast images, which is obviously due to slightdifference of the diffraction angle. Especially the significant result is that the contrast reversal between the brightfield image (Fig. 2-(b)) and the dark-field image (Fig. 2-(e)) is clearly observed. The contrast reversal is also
obvious from the density distribution curves in Fig. 3-(f). These results suggest a high spatial coherency of the
LEBRA-PXR and demonstrate the usefulness of the x-ray optics dedicated to refraction contrast imaging with the
LEBRA-PXR. In this experimental setup for 14 keV x-ray beam, a relatively large imaging field of 10 x 25 mm has
been obtained by detecting the diffracted beam from the whole area of the analyzer crystal with a diameter of 70 mm.
However, a long exposure time is required due to low duty factor of the pulsed x-ray source which is generated by
the pulsed RF electron linac with the duration of 10 - 20 μs and the repetition rate of 2 Hz.
Although absorption contrast imaging can also visualize the specimen as shown in Fig. 2-(a), refraction contrast
imaging can enhance the contrast and the sharpness of the image as seen in Figs. 2-(b) to 2-(e), which has anadvantage in the study on the details of the specimen structure. Figure 3 shows the magnified views of the rectangle
regions indicated in Fig. 2, together with the density distribution curves along the horizontal lines indicated in theimages. Comparing with the absorption contrast image in Fig. 3-(a), details of specimen structures are observed in
the refraction contrast images, Fig. 3-(b) to 3-(e). For example, the distinction between the body wall (layered1969cuticle) and the internal structure (muscle etc.) is clearly visualized in the refraction contrast images. As shown in
Fig 3-(f), the density distributions in the refraction contrast images also exhibit the presence of the body walls
separately from the muscles, although the difference is not clear in the density distribution for the absorption
contrast image. These results prove that refraction contrast imaging based on the LEBRA-PXR is available forvisualization of light materials, which are difficult to be visualized by absorption contrast imaging, with a good
spatial resolution by detecting the contrast arising not only from pure absorption but from refraction in the bright andthe dark fields.

FIGURE 2. Difference of the x-ray images depending on the imaging techniques for the biological sample. (a): theconventional radiograph. (b)-(e): the refraction contrast images taken at the analyzer angles specified on the rocking curve in (f).
Relative x-ray intensity (with sample) are 100%, 50%, 25 %, and 12.5% for images (b), (c), (d) and (e), respectively. Magnified
view of the leg marked by the rectangle in (a)-(e) is shown in Fig. 3. (g): the dry specimen of a web spider, Araneus ventricosus
prepared for the imaging. The body length of the spider is about 12 mm.

1970

FIGURE 3. Magnified views of the images shown in Fig. 2. (a): the conventional radiograph which is mirror-reversed forcomparison. (b-e): the refraction contrast images corresponding to Fig. 2-(b) to 2-(e), respectively. (f): density distribution
curves along the white lines indicated in (a) to (e), which were obtained by using the R-AXIS display software (Rigaku Co.). The
arrows in (a)-(e) show the body walls of the spider’s leg, which is observed clearly in the refraction contrast images but not in theconventional radiograph. The body wall positions in the density curves are indicated by broken lines in (f). The structures seen
between the body walls in the images are the muscles in the leg.

CONCLUSION
The refraction contrast images were obtained by using the LEBRA-PXR, which proves that the LEBRA-PXR isthe spatially coherent x-ray source. These images have shown higher contrast and sharpness than the absorption
contrast image, which can provide information on the detailed structure of biological samples. Successful results onphase contrast imaging in the mid-size electron linac facility may provide for the possibility of therapeutic andcommercial applications of the imaging technique.

ACKNOWLEDGMENTS
The authors are grateful for rich information, experimental advices and technical supports from Dr. Y. Takahashi,
Dr. A. Mori and Dr. T. Sakae, working at Nihon University. This work was supported by “Academic Frontier”
Project for Private Universities: matching fund subsidy from MEXT (Ministry of Education, Culture, Sports,
Science and Technology), Japan, 2000-2004 and 2005-2007.

REFERENCES
1. R. Fitzgerald, Physics Today 53, pp. 23-26 (2000).
2. Y, Hayakawa, I. Sato, K. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, H. Nakazawa, K. Yokoyama, K. Kanno and T. Sakai, Proc. of 12th
Symposium on Accelerator Science and Technology, Wako, Japan, 1999, p.391.
3. Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, A. Mori, T. Kuwada, T. Sakai, K. Nogami, K. Nakao and T. Sakae, “Statusof the Parametric X-Ray Generator at LEBRA, Nihon University” (to be publlished)
4. A. Bravin, J. Phys. D 36, A24-29 (2003).

1971

The 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan

PROCEEDINGSWO04

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

OPERATION OF LINAC AND LIGHT SOURCES AT NIHON UNIVERSITY∗
Toshinari Tanaka1,A), Isamu Sato A), Ken Hayakawa A), Yasushi Hayakawa A), Takao Kuwada A), Takeshi Sakai A),
Kyoko Nogami A), Keisuke Nakao A), Manabu Inagaki A), Atsushi Enomoto B), Shigeki Fukuda B), Satoshi Ohsawa B),
Kazuro Furukawa B), Shinichiro Michizono B)
A)
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
B)
Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
The 125MeV electron linac at LEBRA in Nihon University has been operated without serious trouble in these 3
years of user’s experiments using the free-electron lasers (FEL) and the parametric x-rays (PXR). The total beam
acceleration time of the linac for the last year was about 1500hr, which has been increasing every year. The stability ofthe electron beam energy was improved by precise control of the linac cooling water temperature. The maximum FEL
power of 60mJ/pulse was obtained at a wavelength of 1750nm. Damage to the FEL resonator mirrors due to high FEL
power, especially around the fringe of the coupling-hole in the out-coupling mirror, is still a serious problem to besolved. The LEBRA PXR has been proved to have a rather high spatial coherence. As a probable application of PXR,
the phase contrast imaging technique has been examined for soft and light materials.

日大リニアックと光源の利用状況
１．はじめに日本大学電子線利用研究施設（LEBRA）では、2000～2004年度の文部科学省学術フロンティア推進事業に選定された「可変波長高輝度単色光源の高度利用に関する研究」により125MeV電子リニアックを用いた赤外自由電子レーザー（FEL）とパラメト
リックX線（PXR）の二つの光源の整備が行われ、2003年から学内共同利用が開始された。学術フロン
ティアは2005～2007年度の3年間の継続が認められ、継続して共同利用が進められている。この間ビーム
利用時間は年々増加しつつある。共同利用の開始に到るまでは、クライストロンの長パルス運転とリニ
アックの安定度向上が大きな課題であったが、主要な不安定要因が克服され[1][2]、この3年間は深刻な障
図1. 日大125MeV電子リニアック。
害を生じることなくほぼ定常的に運転されてきた。
これまでの利用研究の結果からFEL、PXRともに
印加時間は2006年になって1万時間を越えた。
高度な利用のためには光源の安定度が不十分である
この1年間のリニアックの運転・改良と光源の現ことが明らかとなってきた。光源の安定度は加速電状及び利用状況等について以下に報告する。
子ビームの品質に強く依存している。このため定常運転を行いながらリニアックの挙動を記録し、細部
２．リニアック安定化とその現状の不安定要因の特定とその克服のための試みや検討が行われてきたが、十分な結果が得られていないの
日大リニアック（図1）はこれまでビーム安定化が現状である。
と性能向上のためにクライストロン電源をはじめ
2005年7月から1年間の共同利用におけるリニアッ
様々な改善が行われてきたが、FELとPXRの利用に
クの運転時間は、クライストロン通電時間が約2000
おいて要求される安定度に十分対応できる状態には時間、ビーム加速時間が約1500時間である。また
到っていない[3]。リニアックの途中とビーム輸送系
1996年のリニアック設置以来、クライストロン高圧∗
1

文部科学省学術フロンティア推進事業（継続）（平成17～19年度）
E-mail: tanaka@lebra.nihon-u.ac.jp
12

WO04

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

13

Fine Cooling Water
Temperature (℃)

Chill Water Temperature (℃)

Beam Position (mm)Beam Current (mA)

31.2
32には、利用中のビーム軌道をモニターするためビー
ムポジションモニター（BPM）を多数配置しており、BPMで長時間にわたり軌道変化を観測した結果、
3130FEL発振強度とPXR強度の変動がリニアック中でのビーム軌道の変動と加速ビームエネルギーの変動に30.8
28
強く依存していることが明らかになっている。
電子ビームエネルギーの変動は15～20分程度の明30.626
らかな周期性を持っていたため、冷却系との関係を調べたところ、加速管冷却用精密温調機の冷却水温
度変化と強い相関が見られた。このため、冷却水温
30.4
24
0
30 60
90 120 150 180 210 240度の安定化を図ることにした。
Time (min)
精密温調器は加速管冷却水を30±0.1℃の安定度
で一定温度に保っているが、精密温調器で熱交換を
図2. 冷凍機冷水循環系に三方弁を挿入し冷水温行う冷凍機冷水温度が冷凍機のコンプレッサの動作
度変化を緩やかにしたときの、冷水温度と冷却により±1℃変化しているために、実際には冷水温
水温度の相関。
度変化に同期した周期的変動を繰り返していた。これは冷水温度の急激な変化に精密温調器が追随し切0.7-207
れないために、冷水温度変化が加速管冷却水温度に0.6-208反映してしまうためと考えられた。
0.5-209
加速器冷却系は、装置の老朽化に伴う更新工事を
0.4-210
2005年3月から始めており、この中で冷却水温度の-211
0.3
安定度改善を図ることとした。従来は冷凍機からの0.2-212
冷水を直接精密温調器との間で循環させていた。このままでは冷水温度変化が急激なので、これを緩や-213
0.1
かにし精密温調器の動作を改善するため、冷水循環
0-214
系の中に精密温調器からの帰還水の一部を冷凍機を
-0.1
-215
通さずに循環させるよう、途中に三方弁を取り付け
0
2000
4000
6000
8000
た。冷凍機リザーバタンク内の冷水は約20℃である
Shot Number
が、精密温調器との間の循環冷水温度は25℃まで上
図3. 100kV電子銃高圧電源投入直後からのビー
昇させている。この結果、冷水の温度変化を緩やかにすることが出来、図2のように加速管冷却水の温ム軌道（水平及び鉛直方向）と引き出しビームの度変化も短時間では±0.05℃以内に抑制され冷水温
ピーク電流に生じる変動。軌道はバンチャー直後
度変化の顕著な影響は見られなくなった。
のBPMで、電流は電子銃直後のCTで測定。
また、モジュレーター室内の温度変化が25±2℃
また、より詳細なビーム安定化策がFELとPXRのと変化の幅が大きくRF系に影響を及ぼしていたた安定化に不可欠であると考えられ、現在リニアック
め、空調機温度モニター動作の改善を行い、変化を内でのビーム軌道自動補正と、エネルギー分析電磁±0.5℃まで抑制することが出来た。
石系でのビームエネルギーモニタリングによるエネ
これらの改善により、周期的に生じていたビーム
ルギーフィードバック制御の試験が行われている。
エネルギー変動は目立たなくなり、FEL発振とPXRの強度の安定度が改善された。しかし冷却水温度の３．FELの現状
安定化はまだ改善の余地があると考えられ、今後精密温調器の更新においてリザーバタンクの大容量化
LEBRAではFEL共振器用鏡として広帯域で高い反などの改良によりさらに安定化を図る予定である。
射率が得られる銀蒸着（銅基板）鏡を使用し、これさらに、リニアック動作開始後1時間以上にわまで約860nmから6750nmまでの波長範囲で発振の実たって、加速中のビーム軌道が、加速器出口で1mm績が得られている。2005年12月にはFELモニター
程度漸近的に移動する現象が観測され、原因の調査
ポート位置での取出し光強度が、波長1725nmでマが行われた。この現象はバンチャー直後のBPMでも観測され、それより上流に原因があると考えられた。 クロパルスエネルギー60mJと、これまでの最高値を記録した。このときの電子ビームからFELへのエネ
これまでの調査で明らかなことは、これが電子銃のルギー変換効率はおよそ4×10−4 と見積もられる。
100kV DC高圧電源を投入してからの経過時間のみに依存し、図3に示すようにこのとき同時に電子銃
FEL発振時には同時に強い高調波アンジュレーター
引き出し電流が漸近的な増加を示すことである。こ光が得られるため、ユーザーによってはFELの他にのため、原因は未解明であるがリニアック動作開始
3次や5次の高調波光が利用されている。
より1時間以上前から100kVに昇圧しておくことで銀蒸着銅基板鏡は、共同利用開始時には光強度に
この軌道変動は避けられることが分かった。
対する十分な耐性が期待されたが、使用中に鏡表面

WO04

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

ム軌道の変動は0.1mm程度しか許されないが、取得される透過画像の質と電子ビームの安定度との関係は今後の検討課題である。
また、PXR発生装置内のSi単結晶は電子ビーム照射による発熱を考慮し、銅製のSi固定治具を電磁石系の精密温調器で水冷しているが、高圧水流により薄いSi結晶板に振動が生じてPXRの特性を損ねている可能性があり、流量を減少させ振動を抑制するための改良を検討中である。

図4. 損傷した3枚のFEL共振器鏡の取出し用結合孔付近の写真。結合孔の直径は左からそれぞれ0.3mm, 0.8mm, 0.45mmである。

５．共同利用状況およびまとめ

2005年7月以来1年間のクライストロン通電時間は約2000時間、ビーム利用時間は1500時間を越え、電子リニアックの利用時間は年々増加する傾向にある。
リニアックを用いた光源として1～6µmの赤外FELと、
6～20keVのPXRが共同利用実験に提供され、これらの利用促進のため行われている光源研究と加速器性能向上のためのマシンスタディを含めて2005年度の総利用件数は147件である。その内訳を図6に示す。
FELは共振器鏡に問題があるが、十分な耐性が得られればさらに大きな光強度とエネルギー変換効率が期待でき、ユーザーからの大強度光の要求もある。
４．PXRの現状
従来日本大学には正式な共同利用の受け入れ等
LEBRAのPXRは、直径1mm以下に集束された電の規定が存在しないが、LEBRAでは利用の増加
子ビームをSi単結晶（第1結晶）に入射し発生するXへの対応と学内のみならず学外からの利用希望に線を、第2結晶によりBragg反射を利用して分光し電応じる必要から、全国共同利用にも対応できる体
子ビームに平行な方向に取り出している。したがって光源の大きさは直径1mm以下と見做すことができ、 制の確立が必要となりつつある。
光源位置から約7m飛行した後取り出されることか
マシンスタディ
FEL試験
PXR試験
FEL利用
PXR利用
ら、優れた単色性に加え高い空間コヒーレンスを有12することが分かって来た。これらの特長を利用して、
10
画像的手法によるXAFS測定や、位相コントラスト
イメージングの一種である屈折コントラストイメー
8
ジングを初めとした、PXRによる生体軟組織のX線
6
イメージングなどの応用が試みられている。現行の
Si(111)面を利用したX線取り出しでは、エネルギー4
範囲6～20keVのX線が得られている。
2
図5に取り出された14keVのPXRに対し第3分光結晶を用い微小回転させて測定されたロッキング曲線0の例を示す。屈折コ
ントラストイメージ
100
ングでは、試料中で
図6. 2005年度のリニアック利用件数の推移と僅かに特定の角度だ内訳。総利用件数は147件である。
け屈折したX線のみを
試料の下流に置かれ参考文献
50
た第3結晶でブラッグ反射させて捕らえる[1] 境武志他, Proceedings of the 28th Linear Accelerator
ことで透過画像を得
Meeting in Japan (Jul. 30-Aug 1, 2003, Tokai) 351.
る。高分解能で屈折[2] 早川建他, Proceedings of the 28th Linear Accelerator
コントラスト画像を
Meeting in Japan (Jul. 30-Aug 1, 2003, Tokai) 90.
[3] T.Tanaka et al., Proceedings of the 2nd Annual Meeting of
得るには、照射中にX
-40
-20
0
20
40
Particle Accelerator Society of Japan and the 30th Linearθ (µrad)
線 の 入 射 角 を 10µrad
Accelerator Meeting in Japan (Jul. 20-22, 2005, Tosu) 28.
程
度
以
下
の
誤
差
で
一
図5. 第3分光結晶回転による14keV X線のロッキング 定に保つ必要がある。
この場合、電子ビー
曲線の測定例。
Intensity (Arb. Units)

14

3

2

06
/

20

1

06
/

5/
12

06
/

20

20

5/
11

20
0

20
0

9

20
0

5/
10

8

05
/

20

20

05
/

7

6

05
/

20

5

05
/

20

05
/

20

20

05
/

4

利用件数

の損傷が進み発振強度が低下するため、これまでに3回交換されている。FELは電子ビーム上流側の鏡に開けた結合孔から取り出されているが、共通していることとして、孔のない下流側の鏡に対して上流側の鏡の損傷が大きく、図4の写真にあるように特に結合孔の周囲が激しく損傷を受けている。2006年
7月の最新の鏡交換では、表面研磨精度の高いシリコン基板の銀蒸着鏡を採用したので、銅基板との耐性の違いを検証する予定である。

TO26

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

BASIC DESIGN OF COMPACT ELECTRON LINAC FOR
COHERENT X-RAY GENERATOR
Isamu Sato A), Takao Kuwada A), Takeshi Sakai A), Manabu Inagaki A), Ken Hayakawa B), Toshinari Tanaka B),
Yasushi Hayakawa B), Kyoko Nogami B), Keisuke Nakao B)
A)

Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities, Nihon University,
Kudan-Kita 2-1-4, Chiyoda-ku, Tokyo, 102-0073
B)
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University,
Narashinodai 7-24-1, Funabashi, Chiba-ken, 274-8501
Abstract
In the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) of the Nihon University, a 125MeV electronic linear accelerator is utilized and the research and development of the bright sources with tunable wavelength monochromatic light which
aimed at utilization of a free electron laser (FEL) and parametric X-rays (PXR) [1] are performed. Now, FEL has been presented fromnear-infrared rays to visible light (a fundamental wave and harmonics), and PXR has been presented in range of energies from 6keV
to 20keV. In the measurement experiment of the PXR characteristic, refraction contrast imaging which is an interference phenomenonof X-ray has been observed [2]. This shows that PXR is the source of X-rays which was rich in the coherency. As for PXR, it is predicted in the near future that the structure of very smaller living body as a soft tissue is able to a imaging with the dose smaller than the
CT. The compact electronic linear accelerator for PXR suitable for X ray basic research or medical diagnosis is designed, and the result is reported in here.

コヒーレントＸ線発生用コンパクト電子リニアックの基本設計
1. はじめに高エネルギー電子線を単結晶に照射して発生するＸ線（ＰＸＲ）は、恰も超高エネルギー電子線が長尺のアンジュレーターを通過する時に放射する自発Ｘ線のように見え、指向性の強い波動性に富んだＸ線レーザーのような特性を備えていることが、次第に明らかにされつつある。高エネルギ
ー電子線が周期的に変化する媒質を通過するときに放射する光についての研究経過は、昨年、この学会[3]で既に述べたので省略する。我々は、近い将来、ＰＸＲの優れた特性を必ず必要とする時代が到来すると予測し、このための安価でコンパクトなＸ線発生装置用加速器の概念的な基本設計を行ってみた。

2. ＰＸＲ用コンパクト電子リニアックの基本設計
良質なＰＸＲを安定に供給するには、安定な低エミッタン
スの電子ビームを必要とする。そのための加速器としては、
電子ビーム使い捨てにする電子リニアックが最適である。
加速空洞が同一構造である長さＬの進行波型加速管で得られる電子リニアックの加速エネルギーT［４］は、
T=（2ｒｏPｏ/α）1/2（1−e-αL）-i ro L (1- (1-e-αL)/αL)(1)で与えられる。ここで、ｒｏは加速管のシャントインピーダンス、
Pｏは加速管に供給される高周波電力、ｉ は加速ビーム電流、
αは加速管の電界減衰係数でα=ω/2Ｖg Q で表され、ω
163

は高周波の角周波数、Ｖg は群速度、Q は加速管を構成する加速空洞の利益係数である。
一般に電子リニアックは、(1)から明らかなように、加速管に供給電力Po を大きくすると加速エネルギーTも大きくなり、
電子リニアックはコンパクトになる。しかし、供給電力 Po の大
きさには色々な物理的な限界から制限を受ける。
表１には、デスク板厚さｔ(mm)が、2.5､5.0､10.0 である加速
空洞パラメーターの加速周波数依存性の計算例を示す。
この計算には、中村正郎氏が開発した計算コード[5]を使った。この計算コードでは、図１に示すように、加速空洞の 1/4を表す断面に負荷されたデスク板（円形形状）と円筒で構成される各領域の電磁場を求め、インピータンス整合が取れる
空洞の固有関数を作成し、その固有値から共振条件を求めている。従って、デスク負荷型加速空洞の製作に適した計算コードであり、その計算精度も非常に高い。
表１ 加速空洞パラメーター
f (MHz)2a(mm)

2b(mm)

MΩ/m

Qo

Vg/C

5712

9.767

40.871

157.7

7970

0.006322856

21.03482.040

62.8

13433

0.006701428

47.568165.457

20.0

19657

0.00111

ここで、ｆは加速周波数、2ａはデスク穴径、2b は空洞内径、MΩ/m はシャント抵抗、Qo は加速空洞の利益係数、Vg/C は光速度で規格化した群速度をそれぞれ表している。

図１に示されているＤはデスク間隔、t はデスク板厚、ρは

TO26

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

デスク形状の曲率半径、δはデスク穴径の平坦部、Z は円
筒空洞の軸方向、r は円筒空洞の半径方向、rc は空洞の境界値をそれぞれ示している。

60
エネルギー利得（ＭｅＶ）

b

65

b

t/2

r

50
45
40
35
30
25

t/2

r

:2f
f
f/2

55

20
0

rd
rc

ρ θ2
θ
θ1
δ
Z1 Z2 D/2

a
0

rc
a

ρ θ2
θ
θ1

0

δ
Z2 D/2

Z1

Z

1.5

2

2.5

3

図 3 進行波加速管デスク穴径に対するエネルギー利得
図 4 には 60MW クライストロンから長さ 1,5m の加速管 2
本に 50MW の高周波電力を供給して得られるエネルギー利得をビーム負荷とデスク穴径（2ａ）をパラメーターにして求めた関係を示す。

Z

エネルギー利得（ＭｅＶ）

120

65

11.76712.017
12.26712.51712.76713.017
13.26713.51713.767

100
80
60
40
20
0

60
エネルギー利得（ＭｅＶ）

1

デスク穴径の増分（ｍｍ）

図１ 境界条件を表す加速空洞の 1/4 断面計算コードを用いて計算した結果のパラメーターと（1）式を使って求めたエネルギー利得の周波数依存性を図２に示す。ここには、長さ 1.５ｍの定インピータンス型進行波加速管に２０ＭＷを供給して得られたビーム無負荷状態のエネ
ルギー利得の加速周波数とデスク穴径(２ａ)の依存性を示
す。

0mm
1.5mm
3mm

55
50

0

45
35
30
25
2000

3000
4000
加速周波数（ＭＨｚ）

5000

0.05

0.1
0.15
0.2
ビーム電流（Ａ）

0.25

0.3

図 4 加速周波数 5712(MHz)の定インピーダンス型加速管のエネルギー利得のビーム電流負荷依存性、凡例の数値
はデスク穴径（ｍｍ）。
コンパクト電子リニアックには、エネルギー利得の大きい c
バンドの加速管が妥当である。電子リニアックの基本設計パ
ラメーターを表 2 に示す。

40

20
1000

0.5

6000

図 2 進行波加速管のデスク穴径（２ａ）の変化に対するエ
ネルギー利得の周波数依存性
図３には、各加速周波数におけるデスク穴径（２ａ）とエネ
ルギー利得の関連を計算した結果を示す。ここで、1/2f は1428MHz、ｆは 2856 MHz、2f は 5712MHz をそれぞれ意味している。加速エネルギー利得は、図２から明らかなように、加速周波数にほぼ比例して大きくなる。従って、加速周波数が高いほど電子リニアックはコンパクトにできる可能性が大きい。しかしながら、加速周波数が高いほど加速管の製作には、高度の加工技術が要求され、単位長さあたりの製造コ
ストも高くなる。更に、供給する高周波電力が一定の場合、エネルギー利得が高いほど加速ビーム電流は小さくなり、
僅かなビーム電流の変化でもエネルギー利得は大きく変動するので、安定性に欠ける恐れがある。

表 2 電子リニアックのパラメーター
加速周波数5712MHz
加速管の型式
テーパー型進行波管
加速管
1.5 m×２本
加速モード
2π/3
デスク穴径 （2a）13.767〜11.767 (mm)
加速空洞内径 (2b)41.867〜41.307 (mm)デスク板の厚さ (t)2.5 (mm)
高周波電力
60MW
エネルギー利得＞50MeV
尖頭ビーム電流100mA
ビームパルス幅3μS
繰り返し数
100 Hz
平均ビーム電力
1.5 KW
164

TO26

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

一方、ビームブーローアップを避けるには、定インピータ
ンス型加速管は出来るだけ回避すべきである。コンパクト電子リニアックの加速管には、図４を参照にして、デスク穴径を25μm ステップで絞り込む準定電界型のテーパー構造を用いる。コンパクト電子リニアックの基本構成を図 5 に示す。
Qt

Qt

EB

Qt

G: Gun
PB: Prebuncher
B: Buncher
ACC: Accelerator
K: Klystron
Qt: Qtriplet
PS: Phase Shifter
EB: Electron Beam

PB
B

ACC

ACC

構造媒体物質（単結晶：Ｓ１）を通過中に、電子線はその電磁場でＳ１物質を分極する。その緩和時にＳ１物質はＸ線を放射（分極放射）する。これがＰＸＲであり、そのスペクトルは
制動輻射と同様にブロードであるが、しかし、Ｓ１物質の各格子面は、ブラック条件（２ｄｓｉｎθ＝ｎλ）を満たすＸ線のみを選択し、電子線の進行方向に対して、ブラック角度に偏向する。ここで、ｄは結晶面間隔、θはブラック角、λは偏向を受けるＸ線の波長である。一方、Ｓ１物質の周期構造からブラッ
ク角に射出されるＸ線は干渉性に富む。又、電子線の摂動による分極放射光は周期構造に依存する波束として物質中を光速で伝搬する。しかし、光と電子の速度差（ドップラー効果）によって、その波長は短縮する。この現象は、交番磁場（ウィグラー）を通過する電子線の蛇行運動による放射光に類似している。この分極放射光は、電子線の進行方向から離れるに従って、長波長側にシフトする。即ち、Ｓ１結晶格子面の角度を変えると、波束の方向が変わるので、電子線の進行方向から観測点が大きく移動し、波束の始点と終点の観測時間差が変化し、Ｘ線波長は可変になる。この X 線はＳ２単結晶の格子面で再びブラック角に偏向され、電子線の方向と平行になる。この条件を常に満足するためには、Ｓ１を回転させると、Ｓ２も同方向に回転させ、更に平行線上を移動させることになる。この処置により、ＰＸＲは同一線上に取り出すことが出来る。

G
PS

PS
PS
K

図 5 コンパクト電子リニアックの基本構成図
シリコン単結晶の Si (111) 面によるＰＸＲ発生装置を組み込んだコンパクト電子リニアックの概念図を図 6 に示す。コン
パクト電子リニアックは、基本型、エネルギー変換型、エネ
ルギー回復型の３つの構成が考えられる。加速器の構成選
択は単結晶がどの程度の平均電子ビーム電力に耐えられるかによって決まる。しかし、装置全体がコンパクトになるかど
うかは、放射線シールドの厚さに依存し、これは PXR を発生させた後の電子線の処理方法によって大きく変わる。
又、PXR の指向性はγ-1 であり、その強度と建設コストを考慮すると電子線エネルギーは 50〜100MeV が妥当と思わ
れる。

Ｓ１

ＡＣＣ

ＢＤ
ＰＸＲ

Ｓ２

４．おわりにコンパクト電子リニアックの基本設計は、まだ概念設計の段階であり、詳細設計はこれからであるが、Ｃバンド帯の周波数を用い加速エネルギーが 100MeV 程度であれば、加速器本体を含むＸ線発生装置は、３ｍ×２ｍ×２ｍの空間に収納出来る可能性が非常に高い。この計画を実現する上の最大の課題は、デュティーの高い６０ＭＷ級のクライストロンが入手できるかどうかにある。建設コストは、これまでに蓄積された加速器技術を活用できるかどうかにあるが、低価格の建設に期待を寄せている。

Ｇ

基本型

Ｇ：電子銃、ＡＣＣ：加速管、ＢＤ：ビームダンプ

Ｓ１
ＰＸＲ

Ｓ２

ＤＡＣＣ

ＢＤ

ＡＣＣ

Ｇ

参考資料

エネルギー変換型[1] Y. Hayakawa, et al., Nucl. Instr. And Meth. In Phys. Res.
B227 (2005) 32.
[2] T. Kuwada, et al., “Phase Contrast Imaging of Biological
Materials Using LEBRA-PXR”, SRI2006 The Ninth Inter.
Conf. on Synchrotron Radiation, May 28-June, 2006 Daegu,
Korea.
[3] I. Sato, et al., Proc.of the 2nd Annual Meetings of Particle
Accelerator Society of Japan and the 30th Linear Accelerator
Meeting in Japan, (2005)114.
[4] Leiss, J.E., (1958),NBS Internal Report.
[5] M. Nakamura, JJAP Vol7,No3 (1963)257

ＤＡＣＣ：減速管、Ｓ：単結晶
Ｓ１
ＰＸＲ

Ｓ２

ＡＣＣ

エネルギー回復型

Ｇ

図６ ＰＸＲ用コンパクト電子リニアック

３．ＰＸＲの干渉性と波長可変性
ＰＸＲは、図 6 に示すように、高エネルギー電子線が周期
165

TO29

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

PHASE-CONTRAST IMAGING USING THE LEBRA-PXR SYSTEMAT NIHON UNIVERSITY
Yasushi Hayakawa∗ A) , Ken HayakawaA) , Manabu InagakiA) , Takao KuwadaA) , Akira MoriB) , Keisuke NakaoA) ,Kyoko NogamiA) , Toshiro SakaeC) , Takeshi SakaiA) , Isamu SatoA) , Yumiko TakahashiD) , Toshinari TanakaA)A) Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University,
Narashinodai 7-24-1, Funabashi, 274-8501
B) College of Pharmacy, Nihon University, Narashinodai 7-7-1, Funabashi, 274-8555
C) School of Dentistry at Matsudo, Nihon University, Sakae-cho-nishi 2-870-1, Matsudo, 271-8587
D) College of Science and Technology, Nihon University, Kanda-Surugadai 1-8-14, Chiyoda-ku, Tokyo 101-8308
Abstract
The monochromatic X-ray source based on parametric X-ray radiation (PXR) was developed by using theelectron beam from the 125-MeV linac at Nihon University. Using the spatial coherency of the PXR beam, thepreliminary experiments on phase-contrast imaging has been carried out. The phase-contrast images have actually
been observed by the diffraction-enhancement method using the X-rays of 14 to 18 keV. These results suggest that
the PXR beam has a large coherent region which is not consistent with van Cittert-Zernike’s theorem.

日大 PXR 発生装置による位相コントラストイメージング
1.

はじめに

日 本 大 学 電 子 線 利 用 研 究 施 設 (LEBRA) で は125MeV 電子線形加速器を基盤としたパラメトリック
X 線放射 (PXR）の線源実用化に取り組んできた [1] 。
PXR は相対論的な荷電粒子と結晶媒質の間の相互作用によって発生する X 線放射の一種であり、指向性、
単色性およびエネルギー可変性という利点を持つ。
2004 年 4 月には実際に 100MeV の電子ビームを用いてエネルギー可変な単色 X 線ビームを得るのに成功している。現在までに、Si(111) 結晶を用いて 6∼20keVの範囲で単色な PXR ビームの発生を達成しており、
2004 年の後半からはユーザー利用実験を開始している [2] 。
LEBRA-PXR システムの場合、電子ビームのエネ
ルギーが比較的低い為に X 線の放射円錐の広がりが大きく、X 線のビームサイズは取り出しポートの真空窓とほぼ同じになっており、その直径は 98 mm である。また、ビームプロファイルは均一なものが得られている。そのため、LEBRA-PXR のビームはイ
メージングに適しており、実際ユーザ利用実験においても主要な応用となっている [3] 。X 線のエネルギーをコントロールすることにより、LEBRA-PXR では
生体試料のような軽元素で構成されたサンプルでも比較的良いコントラストの X 線吸収像が得られてきた。それに加え、PXR の空間コヒーレンスの良さを利用した位相コントラストイメージングを試み、実際に位相コントラスト像の観測に成功した。具体的には、シリコン完全結晶による X 線ブラッグ回折を角度フィルターとして用いるブラッグ反射型の手法
で測定を行い、軽元素物質の密度変化に対する高感度やアナライザー結晶の回転によるコントラスト反∗ E-mail: yahayak@lebra.nihon-u.ac.jp

172

転といった現象が観測された。このコントラスト反転は回折型の位相コントラスト法に特徴的な現象であり、PXR の空間コヒーレンシーの良さを示唆している。これらについて報告する。

2.

完全結晶による PXR の回折

速さ v = βc の電子が Bragg 角 θ で逆格子ベクトル g を持つターゲット結晶に入射した際に発生する
PXR のエネルギー h̄ω は、h̄ω =h̄c∗ |g| sin θ,
1 − β cos φ(1)と表される [1] 。ここで c∗ は結晶媒質中の光速度であり、φ は電子の速度に対する X 線の放出方向の角度である。Bragg 条件 φ = 2θ の周辺では、φ が ∆θ だ
けシフトした場合の PXR のエネルギーは、µ¶∆θd(h̄ω)∆θ ≈ h̄ω 1 −(2)h̄ω 0 ≈ h̄ω +

dφ

tan θ

と近似することでき、∆θ に比例したエネルギー分散を持っている [3] 。一方、通常の Bragg 回折条件 h̄ω =h̄c∗ |g|/2 sin θ において、θ を ∆θ シフトさせた場合に Bragg 回折する X 線のエネルギーは、µ¶
d(h̄ω)∆θh̄ω 00 ≈ h̄ω +∆θ = h̄ω 1 −
(3)

dθ

tan θ

と近似される。式 (2) と式 (3) は一次近似の範囲では一致しており、これは、およそ 1/γ の角度広がりを持つ PXR ビームを、(+, −) と呼ばれる配置に置かれた分光結晶によってそのまま回折されることができることを意味している。LEBRA の 2 結晶型 PXR 発

TO29

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)−7−7[×10 ]
7keV

4

200

[×10 ]

14keV

4
1
100

2
2

0
16.395

16.4

16.405

0

0

8.11

8.115

0

分光結晶（第３結晶）角度 [ °]図 3: IP で取得した 14 keV の PXR によるジグモの(a) 吸収コントラスト像および (b,c) 位相コントラス
ト像。(b)(c) はアナライザー結晶の回転により位相が反転している。

図 1: (+, −, +) 配置でのロッキングカーブ (第 3 結晶)。実線は光線追跡計算の結果である。
生装置はこの性質に基づいている。結晶が 3 つ以上ある場合も同様で、(+, −, +, · · ·) となる結晶配置の場合には、回折によって効率良く PXR ビームを輸送することができる。図 1 は (+, −, +) 配置に置かれた第 3 結晶の角度スキャン測定で得られた回折曲線である。結晶面としてはすべて Si(111) 面を用いた。
測定結果は PXR の運動学的理論と X 線回折の組み合
わせによる光線追跡計算と良く一致し、理想的な単色平行 X 線とほぼ同じ回折幅となっている。この特性によって、円錐状の広がりを持つ PXR ビームを用いた回折型の位相コントラストイメージングが可能
となる。

3.

サンプルが直径 2 mm のプラスチックファイバーの場
合の結果であるが、位相コントラストではクラックなどが明確に認められる。また、アナライザーの回転による位相反転の振舞が広い範囲にわたって一様となっており、PXR ビーム内では X 線の波面がよく揃っていることを示唆している。現在までに 14 keV

回折型位相コントラストイメージング

X 線位相コントラストイメージングは試料媒質を透過する際に受ける X 線の位相シフトを検出することにより試料の僅かな密度差をイメージとして取得する測定法である。透過力の高い X 線を用いて軽元素で構成された物体の構造の情報が得られるため、低吸収線量と高コントラストを兼ね備えたイメージン
グ手法として医療応用に大きな期待が持たれている。
しかし、この手法には単色で平行な空間コヒーレン
スに優れた X 線源が必要でり、これが実際の応用にとっては大きな制約となっている。
LEBRA の PXR 発生装置での結晶配置は (+, −) であるので、前節の議論を踏まえると、図 2 のように(+, −, +) 配置のアナライザー結晶の導入により回折型位相コントラストイメージングが可能となる。PXRの場合には対称反射のみで大きな照射野が得られる
ので、コンパクトでシンプルなセットアップで測定できる。試料を透過した X 線は位相シフトの結果として屈折を受け、それによってアナライザー結晶への入射角が変わる。つまり試料内の密度差を回折角の差として検出することが可能となる。このため、この手法
は屈折コントラストとも呼ばれる。図 3 は 14 keV のPXR ビームを用いて測定したジグモの吸収コントラスト像 (図 2 中の (A) で測定) と位相コントラスト像((C) で測定) の比較である。検出器としてはイメージ
ングプレート (IP) を用いた。図 3(b) はアナライザー
結晶での回折曲線のピーク付近で得られる像であり、アナライザーを回転させると図 3(c) のようにコント
ラストが反転し、暗視野的な像が得られる。図 4 は173

図 4: 14 keV の PXR による直径 2 mm のプラスチッ
クファイバーの (a) 吸収コントラスト像および (b-d)
位相コントラスト像。
から 18 keV の PXR ビームを用いて位相コントラス
ト像の取得に成功している。

4.

空間コヒーレンス

4.1 van Cittert-Zernike の定理
X 線領域のシンクロトロン放射はインコヒーレン
ト (カオス線源) であるので、高い空間コヒーレン
スを得るにはモノクロメータによる単色化の後、数10 µm のタイトなコリメーションと長い伝播距離 (数10 m∼1 km) が必要である。van Cittert-Zernike の定理によるとインコヒーレントな準単色光でも空間的にコヒーレントな領域が存在し、光源が半径 r の一様な光源の場合、光源より距離 R だけ離れたところ
でのコヒーレント領域の大きさ d は、波長 λ と光源

TO29Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

退避可PXR 発生装置

X線窓

IP, X線CCD

e-beam(A)(B)
L3

Si(111)
アナライザー結晶PXR beamサンプル
スリット( ポリエチレンブロック )

(C)

L2

L1

7200mm

図 2: 回折型位相コントラストイメージングのセットアップ。
を見込む角度 ∆ψ で大まかに見積もることができ、d ≈ λ/∆ψ = λ R/r

回折された PXR ビームを、シンチレータとイメージ
インテンシファイア (I.I.) を用いた X 線 CCD で観測したところ、図 6 のようなスペックル状の不均一性が観測された。これは第 2 結晶表面の汚れと CCD のBe 窓の不均一性に起因するスペックルパターンである可能性がある。PXR のコヒーレンスの研究において、この現象は鍵となるかもしれない。

(4)

となる。
LEBRA-PXR システムの場合、X 線源のサイズはターゲット結晶上での電子ビームスポットサイズと同じと考えられ、現在のところせいぜい直径 0.5 mm
程度の集束であると思われる。図 3、4 の測定条件では、X 線のエネルギー 14 keV(λ=0.88 Å) で測定距離R ∼8 m であるので、式 (4) による見積では、コヒー
レント領域のサイズは d ∼ 3 µm 程度である。しかしながら、この値は実際に得られた位相コントラスト
像の質とは整合しないと思われ、PXR の場合には単純に上記のような方法では空間コヒーレンスの評価ができないと考えられる。

4.2 スペックル状不均一性
PXR の空間コヒーレンスの良さを示唆する現象として、図 5 のような不均一パターンが観測された。
PXR ビームを直接ダイレクト型 X 線 CCD で観測した際に認められたもので、X 線のエネルギーによりパターンの見え方が大きく変わることから、何らかの干渉像の可能性がある。PXR 発生装置の真空槽内に収められていた第 2 結晶を交換したところ、結晶表面に塵や汚れが付着していた。これが不均一パターンの原因の一つであったかもしれない。

図 6: 第 3 結晶による回折後にシンチレータ付き
I.I.CCD で観測されたスペックル状の X 線分布不均
一性。

5.

まとめ

PXR の回折特性を利用して、PXR による回折強調型の位相コントラストイメージングに成功した。実際に軽元素物質に対する高いコントラストとアナラ
イザー結晶の回転による位相反転現象が観測された。
また、スペックル状の不均一パターンも観測されており、空間コヒーレンスに関しては PXR は従来のカオス線源とは異なる性質を持つことが示唆された。

参考文献[1] Y. Hayakawa, et al., “Simulations to the project of a PXR
based X-ray source composed of an electron linac and adouble-crystal system,” Nucl. Instrum. Methods B 227,
pp. 32–40, 2005.
[2] Y. Hayakawa, et al., “PRESENT STATUS OF THE
PARAMETRIC X-RAY GENERATOR AT LEBRA”,
Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear Accelerator
Meeting in Japan, pp. 60–62, (Funabashi, Japan), 2004.

図 5: ダイレクト型 X 線 CCD で観測された X 線分布の不均一性。

[3] Y. Hayakawa, et al., “ Status of the parametric X-ray
generator at LEBRA, Nihon University”, Nucl. Instrum.
Methods B, to be published.

また、図 2 の (C) においてサンプルのない状態で
174

TP06

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

PERFORMANCE EVALUATION OF DXAFS MEASUREMENTUSING PARAMETRIC X-RAY RADIATON
Manabu Inagaki1,A), Yasushi HayakawaB), Isamu SatoA) , Ken HayakawaB), Toshinari TanakaB) , Takao KuwadaA),
Takeshi SakaiA) , Kyoko NagamiB), Keisuke NakaoB) , Akira MoriC)
A)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities (ARISH), Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B)
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
C)
College of Pharmacy, Nihon University
7-7-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
Abstract
When energy dispersive X-ray absorption fine structure (DXAFS) is measured, the space distribution of strength of
the PXR characteristic becomes a problem. Therefore, the space distribution of strength was measured. Moreover,
DXAFS was measured at the position of the peak angle with the strongest PXR strength. As a result, it has been
understood that the space distribution of strength changes if shifting from the peak angle. And, it has been understoodthat there is a difference in the spectrum of DXAFS in the sample of the pure metal and the alloy. It will be necessary to
examine the analysis method to do an accurate evaluation in the future.

パラメトリックX線放射を用いたエネルギー分散型XAFS測定の性能評価
射野を持つこと、などの特徴を利用し現在通常のX
線イメージングに加え、位相差イメージングなどの研究が進められている[3]。さらに速さv =βc の電子がブラッグ角θで逆格子ベクトルgをもつターゲット
結晶に入射した際に発生するPXRのエネルギーћωは、

１．はじめに日本大学電子線利用研究施設(LEBRA)では、125
MeV電子線形加速器に基づくパラメトリックX線放射(PXR)によるX線源の開発、実用化を試み、2004
年には実際にPXRビームの観測に成功した[1]。その後、LEBRAではPXRの利用実験を開始し、自由電子レーザーと共に、施設利用者への供給を行っている[2]。現在のLEBRA-PXRシステムの性能を表1に示
す。

hω =

1 − β cos φと表される [4]。ここでc*は結晶媒質中の光速度であり、φは電子の速度に対するX線の放出方向の角度である。ブラッグ条件φ=2θの周辺では、φがΔθだ
けシフトした場合のPXRのエネルギーは、Δθ ⎞d (hω )⎛Δθ ≈ hω ⎜1 −hω ' ≈ hω +⎟dθ⎝ tan θ ⎠と近似することができ、Δθに比例したエネルギー分
散を持っている。つまり、ターゲット結晶から十分に遠い場所で観測すると、その照射野内において水平方向の位置に関する一次関数的なエネルギー分散

表1 LEBRA-PXRシステムの性能

X線出力窓(カプトン窓)100 MeV2856 MHz
10 – 20 μs
2 – 5 Hz
Si(111) 200 μm 厚Si(111) 5 mm 厚
4 – 20 keV (設計性能)
6 – 20 keV (実績)
直径 98 mm
125 μm 厚

8.6
X線エネルギー [keV]

電子エネルギー
加速周波数
パルス幅
繰り返し数
第一結晶
第二結晶(反射用)
X線エネルギー Si(111)LEBRA-PXR発生装置はシリコン完全結晶を用いた二結晶型のシステムであり、単色X線を6.0 – 20
keVまでの波長範囲で連続的に発生させることが可能である。また、指向性の高いX線を供給できること、X線出力窓の直径(φ98 mm)に由来する広範な照1hc * g sin θ

8.5
8.4
8.3
8.2
8.1
8
-50

0

50

水平位置 [mm]図1 エネルギー8.3 keVの理論的なエネルギー分布

E-mail: inagaki@lebra.nihon-u.ac.jp
526

TP06

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

150 mm

リボン状サンプル

IP上に固定した
サンプル

IP

55 mm

低

electron beam

200 mmSi(111)

θ1

X線
エネルギー
高

0.2 mmrotation
X線出力窓

5 mm

x-raysθ2
IP

サンプルを設置したX-Yステージ

Si(111)

rotation

X線出力窓

図2 本実験セットアップの概略図を示すという特徴を持ち(図1)、その特徴を生かした エ ネ ル ギ ー 分 散 型 X 線 吸 収 微 細 構 造 (DXAFS:
energy dispersive X-ray absorption fine structure)測定への応用が期待されている[5]。
LEBRA-PXRを用いたDXAFS測定では、線源の中心波長をターゲット元素の吸収端付近に設定することにより水平方向のX線吸収スペクトルを測定することが可能である。また、広範な照射野を持つため、大視野検出器を用いることにより、サンプ
ルや検出器を移動させずに、一度に数百keVの範囲のX線吸収スペクトルを測定することが可能である。
これらの点は、DXAFS測定を行う上でLEBRA-PXRが持つ非常に優位な点であるが、反面、LEBRAPXRを用いたDXAFS測定での問題点も考えられる。
PXRの空間分布は理論的にはドーナツ状となっている。結晶内での電子ビーム発散の効果により
PXRビームのプロファイルは均一化されるが、結晶の実効厚の薄い低エネルギーでは、この特徴的なドーナツ状の分布が残っている。また、X線出力
窓の直径を満たす程のサンプルサイズが必要となるため、サンプルの不均一性に由来する測定誤差が生じる可能性が考えられる。LEBRA-RXRを用いたDXAFS測定を行うためには、空間分布またはサンプルに由来する測定誤差を補正する方法の確立が必要と考えられる。そこで本研究では、PXRの空間分布に由来する測定誤差の補正を進める前段階として、PXR発生装置も制御パラメータの変化に伴う強度の空間分布の変化を測定した。さらに
自動ステージによるランダム動作によりサンプルの不均一性を平均化することを試みた。

ン状の均一なサンプルは、以下の通りである。
・ニッケル(厚み:0.01 mm)
・ ニ ッ ケ ル シ ル バ ー ( 厚 み :0.01 mm 、 含 有 量
Cu:62%, Zn:20%, Ni:18%)

３．実験結果3.1 PXR強度の空間分布測定
測定条件が、PXRエネルギー8.3 keV(波長1.494Å)、ブラッグ角13.7819°、X線出力窓－IP間距離
150 mm、照射時間30分のときのIPで撮像した強度分布と、第二結晶の角度θ2をイオンチェンバーで測定して強度が一番強い角度(ピーク角)からプラス
方向に1パルス(=1/1500°)ずつ変化させ各々のドー
ナツ状の直径を測定した結果を図3に示す。
このIP画像からPXRの強度は、予測されたようなドーナツ状の空間分布を示していることが分かる。
そこでピーク角からパルス数を増やすとドーナツ状の空間分布の直径が小さくなることが確認できた。ここでの直径とは、図3の解析位置における強度のピーク間距離とした。またIP画像中の横縞模様は、第二結晶の角度θ2を変えてもほぼ同位置に観測され、またX線出力窓に対してIPを90°回転させても同様に観測された。このため、横縞模様はPXR 起源ではなくIP側の問題であると思われる。
64

62

60

直径[mm]

２．実験方法図2に本実験セットアップの概略図を示した。第二結晶の角度θ2を変化させることでドーナツ状の空間分布が狭まることは理論上分かっている。そこで、どの様に強度の空間分布が変化するかをイ
メージングプレート(IP)を用いて測定した。また、
どのような測定手法で実験を行い解析する方法が最適であるかを検討するため、任意の角度θ2におけるDXAFS測定も行なった。本実験で用いたリボ

58

High
56

直径

98mm

54

52

Low
解析位置

50
0

1

2

3

4

5

6

ピーク角からの移動パルス数 [pulse]

図3 IP画像とドーナツ状の空間分布
527

7

8

TP06

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

3.2 DXAFS測定

4.2 DXAFS測定

今後DXAFS測定を行うにあたり、サンプルの均一性が重要となる。このためサンプルが不均一である場合、どのような測定手法で行うことが最適であるかを検討した。今回は一つの測定手法として、X-Yステージを用いてサンプルを無作為に動かしながら照射することを試みた。X-Yステージの最大移動距離は、X線出力窓に対して横方向(X) 4 mm、
縦方向(Y) 0.2 mmで行った。測定条件は、PXRエネ
ルギー8.45 keV(波長1.467Å)、ブラッグ角13.5326°、
照射時間30分とした。ここで、サンプル位置固定の場合は、X線出力窓－IP上に固定したサンプル間
距離150 mm (図2)、X-Yステージを用いた場合は、X線出力窓－X-Yステージに貼り付けたサンプル間
距離200 mm、X線出力窓－IPカセッテ間距離255mmとした(図2)。サンプル位置固定と無作為に動かした場合をIPで撮像し解析したDXAFS測定の結果を図4に示す。
図4からニッケルに関しては、X線吸収端近傍構造(XANES)はどちらの測定方法でも類似したスペクトルであることがわかるが、拡張X線微細構造(EXAFS)ではスペクトルは類似しているが吸収に差異があることがわかる。次にニッケルシルバーに関しては、XANES,EXAFS共にスペクトルが類似していないことがわかる。この差異は、ドーナツ状の空間分布を補正していないことに起因している。

図4より、ニッケルとニッケルシルバーでは、
DXAFSのスペクトルに大きな差異が生じていることがわかった。これは、測定条件の違いとドーナ
ツ状の空間分布を補正していないためである。次にX-Yステージを用いたときと用いない場合とでは、
DXAFSのスペクトルに大きな差異が生じた。この理由として考えられることは、測定方法においてPXRの強度分布に対してサンプルの位置の違いやIPの設置位置が異なってしまったことである。今後
は測定場所のレイアウトを考え、同条件で行なうべきである。解析方法では、IP読取装置の残像や低線量域でのログアンプの歪みにより、XAFSのある吸収の強い箇所のデータの質に悪影響を及ぼしていると思われる。また本実験の解析方法は、市販のソフトウェアを使用した。このソフトウェア
は8bit階調であるため、16bitで取得したIP画像を8bitに変換して行った。この解析方法では、データが粗くなってしまうためDXAFS測定のような微細な処理には適していないので、今後は16bitデータで解析しなければならない。

Ni-SilverNienergy dispersive

low

high

1

Absorption

0.8

PXR特性であるドーナツ状の空間分布が確認でき た 。 DXAFS 測 定 で は 、 ニ ッ ケ ル に 関 し て は
DXAFSのスペクトルに大きな差異は見られなかったが、ニッケルシルバーに関してはスペクトルに大きな差異が生じた。これは、測定条件の違いとドーナツ状の空間分布を補正していないためである。今後の課題として、以下の点が挙げられる。
・ドーナツ状の強度空間分布の規格化方法の検討。
・DXAFS測定において、他のサンプルでも同様な測定を行い比較検討する。
・より検出効率の良いイメージセンサーの導入。

参考文献

0.6

0.4
Ni (揺動）Ni (固定)0.2

Ni-Silver (揺動)08250

５．まとめと今後の課題

Ni-Silver (固定)
8300

8350

8400

8450
8500
Energy [eV]

8550

8600

8650

図4 IP画像と得られたDXAFSスペクトル

４．議論
4.1 PXR強度の空間分布
PXR特有のドーナツ状の空間分布を考察するには、第二結晶の角度θ2の振る範囲を広くし解析を行う必要があると思われる。また、現在では、IP
画像のムラ(横縞模様)が目立つため、IPまたは読取装置の改善を行い較正方法も検討する必要がある。
528[1] Y.Hayakawa et al., Present Status of the Parametric X-ray
Generator at LEBRA ： Proceedings of the 1st Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4-6,
2004, Funabashi Japan) 22-24.
[2] T.Tanaka et al., Status of 125MeV Linac and Light Source
at LEBRA：Proceedings of the 2nd Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan and the 30th Linear
Accelerator Meeting in Japan (July 20-22, 2005, Tosu,
Japan) 28-30.
[3] Y.Hayakawa et al., Advanced Applications of PXR at
LEBRA, Nihon University：International Conference on
Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena (July
3-7, 2006, Frascati (Rome), Italy).
[4] Y.Hayakwa et al., Simulations to the project of a PXR
based X-ray source composed of an electron linac and adouble-crysatal system：Nucl. Instr. and Meth. In Phys.
Res. B227 (2005) 32-40.
[5] K.-H.Brenzinger et al., How Narrow is the Linewidth of
Parametric X-Ray Radiation?：Phys. Rev. Lett. 79, pp.
2462-2465, 1997.

FP02

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

Utilization of BPM for operating and controlling the LEBRA linac*
Ken Hayakawa1
A)

,A)

B)

, Ken’ichro Ishiwata2 , Toshinari Tanaka
A)

A)

A)

A)

C)

Yasushi Hayakawa , Takesh Sakai ,C)Kyouko Nogami , Keisuke Nakao , Tsutomu Inagaki , Isamu SatoC)

Institute of Quantum Science, Nihon University 24-1, Narashinodai, 7-chome, Funabashi-shi, Chiba, 274-8501
B)

C)

Abstract

Graduate School of Science and Technology Nihon University
8-14, Kanda-Surugadai 1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo 101-8308

Advanced Research Institute for the Science and Humanities, Nihon University
12-5, Goban-cho, Chiyoda-ku, Tokyo 102-8251

In the LEBRA (Laboratory for Electron Beam Research and Application) linac, strip line type beam position monitors(BPM) are installed in high density. Using this type of BPM, beam position can be obtained without disturbance.
Because of the high-speed data taking, observation of the energy fluctuation during pulse duration becomes possible. To
assist the operation and to analyze the characteristics of the linac, we developed the software, which works as a server
program that acquires beam position data from the BPMs and distributes them to the clients on demand. And also wedeveloped several client programs.


LEBRA Linac 


BPM



LEBRA?NIWXY!:­µ¶·:¸r03? !"(LEBRA)
­µ3¹©ºLrdebf!»¼:B
 !"#$%&
pqJ./01=Gº½ji¾3¿!'((BPM))*+, -./0 =?1234-'(!5673894-:;<=0>3? `FÀÁ/L4Â?J./01ÃrabZc0ji¾34ÂHI)ÄÅd!"3@)AB3CDEF/G)4
ebf!HIÆÇ=01abZ34ÂHI-HI:*J;<?K0LM=?NOPQRSÈiab'$ÉÊ!(!3PFN
TU?V01NIWXY!Z -./L
3mnËÌ=0~ÍyF/01PFN3mn[\]3^_`FabZc0debf!HI
3ghijkl%kl3mn)o+?K0i<3ÎÏ~4Â)«ÐG0pq
pqGrL1sLgh) !"tuvw:xmn=0)ÑÒ3PFN:mnLÓÔ !
yGLMNOzS{ !"4-:|}=02~"3Jdebf!3HI~Õ/01=Gº½Ö
)GAIV0I3 !"3
abZ3debf!HI3ghmn3TU)./0pqGrL1sLJ
×3;Ø>Gr01ÙÚXY!Û3I3:01-./LBPMp0abZdebf!HI3Ü

 



FELPXR3 !" !")
=0,: =0123N
IWXY!~¡2¢345,
£¤~4¢3¥¦£¤`FG01§¨ £¤ ©3 !"3ª«4-:*J3¬­!(!:®rgh=/¯abZ3deb
f!HI:°M02~)?K01
abZdebf!)±h?V02~)²³?V03?2/RS8´GCD?V01

Ù  abZdebf!HI1aÝ3Û
6:Þc¯HIÏ0.25%(P-P)ß,?V01

*  17~191
E-mail: hayakawa@lebra.nihon-u.ac.jp
2

Present affiliation: College of Humanity and Science, Nihon university
747!"#$%&'

FP02

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

TU?V01"#$%!
:à=110MHz3AD¬­!(práAâã­!!:& ÑÒ3iä  3å¦`F3¶¾æ: !"4-Hç.Fdebf!HIHçL>3?V01 "){!(: ?K0pq01
23~K3mn?ab3èé~êë3a
3.1 !­!
Ý3HI:ÞHIÏ0.25%ß,?Vr
L1§¨35µsecì/0HI)í.îG0pq
å  3åkXpA¿./Lj
mn?K/¯FEL3<.Fï=0~ðºi¾;¾'(Ï./L© )*.//01
L12bit64ch.3ADHç+!,:-!­!
i"pAáâs/01!­!i"
2.2 ijkl%kl3mn
23.!(V0/0HçL1:`F3´°Ãr:-¼^=
NIWXY!ijklG0p
01!(3áEÊ!a!Xb¬¿É!(qñ./Gc/¯GFG)23mn:
3×ËÌ=0)ìÝ32HzNO?d2o+¸q3ò/óuGôõ?G1
:áAâ32~)?K01/013Âo,
LEBRA? !"3ö`Gdebf!HI345Ê2bËÌ0~ðº/0~2/÷qXY!zc0 !"ip0ø3HI:BPM?ùg=02~pro)10~20µm~67>F/0 +Gmn:úì01ûüýX
Y!3þø -./L  3ª«-=0kX`F3^_:å%i¬!?ùg
ò3¾æ)ÂG0pqmn=01Ù23kX3<:;¾L¾æ:à=1(a)
mn¹3¾æ?`) 4ÂGr01
2/ !")I02~:=01(b)mn©3¾æ?
)4ÂGrA
!")tuIG2~:à01ÙI!(J3KiÙ1kX?¿./L^_;¾./L©LMADHç./!­!i"áAâs/01

3.2 (a)(b)
ÙN NIWXY!þø3  3ª«kX`F3;¾^_1(a)?¾æ3) 4ÂGrAdebf!HI3vw)3HI~GrÕ/01(b)?
¾æ)ÂGAdebf!HI3vw)áAÞ`/02~:à01ì8hSý®º/09:;
V01<=Ê!(! !"4-:Õà=0(!"$:B>3?6)H?
§í10µmß,3IKs?>??K01<!
­!`F@cárL/01:AL=F"BbC
7=0>3?J3I3:01< !"3IDi"?EG´FprG/L:z
9H=>3?V01

3.2.1!"4-Õà#,#

abZ3 !"4-HI3ghRSî3CD)>LF./J3I3T ?
V0)J3NOzÊ!(!)'(!
=0CDW)=0KF)V01sLÛúïabZ? !"4-)H
I=02~G123LMS3!(?
abZ3kX3^_:a¬áâ !"4-:°M01NIWXY!ZÛ¹3pqabZ? !"34-)H=0) ÙOÊ!(! !"4-:PFQ0ab 3ÂýG4-HI3gh23!)i"3#,#1
748

FP02

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)¹3 !"Õà#,#:
J3NOzÊ!(!)S{ !"4-:J:I !"J:M0~²G |}?K0pqÙOà=pqG(!"$
{K !")I=0ì)Õ/02~:rLi":RõL1å
L123ì§ïø­µ!©
BPMSL+:½ !"4-23./LBPM?>ùg./02~`F3I+z3Ú~TU./01sL V3)º/L1!(ij!:`Q
!"4-W:HyL~Õà./0pq>?L~2§¨ò3©M<Gr03?4-HI3XYB>V0` !"4-)HI0)F`GrL1
ß,3CD)EF/01FEL~PXR !"?½*î3 !"J©3{rîFS=04-V0  +:ZT01  L©?V0123 !"HI3F:mp0
ò/[/3+\839]~^_)TLM!Y!ú3 r: J3Ý
`/01å3+Â4-Õà~`
¡:EH.QL{3 !"4-3HI:gh
4-Õà3'!,:½Â4-Õà?ÕàL1ÓÔ:Ù6à=123Ù`FF`Gpq'!,ab©áEL:z9~Õà=01 EG¢£3H3z?3*¶3
sLò/[/3Õà'!,Icd3e)23ìvw01FÔ¤¥¦?V0) !":I`=D§5"B¨f?Õà?K0pqGr01§í3ef?V01ì8i3#©!?§Á]3gh)5mmÂi=01M3ef{`F3*¶:ª=0pq?   0.5mm §  3 e  f ?  0.1mm? V 0 1
23HI3vw:«¬=0pq01ÃrÊ!(!pò10µmß,3o,?:>?=02~)?K01

3.2.2 !(ij!

23i"!­!`FáEL!({k:lAL=F"Bb
mKâ3äc3>3?V0)J3I3
RSTU?V01§nEF/LÔ:oþp01
q{rºL0debf!HI:ghJs
tuªv,3{rH~wxL1Ùà=pqdebf!23{r3r±0.1%v,±0.1yóz{|}?HI02~)ºÙ !"J¹3Ý¡:EH.QL`01Ãr23Ùì/0debf!HI{3HI13¶)vw01
3Û6Js3v,HI~=0>3~Íy
F/01debf!HI:.FP=0LM
3.2.3!"3ID
Jsv,3±h)`QG2~)F`?V=?

0 1G23debf!HI3!(
!"3ID¤­®
3d%&ø3HIp0vw: L©
¯9°D±./01
3!(?V01


K.Ishiwata et al., ”Development of Beam Position
Monitor Measurement System II”, Proc. of the 2nd Annual
Meeting of Particle Accelerator Scoiety of Japan and the30th Linear Accelerator Meeting in Japan, 2005 Tosu
Japan, pp483-485[2]
T.Suwada, “Multipole Analysis of Electromagnetic
Field Generated by Single-Bunch Electron Beams”, Jpn. J.
Appl. Phys. Vol. 40(2001) pp.890-897.
[3]
K.Nakao et al. “Development of Automatic Beam
Alignment System for the LEBRA Linac”, Proc. of thismeeting[4]
T.Sakai et al. “IMPROVEMENT OF WATERCOOLING SYSTEM FOR LEBRA LINAC”, Proc. of
this meeting[1]Ù²Jstuªv,³ï3¾æ´µ¶~
debf!HI¾æ³þ´µ¶1{|}?HI01

749

FP08

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

IMPROVEMENT OF WATER COOLING SYSTEM FOR LEBRA LINAC∗
Takeshi Sakai1,A), Toshinari TanakaB), Ken HayakawaB) , Yasushi HayakawaB) , Kyoko NogamiB) , Keisuke NakaoB) ,Manabu InagakiA) , Isamu SatoA)
A)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities (ARISH), Nihon University
12-5, Goban-cho, Chiyoda-ku, Tokyo 102-8251, Japan
B)
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University,
7-24-1 Narashinodai, Funabashi-shi, 274-8501 Japan
Abstract
Precise experiments using Free Electron Laser and Parametric X-ray Radiation at the Laboratory for Electron BeamResearch and Application (LEBRA) in Nihon University require a high-stability electron beam from the linac. The
electron beam energy has been strongly dependent on the temperature of the linac cooling water, although fixed within
the error of ±0.1°C. Fluctuation of the temperature was reduced to within ±0.05°C by adjustment of the control
parameters for the fine cooling system and improvement of the chill water system. Improvement of the stability of thefine cooling water temperature was very effective for stabilization of the electron energy and the light intensity.

日本大学LEBRA LINACにおける冷却水系の温度安定化

32.1
32

Temp[℃]

日本大学電子線利用研究施設LEBRAでは、加速器の実験利用時間が順調に増加しており[1]、加速器の連続運転を試験的に行っているが、自由電子レー
ザー（Free Electron Laser：FEL）、および、パラメ
ト リ ッ ク X 線 放 射 （ Parametric X-ray Radiation ：PXR）の光源強度が変動をおこし、特にPXRを用いた位相コントラストイメージングにおいて良い結果が得ることが難しかった。その変動は、ターゲット
結晶でのビーム変動が原因で起きており、ビームク
オリティーを上げる必要があった。
そこでビーム変動の要因として、光源強度とビー
ムポジションモニターを用いたビーム軌道測定[2]、温度等の比較から加速管及び、ビームライン偏向電
磁石用冷却精密温調水温度が大きいことが分かった。
本稿では冷凍機系の更新、及び冷却系の安定化による光源強度の安定化に関して報告を行う。

されるため、早急なビーム安定化対策が必要であった。
そこで、各場所での温度変化と光源強度の測定か
ら相関を取り、原因を追跡した。精密温調水温の測定ではPICO Technology社の8ch熱電対データロガー
TC-08を用い、PXR強度測定にはイオンチェンバーを用いた。ただし、相対値に関しては問題ないが、測定温度絶対値に対する校正は行っていない。イオンチェンバーはPXR調整時に用いているバックグラ
ウンドとの相対強度測定用のモニターであり、キャリブレーションは行っていない。PXR強度とPXRラ
イン偏向電磁石系冷却用精密温調水温との比較を図1に示す。

２．光源強度変動と原因

7.65

Fine cooling unit (Mag.)

7.6

31.9

7.55

31.8

7.5

31.7

7.45

31.6

7.4

Ion Chamber Output [V]１．はじめにPXR

2.1 光強度変動と冷却水温度測定

31.5

PXRを用いた位相コントラストイメージングにおいて、実験過程でのX線強度の時間変動により計測前後でピーク強度がずれ、安定な測定ができない問題があった。位相コントラストイメージングで得られる画像の分解能は、ビームの安定度に大きく左右

7.35

31.4
12:00

7.3
12:15

12:30

12:45

13:00

Time

図1：PXR強度とPXRビームライン偏向電磁石系冷
却用精密温調水温との比較。X線エネルギー：
13.5keV。強度変化と精密温調水温と相関がある。

∗

本研究は文部科学省学術フロンティア推進事業(継続)(平成17～19年度)の支援を受けて行った。
E-mail: sakai@lebra.nihon-u.ac.jp

1765

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

べての更新を行った。冷凍機の水温調節計は山武製のデジタル指示調節計SDC36を採用した。また、この調節計はRS485の通信機能を備えているため、
イーサネットLAN接続に変換を行い、遠隔からのデータ収集、パラメーター調節を容易に行えるようにし、調節時間の短縮を図った。

測定時のX線エネルギーは13.5keVである。温度測定の結果、PXR強度はビームライン偏向電磁石系を冷却している精密温調水温と強い相関があることが分かった。ただし図中のPXR強度測定結果で数箇所大きく下がっている時間帯があるが、クライストロンからの高周波電力が欠けた事により、加速ビームが欠け起きた変化であって、冷却水に起因するものでは無い。

3.2 冷却系の安定化と問題点
冷凍機更新後、冷凍機のパラメーターを調整し安定化を行った。その際、他の設定温度との温度差が小さくなるように、冷凍機リザーバー水温設定値を19~20℃程度まで上げ調整を行った。同時に、精密
温調のPID制御パラメーター最適化も行い安定化を行った。調整時のリニアックのパラメーターはPXR
実験時の、最大ビームエネルギー100MeV、繰返し
5Hz、RFパルス幅20μsの場合を想定し、始めはビー
ム加速無しの状態で調整を行い、調整後に実際にビーム加速を行い確認した。
調整後の結果を図3に示す。冷凍機水温は送出し側の設定温度計の測定値、精密温調水温は、リザー
バータンク内に設置したK熱電対による測定値である。図を見て分かるように、冷凍機水温は約±0.2℃まで抑えることができ、加速管系精密温調水温変動
幅も0.1℃以下まで抑えることができている。しかし、冷凍機のコンプレッサー動作時における短時間の大きな水温変化に対して、冷凍機の調節計は対応
し変化を抑えているが、精密温調側の調節計の温度コントロールが追随する事ができず、大きな温度変化を起こしているのが分かった。これは精密温調のリザーバータンクの容量が約120ℓと小さく、さらに温度コントローラーが更新前の冷凍機と同様に20年前の物であり、三方弁を速く、細かく動かすことができず、短時間の大きな温度変化に対応できていな
いために起きている現象であると考えられる。

2.2 冷凍機水温と精密温調水温の比較
精密温調水温の変動が何に起因しているのかを、その他の温度変化と比較し調査した。加速管系精密
温調冷却水温と光源ライン用偏向電磁石用精密温調
水温、冷凍機水温の比較を図2に示す。冷凍機水温は送出し側のパイプに張付けたK熱電対で、精密温調水温もリザーバータンク内に設置した動揺のK熱電対を用いて測定した。その結果、精密温調の温度調整に使われる冷凍機水温が周期的に大きく変動していることが分かり、冷凍機水温変化がビーム変動の原因であることが分かった。また精密温調のPID
制御パラメーターが最適化されていない事もわかったため、冷凍機水温の安定化と精密温調の調整を行う事にした。
23

31.9

Fine cooling unit (Mag.)

22

31.5

21

31.3

20
19

31.1

Chill unit

30.9
30.7
28.4
19:00

18

19:30

17
20:00

19:30

20:00

Chill water Temp[℃]Fine cooling water Temp[℃]

31.7

28.2

28
19:00

Fine cooling unit (ACC.)
Time

図2：加速管系精密温調冷却水温と光源ライン用偏向電磁石用精密温調水温、冷凍機水温の比較。冷凍機水温が±1℃と大きく変動し、加速管系精密温調
水温、偏向電磁石系精密温調水温も約±0.2℃変動
していることが分かった。

Fine Cooling water Temp.@Accelerator [℃]30.9

３．冷却系の更新と光源強度安定化

Compressor ON

25.4

Chill unit

30.8

25.1

30.7

24.8

30.6

Fine cooling unit (ACC.)

3.1 LEBRA冷凍機系の更新

Chill water Temp. [℃]

FP08

24.5

Response time lag
30.5
14:00

24.2
14:30

15:00

これまで使用していた冷凍機はマイクロトロン建設時に設置したもので、約20年間使用しており、配図3：冷凍機水温と加速管側精密温調温度比較。冷管等の老朽化が進んでいた。また冷却能力がマイク
凍機のコンプレッサー動作時における短時間の大き
ロトロンに合わせてあり、現在のリニアックの全負
な水温変化に精密温調の温度コントロールが追随で荷に比べ、非常に能力の大きな物を使用していたた
きず、大きく温度変化を起こしている。
め温度が±1℃以上変化し、2-2で示したように、冷凍機水温の大きな変動が精密温調等へ影響していた。 3.3 冷却系全体の安定化
そこで昨年度、冷凍機系の配管周り、調節計などす
冷凍機の温度調整は3.2で述べたように、細かい
Time

766

FP08

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

Chill water Temp. [℃]

Fine cooling water Temp. [℃]

IonChamber Output [arb. unit]

1.3
調整を行うと、冷凍機のコンプレッサー動作時に精stabilized
密温調の調整が追随できず、精密温調の先の冷却水
1.2
not stabilized
温度が大きく変化してしまうことがわかったため、
1.1
多少冷凍機水温の変動幅が増加しても、ゆっくりとした変化をするパラメーターへ変更することにした。
1
再度リニアックのパラメーターを3.2で示した同0.9
じ条件の元で調整を行った。結果を図4に示す。図を見て分かるように、再調整後の冷凍機水温変動幅
0.8
は約±0.6℃と大きくなってしまったが、短時間での0.7
大きな変化は無くすことができた。冷凍機パラメー
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
ター調整後、各精密温調のPID制御パラメーターのTime[sec]
最適化を行うことで、コンプレッサー動作時におけ
図5：安定化前後のPXR光源強度の比較。X線エネル
る短時間での大きな変動時においても、加速管系冷
ギー：14.0keV。冷却系の安定化後、大きく変動し却水温度変化幅を±0.1℃以下に、短時間で見るとていたPXR光源強度が非常に安定になった。
±0.05℃程度に抑えることができ、電磁石系精密温調も変動幅を約±0.1℃、周期を10分程度に抑えるこ４．まとめと今後の課題とができた。ただし、数時間という長い周期の変動
電子ビームの変動原因は冷却系の温度変化であるに関してはまだ取り除くことができておらず、設定事が分かり、冷却系の安定化により光源強度の変化
用温度計の限界か、あるいは加速器本体室温度が影は改良前の半分以下になり、特にPXRを用いた位相響している可能性があるが、現在のところ問題にな
コントラストイメージング、XAFS測定、基本特性
るほどまでは大きく変動はしていないため、今回の測定などで大きな効果を発揮した。
調整では無視した。
今後の課題として、精密温調は急な大きい温度変化に対応できていないため、今年度は精密温調の更Fine cooling unit (ACC.)
31.0
27.8
新を検討している。精密温調系の更新を行うことでさらに冷却系の安定化が期待される。またPXR用の
30.8
27.3
第1結晶マウントフォルダーは、結晶の冷却のため
Chill unit
Compressor ON
30.6
26.8
に、マグネット系の冷却水の一部を流しているが、水圧が高いため配管パイプの振動が結晶へ伝導して
30.4
26.3
しまい、変動を引き起こしている問題があり、現在対策を検討中である。
30.2
25.8

Fine cooling unit (Mag.)
30.0
13:30

本研究は、文部科学省学術フロンティア推進事業（継続）（平成17～19年度）「可変波長高輝度単色光源の高度利用に関する研究」の支援を受けて行った。

25.3
14:00

14:30

Time

図4：冷凍機パラメーター調整後における冷凍機と各精密温調の比較。冷凍機の短時間における変動を抑えたことで、冷凍機コンプレッサー動作時においても、精密温調への影響が少なくなっている。

参考文献[1] T.Tanaka, et al., "Operation of Linac and Light Sources at
Nihon University", in these proceedings.
[2] K.Hayakawa, et al., “Utilization of BPM for operating and3.4 光源強度安定化
controlling the LEBRA linac” , in these proceedings.
[3] Y.Hayakawa, et al., "Phase-Contrast Imaging Using the
冷却系の安定化前後におけるPXRの光源強度の比
LEBRA-PXR System at Nihon University", in these
較を行った。光源強度の比較結果を図5に示す。測proceedings.
定時のX線エネルギーはどちらも14.0keVである。
[4] T.Kuwada, et al., "Phase Contrast Imaging Of Biological
PXR強度測定にはイオンチェンバーを用い、グラフ
Materials Using LEBRA-PXR", Proceedings of The Ninth
International Conference on SRI 2006, Korea, inの値は測定時間中の平均強度で規格化した値で示し
submission.
ている。図から明らかなように、冷却水安定化後は、[5] Y.Hayakawa, et al., "Tunable Monochromatic X-ray Source
光源強度の大きな変動を取り除くことができた。
Based on Parametric X-ray Radiation at LEBRA, Nihon
また安定化後、PXRを用いた位相コントラストイ
University", Proceedings of The Ninth International
Conference on SRI 2006, Korea, in submission.
メージング [3][4][5] 、XAFS測定では [6] 、ほぼ安定に測[6] M.Inagaki, et al., "PERFORMANCE EVALUATION OF
定できるようになり、PXRの基本特性測定において
DXAFS MEASUREMENT USING PARAMETRIC Xも、PXRのドーナツ状の分布が鮮明に測定されるよRAY RADIATION", in these proceedings.
[6]

うになり 、安定した測定が行えるようになった。

767

FP14

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

DEVELOPMENT OF AUTOMATIC BEAM ALIGNMENT FOR THE
LEBRA LINAC
Keisuke Nakao∗ A) , Ken HayakawaA) , Isamu SatoB) , Toshinari TanakaA) , Yasushi HayakawaA) ,Takeshi SakaiB) , Kyoko NogamiA) Manabu InagakiB)A) Institute of Quantum Science Nihon Univ.
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B) Advanced Research Institute for the Science and Humatities (ARISH) Nihon Univ.
12-5 Gobancho, Chiyoda-ku, Tokyo, 102-8251
Abstract
The automatic beam orbit alignment system is developed in the Laboratory of Electron Beam Research andApplication (LEBRA) Nihon University. This system consists of two programs, one is to ﬁnd the central trajectoryof the linac another is the beam orbit feed back program. Beam Position Monitors (BPM) installed in the linac are
calibrated using central trajectory search program. The displacement between beam orbit and central trajectory is
detected and the beam orbit is corrected by adjusting the exciting current of steering coil by the feed back program.
Therefore, the FEL and PXR will be kept stably during experiment. The operator’s load will be reduced by using
this system.

日本大学電子線利用研究施設における電子ビーム軌道自動調整システムの
開発
1.

はじめに

バを通じてネットワーク経由で取得することができる [3] 。

日本大学電子線利用研究施設 (LEBRA) では、2001
年 5 月に自由電子レーザ (FEL) の発振に成功し、2003
年 10 月には FEL 共同利用実験が開始され、2004 年
4 月にパラメトリック X 線 (PXR) の発生に成功した。
2005 年には加速器の年間利用時間が 1,000 時間に達し、長時間照射実験も行われるようになった [1] 。FEL
を長時間、安定に発振させるには高品質なビームを長時間維持しなければならない。それには電子ビー
ムを他の機器の変動による影響を受けにくい。加速器の中心軌道を通すことが望ましい。そこで、加速器の中心軌道に電子ビーム軌道を自動的に調整し、維持するシステムを開発した。

2 . LEBRA LINAC 制御システム
LEBRA の Linac は、電子銃、プリバンチャ、バン
チャ、4m 加速管 3 本から構成される。加速管及びバンチャの側面にはステアリングコイル、バンチャと加速管の出口には四極トリプレットが設置されている。ステアリングコイルと四極電磁石の励磁電流は、加速器制御プログラムにより制御できる。この加速器制御プログラムは、LAN 経由で外部プログラムからステアリングコイルと四極電磁石の励磁電流を変更することができる。
LEBRA Linac には加速セクション、FEL ビームラ
インおよび PXR ビームラインに合計 13 台のストリップライン型ビーム位置モニタ (BPM) が設置されている [2] 。BPM で測定されたビーム位置は、BPM サー∗ E-mail: nakao@lebra.nihon-u.ac.jp

783

3.

中心軌道の探索3.1

探索アルゴリズム

中心軌道を探すために、加速器に設置されている
四極電磁石トリプレットと BPM を用いた。加速セク
ションに設置されている四極電磁石トリプレットは、
FDF の配置で、中心は、加速器の中心軌道と一致するように設置されている。中心軌道を原点とし、水平方向を x 軸、鉛直方向を y 軸、ビームの進行方向を z軸としたときトリプレットに入射した座標を (x0 ,y0 )、ビーム軌道と中心軌道のなす角の x 成分、y 成分をそれぞれ θ 、φ、励磁電流の変化を ∆I 、a、b、c、dを四極電磁石の特性によって決まる定数とすると四極トリプレットを通過した電子ビームの位置の変化
は、次のように書ける。

∆x = (ax0 + bθ0 )∆I(1)∆y = (cy0 + dφ0 )∆I(2)四極電磁石の中心をビームが通過すると、四極電磁石の励磁電流を変化させてもビーム軌道に変化はな
いが、ビーム軌道が四極電磁石の中心を通っていな
いと、励磁電流を変化させると下流のビーム位置が変化する。この性質を利用して中心軌道を探す。
実際には以下の手順で中心軌道を探索する。まずトリプレットの 3m ほど上流にあるステアリングコ
イルで、トリプレットに入射するビーム軌道を決める。その後四極電磁石の励磁電流を変化させながら、

FP14

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

0.6

0.6
QT#5 F
QT#4 D

Q#4 F
Q#4 D

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

Y [mm]

Y [mm]

0.5

0

0

0.1

0.1

0.2

0.2

0.3

0.3

0.4

0.4

0.5

0.5

0.6

0.6
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
X [mm]

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
X [mm]

図 1: 四極トリプレット QT#4 の四極電磁石励磁電流を変化させたときの BPM#5 の位置でのビーム位置の変化（自動軌道調整前）

図 2: 四極トリプレット QT#4 の四極電磁石励磁電流を変化させたときの BPM#5 の位置でのビーム位置の変化（自動軌道調整後）

トリプレットの下流にある BPM でビーム位置の変化を測定し、四極電磁石の励磁電流に対する、ビーム
位置の変化の傾きを求める。ステアリングコイルの励磁電流を変え、この傾きが正であるステアリング
コイルの励磁電流と、負になるステアリングコイルの励磁電流を探す。傾きが正のものと負のもので、絶対値が最小である組合せを探し、それらのステアリ
ングコイルの励磁電流の中間値を、ステアリングコ
イルの励磁電流に設定する。これ繰り返し、四極電磁石の励磁電流に対するビーム位置の変化の傾きが、ある閾値以下になればビームが四極電磁石の中心を通ったと判断する。このプロセスを上流のトリプレッ
トから順に行うことで、電子ビーム軌道を中心軌道に一致させることができる。

4.

ビーム軌道の維持

前述の中心軌道探索でもとめられた中心軌道で、加速セクションにある 4 台の BPM を較正することができる。これらの BPM によってビーム軌道と中心軌道とのずれを計測し、このずれを打ち消すようにステ
アリングコイルの励磁電流を変化させるビーム軌道
フィードバックプログラムを作成した。このプログ
ラムは、比例制御、積分制御、微分制御を行う PID
制御を行っている。
ビーム軌道フィードバックプログラムは BPM サー
バから毎秒 2 回、ビーム位置と中心軌道との差を取得し、過去 10 パルス分の平均が閾値を越えた場合にステアリングコイルの励磁電流を調整する。現在この閾値は 15µm である。
現在 LEBRA Linac の加速セクションにある 4 台の
3.2 中心軌道を探索した結果
BPM を用いて電子ビーム軌道制御を行っている。上前述のプロセスを自動実行するプログラム「中心 流でのビーム軌道の変化は下流のビーム軌道に影響を
軌道探索プログラム」を開発した。このプログラムの 及ぼすため、4 箇所の BPM で検出したビーム位置の実行前後における、加速器終端にある四極トリプレッ うち、複数の BPM で閾値を越えた場合は上流のビー
ト QT#4 の励磁電流を ±10% 変化させた時の QT#4 ム軌道の補正を優先している。例えば加速器出口にの下流にある BPM で測定した軌道調整前後のビーム おける中心軌道とビーム軌道の差が 15µm あっても、位置の変化を図 1、図 2 に示す。LEBRA の Linac に 加速器入口での中心軌道とビーム軌道の差が 15µm
使用されている四極トリプレットは、水平方向収束 あれば、加速器入口での軌道が先に補正される。
(F)、発散 (D)、収束 (F) で配置されており、F と D の加速器出口におけるビーム位置の時間変化を図 3 及
励磁電流は独立に制御することができる。図 1、図 2 び図 4 に、この時のビーム位置の鉛直方向成分の分で、□印は F の四極電磁石の励磁電流を、＊印は D 布を図 5、図 6 に示す。図 3 はフィードバックプログの四極電磁石の励磁電流を変化させた時のビーム位 ラム停止中のビーム位置の時間変化で、図 4 はフィー
置の変化である。
ドバックプログラム動作中のビーム位置の時間変化
加速器終端にあるトリプレット QT#4 の四極電磁 である。フィードバック停止時、ビーム位置はゆっく
石の励磁電流を 10%変化させた時、QT#4 のおよそ りとドリフトしていくことがわかる。このドリフト
4m 下流にある BPM で計測したビーム位置の変化は は電子銃出力電流の変化が原因であることがわかっ
0.1mm 以内であった。アンジュレータの入口でのビー ている [1] が、まだ本質的な対策はとられていない。
ム軌道を数値計算した結果、四極電磁石の励磁電流
一方フィードバックプログラムを動作させると、の変化によるビーム位置の変化は約 0.1mm であった。 前述のドリフトは抑えられている。また加速器出口
784

FP14

Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
And the 31th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 2-4, 2006, Sendai Japan)

0.04

250

X [mm]

0.02
0

200

-0.02

-0.05
-0.1

100

Frequency

Y [mm]

0

150

-0.04

50

-0.15

0

-0.2
10:09 10:12 10:15 10:18 10:21 10:24 10:27 10:30 10:33 10:36 10:39 10:42
Time

図 3: 加速器出口におけるビーム位置の時間変化 (フィードバックプログラム停止時)

−0.15

−0.05

0.05

0.15

Y [mm]

0.04

X [mm]

0.02

図 5: 加速器出口におけるビーム位置 Y 座標の分布(フィードバックプログラム停止時) N=3600

0
-0.02
-0.04

500

0.04

0

400

Y [mm]

0.02

-0.02

におけるビーム位置の Y 座標の分布の標準偏差は、0.07mm から 0.04mm に改善されている。

0100

図 4: 加速器出口におけるビーム位置の時間変化 (フィードバックプログラム動作時)

300

11:57 12:00 12:03 12:06 12:09 12:12 12:15 12:18 12:21 12:24 12:27 12:30 12:33
Time

200

Frequency

-0.04

−0.15

5.

まとめ

−0.05

0.05

0.15

Y [mm]

電子ビーム軌道を、中心軌道に長時間維持するた
めに、中心軌道探索プログラムとビーム軌道フィー
ドバックプログラムを作成した。中心軌道探索プロ
グラムによって、加速器セクションに設置されている
4 台 BPM の較正ができる。これらの BPM からビー
ム位置と中心軌道とのずれを計測し、ステアリング
コイルの励磁電流にフィードバックすることで、加速器出口でのビーム軌道と中心軌道の差を 40µm 程度に抑えることができた。

図 6: 加速器出口におけるビーム位置の分布 (フィードバックプログラム動作時) N=3600
Particle Society of Japan and the 29th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Funabashi, Aug. 4-6, 2004
[3] K.Hayakawa, et al., “LEBRA Linac の運転制御における BPM の活用” This Proceedings.

参考文献[1] T.Tanaka, et al., “日大リニアックと光源の利用状況”
This Proceedings.
[2] K.Ishiwata, et al., “LEBRA におけるビーム位置計測シ
ステムの開発” Proceedings of the 1st Annual Meeting of785

Proceedings of the 27th International Free Electron Laser Conference

POWER INTENSIFICATION OF LEBRA FEL BY RF PHASE
MODULATION *K. Hayakawa#, Y. Hayakawa, K. Nakao, K. Nogami, T. Sakai, I. Sato, T. Tanaka , LEBRA,
Institute of Quantum Science, Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501 Japan
Abstract
In general, maximum gain and maximum power of afree-electron laser (FEL) oscillator are not simultaneously
satisfied at an identical optical resonator length. If theresonator length is adjusted at the middle in themacropulse duration of the electron beam, bothmaximizing conditions can be satisfied simultaneously,
which will result in a large FEL output power comparedwith a normal operation. An attempt has been made tointensify the FEL output by applying the above
consideration to the LEBRA FEL system. Instead of theresonator detuning control in the macropulse, anequivalent effect has been realized by modulating theaccelerating RF phase of the electron linac, whichchanges the electron bunch intervals. The output FELenergy per macro pulse has been approximately doubled
by the technique compared with that in the normal
operation.

INTRODUCTION
In the free-electron laser (FEL) system based on ashort-bunch electron beam from a pulsed linac, a large
FEL gain is obtained by a relatively large detuning of the
optical resonator length, resulting in fast build up andwide macropulse of FEL. However, the maximum
saturated FEL power is obtained at a smaller detuning
length, where the gain is relatively small and the build up
is slow, which results in narrow macropulse width [1].
Operation of the FEL system usually adopts theresonator length in between the above detuning lengths sothat the FEL energy per macropulse is maximized.
However, it can be considered that a wide macropulse
width and a high saturation level are satisfied
simultaneously if the resonator detuning can be controlled
in the electron beam macropulse so that the detuning
adjusted to get a large gain is shifted to get a highsaturation level after saturation is almost achieved.
The experiment of the FEL intensification based on theabove consideration has been performed at Laboratory forElectron Beam Research and Application (LEBRA) in
Nihon University, using the 125-MeV linac and the nearinfrared FEL system [2].
Although it is difficult to change the resonator length in
the electron beam macropulse, an equivalent effect isobtained by modulation of the linac accelerating RF
frequency, which results in modulation of the beam bunchintervals instead of the resonator detuning length. The___________________________________________* Work supported by “Academic Frontier” Project for Private
Universities: matching fund subsidy from MEXT (Ministry of
Education, Culture, Sports, Science and Technology), 2000-2004.
#
hayakawa@lebra.nihon-u.ac.jp

21-26 August 2005, Stanford, California, USA

method is possible so long as the frequency modulation isin the range of the pass band in the accelerating tubes. A
linear phase modulation of the RF is equivalent to afrequency modulation, having a guaranteed continuity ofphase. Therefore, the phase modulation technique has
been adopted for the experiment.

FREQUENCY SHIFT AND DETUNINGLENGTHThe optical resonator length L is expressed by nλ0 interms of the free-space wavelength λ0 of the accelerating
RF and the integral or half-integral number n. Then,change in the RF wavelength δλ equivalent to a small
resonator detuning length δL (δL<<L) is expressed by δL/n. The relation between the RF frequency modulation
δf and the equivalent resonator detuning length satisfies
δL ,δλδf = − f 0
= f0
λ0
L
where f0 is the RF frequency corresponding to thewavelength λ0. The linac is operated in pulse mode,
which allows us to make frequency modulation by alinear phase modulation in place of making direct
frequency shift. The phase modulation is preferable since
the continuity of phase is guaranteed in principle.
The phase modulation δφ [rad/sec] corresponding to thefrequency modulation δf is given as 2πδf. For L=6718[mm] and f0=2.856 [GHz] as in the case of LEBRA,
detuning of the resonator by δL=1 [μm] is equivalent to
the frequency modulation of 425 Hz and the phasemodulation of 2.67 [mrad/μsec], respectively. Since thedetuning δL is comparable with the FEL wavelength, themaximum frequency modulation is expected to beapproximately 3 kHz for the LEBRA FEL system.
Detuning of the optical resonator by the RF frequency
modulation is applicable when the RF system, including
the accelerating structures, has a wide pass band
compared with the necessary frequency modulation range.

EXPERIMENTAL SETUP
Injector
The injector is the 2.856-GHz RF electron linac withmaximum electron energy of 125 MeV, which consists of
conventional structures equipped with no devices
dedicated to FEL. The macropulse beam current extracted
from the linac in normal operation is 100mA, and thenapproximately 80 mA is injected into the FEL beam line.
The electron bunch length is approximately 1 psec whichcorresponds to the approximate micropulse peak currentof 30 A [3]. As shown in Fig. 1, the RF power for the463

JACoW / eConf C0508213

Proceedings of the 27th International Free Electron Laser Conference

Acc. Structrue

Acc. Structrue

Acc. Structrue

Buncher

Prebuncher

Electron beam
Klystron

FEL light beam

Variable
Attenuator

Electron beam

Solid State Pulse Amplifier
Phase Shifter

High Speed Phase Shifterand Attenuator
MasterOscillator

Modulation Signal

Undulator
IR detector

Function
Generator

Figure 1: Schematic diagram of the RF system inthe LEBRA FEL injector linac.

Figure 2: Schematic diagram of the LEBRA FEL
oscillator and beam transport system.

prebuncher, buncher and 3 regular accelerating tubes is
supplied by two klystrons. The phase modulating signal
generated by a function generator is applied to the masterRF oscillator.

Undulator and Optical Resonator
The electron beam from the linac is injected into the
FEL beam line after momentum analysed in the 90°
deflecting magnetic system. The bunch length iscompressed in the system using the magnetic bunchingeffect which is based on the path length difference
depending on the electron energy. A schematic diagram of
the LEBRA FEL system and the optical beam transportsystem is shown in Fig. 2.
The Halbach-type planar FEL undulator consists of
NdFeB permanent magnet arrays. The undulator period
length is 48 mm, and the number of periods is 50. The
maximum K-value (RMS) of 1.4 is obtained at theminimum gap width of 24 mm. The optical resonatorconsists of two copper-based, silver-coated mirrors
separated by 64λ0 (=6718 mm) from each other, where
the FEL power is extracted from one of the mirrors
through the coupling hole bored on the central axis of themirror. The extracted FEL beam is guided to theexperimental rooms after being collimated by the beam
expander optics system. Main parameters of the undulator
and the optical resonator are listed in Table 1. Lasing of
FEL at LEBRA has been achieved in the near-infrared
region from 0.9 to 6 μm by the combination of theundulator gap width and the electron beam energy.
In the experiment an LN2-cooled InSb detector has
been used for the measurement of the FEL power
waveform. On the other hand, a thermopile detector has
been used for the measurement of the total FEL energy ateach macropulse.
Table 1: Parameters of the FEL system at LEBRA.
Configuration
Halbach type Planar
Period Length
48 mm
Number of Periods
50
Gap Width
24 - 34 mm
K-value (RMS)
0.7 - 1.4
Resonator Length
6718.04 mm
Rayleigh Range
1.467(@r=4m) m
Coupling Hole
0.3 - 0.5 mm

JACoW / eConf C0508213

Beam
expander

EXPERIMENT
Basic Experimental Conditions
Most of the experiment has been performed in the FEL
wavelength region from 2 to 3 μm, which is due torelatively high FEL gain and resultant stable saturation in
the LEBRA FEL system. Main results discussed in thissection were obtained at an FEL wavelength of
λL=2.44 μm, where the electron beam energy was 80
MeV and the macropulse beam current in the FEL beamline was 85 mA.

Energy Displacement by Phase Modulation
Since the RF amplifiers and the accelerating structures
have pass bands of the order of MHz, modulation of the
RF frequency only by a few kHz has little effect on the
impedance. The electron energy, however, can be slightly
affected by the change of relative RF phase between theaccelerating sections, due to the phase shift dependence
on the RF frequency and the length of the waveguide toeach section.
Displacement of the electron energy due to the RF
frequency modulation in the beam macropulse wasmeasured with a strip-line type beam position monitor(BPM) placed on the beam line of the 90° deflecting
magnet system, where the beam position linearly depends
on the beam energy [4]. It was proved in the measurementthat a small shift of the beam position in the macropulse
was induced by linear phase modulation which was
turned on in the middle of the macropulse. Analysis of thesignal from the BPM showed that the beam energy
displacement is 0.022 % for frequency modulation of 1
kHz. The displacement of the beam energy depends on
the acceleration condition. However, for assumed
frequency modulation of 3 kHz the displacement is small
compared with the beam energy spread of 0.5 % (FWHM).
Thus, the energy displacement can be considered to havelittle effect on the FEL power.

Detuning
The build up of the FEL in the macropulse waveform isusually observed at a nearly saturated level using suitablefilters, which does not reflect the FEL gain in the small
signal regime. Direct observation of the build up

464

21-26 August 2005, Stanford, California, USA

Proceedings of the 27th International Free Electron Laser Conference
waveform and the gain in the small signal regime has toallow injection of high power FEL into the detector,
which is capable of unrecoverable damage to the detector.
Thus, direct measurement of the small signal gain is notnecessarily a simple subject. In the experiment, theresonator length corresponding to maximum FEL gain has
been determined by the detuning which gives theminimum delay time of the build up near the saturationfrom the head of the electron beam pulse. The correlation
between the detuning length and the FEL energy permacropulse has also been measured.
Coarse adjustment of the resonator length has been
made with a stepping motor. Fine adjustment has been
made using a piezoelectric actuator which was calibrated
with a laser displacement meter.
Behaviour of the FEL power waveforms for various
detuning lengths is shown in Fig. 3. Dependence of the
FEL energy per macropulse on the detuning length is also
shown in Fig. 4. Delay time of the build up is least at δL =-1.26λL, which suggests that the FEL gain is maximum
around this point. As shown in Fig. 3, detuning less than
this value leads to a larger delay time which implies
smaller gain; however, the power saturation level is

Figure 3: Behaviour of the FEL power waveforms
for various detuning lengths. The detuning lengths
are shown in units of λL.

Figure 4: Dependence of the FEL energy permacropulse on the resonator detuning length (squares)
and on the equivalent RF frequency modulation (filled
circles).

21-26 August 2005, Stanford, California, USA

Figure 5: The result of detuning simulation by
GENESIS based on the same beam condition as in
the experiment.
gradually increased. In Fig. 4 the origin of detuning
length was determined by extrapolation of the detuning
curve based on the assumption that the FEL output
vanishes at zero detuning length. The filled circles show
the behaviour of the detuning curve measured using thepiezoelectric actuator. On the other hand, the squares
were resulted from equivalent detuning effect bymodulation of the linac accelerating frequency, whichshows the same behaviour as which is in normal detuning
procedure.
Figure 5 shows the result of detuning simulation by
GENESIS [5] based on the same beam condition as which
was in the experiment. Though the behaviour is different
in large detuning length region, the FEL energy is peakedaround at -0.5λL in agreement with the experimental
result.
The FEL macropulse width is relatively narrow in small
detuning length region. Thus the total FEL energy is notnecessarily high, even though the saturation level is high.
The maximum saturation level can be obtained in
proximity to the zero detuning length.

Phase Modulation
The experimental result on the detuning curve and thepower waveforms has shown that a fast build up and ahigh saturation level of FEL are not satisfied at theidentical detuning length. In order to satisfy the two
requirements, the detuning length has to be adjustable inthe beam macropulse so that the relatively large detuning
length in the early phase of lasing is shifted to nearly zerodetuning after build up. This technique has been realizedby linear modulation of the linac accelerating RF phase.
Figure 6 shows the phase modulation signal applied tothe master RF oscillator together with the electron beamand the FEL power macropulses. In Fig. 6 the phasemodulation is initiated with a delay time of 5.7 μs after
the head of the electron beam pulse. However, the actual
delay time is 6.3 μs due to another 600 ns delay
associated with the master oscillator and signal cables.
Fig. 7 shows the effect of the detune shift by the phasemodulation at the delay times 5.8, 6.3 and 6.8 μs, which is465

JACoW / eConf C0508213

Proceedings of the 27th International Free Electron Laser Conference

Figure 8: Result of the phase modulation at

λL=2.82 μm. Intensification is significant at the zero

Figure 6: Timing of the phase modulation signal(sawtooth) applied to the master RF oscillator.

detuning length.

compared with the normal detuning curve in Fig. 4. The
horizontal scale is in units of λL. The detuning length forthe resonator was fixed to -λL in the measurement, where
the FEL gain can be considered to be maximal. The
detuning range by the phase modulation is 0 to 0.01
rad/μsec, which corresponds to the frequency modulationof 0 to 1592 Hz and the equivalent resonator length
modulation of 0 to 1.53λL, respectively. The detune shiftby the phase modulation in the macropulse shows thesame effect as the detuning of the resonator length in theregion δL < -0.5λL. However, the FEL energy is still
increased when the detuning is shifted to δL ~ 0, in
contrast to the fact that the FEL output rapidly decreases
and finally vanishes in the normal detuning curve. The
delay time of the phase modulation has effects on the
maximum FEL energy and corresponding detune shift.
The maximum FEL energy has been obtained at the delay
time 6.3 μs and the detune shift to approximately zerodetuning length. The intensification by the phasemodulation resulted in 20 % for λL=2.44 μm.
Another result obtained by a similar experiment at
λL=2.82 μm is shown in Fig. 8, where the maximum FEL
energy has been obtained at the delay time 6.8 μs and thedetune shift to approximately zero detuning length. The
FEL energy has been increased to twice the peak value
obtained by the normal detuning.

Figure 7: The effect of the detune shift by the phasemodulation at the delay times 5.8, 6.3 and 6.8μs,
respectively.

JACoW / eConf C0508213

CONCLUSION
The detuning length of the FEL optical resonator giving
the maximum FEL gain has been deduced from themeasurement of the build up timing near the saturation of
the FEL power waveform at LEBRA. Modulation of thelinac accelerating RF phase has been proved to have thesame effect with the normal resonator length detuning. An
experiment has been performed to investigate the effect ofthe detune shift by the phase modulation in the beammacropulse. With the above resonator detuning length,
the FEL energy has been intensified by a factor 1.2 to 2
by the phase modulation which was initiated near thesaturation. The maximum FEL energy per macropulse has
been obtained with the phase modulation equivalent to thedetune shift to zero detuning length.

REFERENCES[1] P. Sprangle, C.M. Tang and Ira B. Bernstein,“Initiation of a Pulsed-Beam Free-Electron-Laser
Oscillator”, Phys. Rev. Lett. 50 (1983) 1775.
[2] K. Hayakawa et al., “The LEBRA 125MeV Electron
Linac for FEL And PXR Generation”, Proc. of
LINAC2004 (August 2004, Lubeck, Germany) 90.
[3] K. Yokoyama, K. Hayakawa, Y. Hayakawa, K.
Nakao, I. Sato, T. Tanaka, “Bunch Length
Measurements at LEBRA”, Proc. of LINAC2004(August 2004, Lubeck, Germany) 441.
[4] K. Ishiwata et al., “Development of Beam Position
Measurement System at LEBRA”, Proc. of the 1st
Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan and the 29th Linear Accelerator Meeting inJapan (in Japanese) (August 2004, Funabashi, Japan)
570.
[5] Y. Hayakawa et al., “ANALYSIS OF THE GAIN
SATURATION IN LEBRA FEL USING GENESIS”,
Proc. of the 1st Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan and the 29th Linear
Accelerator Meeting in Japan (in Japanese) (August
2004, Funabashi, Japan) 652.

466

21-26 August 2005, Stanford, California, USA

KEK Proceedings 2005-20

Proceedings of NANOBEAM2005,
36th ICFA Advanced Beam Dynamics
Workshop

Editors
Y. Honda, T. Tauchi and J. Urakawa
KEK, High Energy Accelerator Organization
Y. Iwashita and A. Noda
Kyoto University

Uji Campus, Kyoto University, Japan
October 17-21, 2005

Proceedings of NANOBEAM 2005, Uji, Kyoto University, Japan, October 17-21, 2005

KEK Proceedings 2005-20

Tunable and monochromatic light sources at LEBRA in Nihon University
Y. Hayakawa∗ , I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, A. Moria , T. Kuwada, T. Sakai,
K. Nogami, K. Nakao, M. Inagaki
Laboratory for Electron Beam Research and Application, Nihon University,
Funabashi, 274-8501, JapanaCollege of Pharmacy, Nihon University, Funabashi, 274-8555, Japan

Abstract

X-RaysX-RaysTwo tunable light sources, a free electron laser (FEL)
oscillator in the near infrared region and a Parametric Xray (PXR) generator, have been developed on the basis of
the 125-MeV electron linac in the Laboratory for Electron
Beam Research and Application (LEBRA) at Nihon University. The saturated FEL lasing has been obtained ina wavelength range from 1 to 6 µm, with the maximum
output energy of approximately 30 mJ per macropulse ataround 2.4 µm. The property of the PXR generator has
been investigated since the first observation of the PXRbeam in 2004. The tunability of the device to the X-ray
energy has been obtained in a range from 6 to 20 keV withthe resolution of a few eV. Various application studies havebeen performed using the FEL or the PXR beam.

X-Raysθ ~ φθθ(a) X-Ray Diffraction
2 d sin θ = n λφθ(b) Parametric X-Ray Radiation( PXR )
2 d sin θ ~ n λFigure 1: Schematic comparition between (a) Bragg
diffraction and (b) Parametric X-ray radiation.
2001 [1]. Since the first lasing, a great effort has been spent
for the improvement of the stability of the FEL system.
As the results, the saturated FEL lasing can be obtainedin a broad wavelength range from 1 to 6 µm and various
application studies have been already performed using thefundamental FEL and the nonlinear higher harmonics sincelate 2003.
The monochromatic X-ray generator is on the basis of
the phenomenon referred to as Parametric X-ray Radiation (PXR), which is schematically explained as shown in
Fig. 1 [2]. The observation of the X-rays from this new
source suceeded in April 2004 [3]. Application studies
using the PXR beam such as radiography have been conducted since July 2004.
Figure 2 shows schematically the layout of two beamlines for FEL and PXR. Both of them are connected withthe linac following the 90 ◦ bending section.

INTRODUCTION
In the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) at Nihon University, the developmentof a free electron laser (FEL) system and a monochromatic
X-ray generator has been advanced based on the basis of
125-MeV electron linac. Table 1 shows the specification of
the LEBRA linac. Although the linac is a conventional one
with no sub-harmonic buncher nor RF-gun, it has relatively
good performance as a middle-class one.
The FEL system is an oscillator type one and the firstlasing of was achieved at the wavelength of 1.5 µm in

Table 1: Specification of the LEBRA linac
maximum energy
acceleration frequency
klystron power
DC gun voltage
maximum pulse duration
macropulse beam current
maximum repetition ratenormalized emittance (rms)relativistic charged
particle

125 MeV2856 MHz
30 MW × 2
−100 kV
20 µs≤ 200 mA
12.5 Hz≤ 20π mm mrad

STATUS OF THE FEL SYSTEM
Since the 90 ◦ bending section acts a bunch compressor,
an electron beam with a rather short bunch length can beobtained at the FEL undulator. Therefore, the FEL system
has a relatively large FEL gain. For a wide tunability of the
FEL wavelength, silver coated mirrors of copper substrates
are used as the optical cavity mirror. With regard to shortest wavelength of the FEL system, the lasing at 800 nm has
been barely observed using a 100 MeV electron beam atpresent. Stable and saturated lasing, however, have beenobtained in a range from 1 to 6 µm. The specification of∗ email: yahayak@lebra.nihon-u.ac.jp448Proceedings of NANOBEAM 2005, Uji, Kyoto University, Japan, October 17-21, 2005

KEK Proceedings 2005-20

Figure 2: Beam lines for FEL and PXR connected with the 125 MeV electron linac.
the FEL system is shown in Table 2. In a wavelength range
from 2.0 to 6 µm the most intense FEL beam can be extracted. The maximum output energy per macropulse ataround 2.4 µm was estimated at approximately 30 mJ. The
phase modulation of the linac, which corresponds to the
dynamic cavity detuning during the macropulse, has been
attempted in order to increase the optical energy [4]. Typical results of this experiment is shown in Fig. 3.
Because the diffraction due to the small coupling hole ofthe cavity mirror causes the optical beam loss during thetransport, a beam expander system consisting of an elliptic and a parabolic mirrors was introduced into the guiding
optics system for user’s experimental facility [5, 6]. Thusfar, various studies, such as the ablation effect of dental
tissues and the synthesis of fullerene crystals, have been
performed using the fundamental FEL and the nonlinear
higher harmonics. Figure 4 shows an example of the ablation experiment for dental tissues using the FEL at the
wavelength of 3 µm [7].

Table 2: Specification of the LEBRA FEL system
undulator period
number of period
maximum K-value
electron bunch length (rms)peak current
FEL wavelength

48 mm
50
2
≤ 1 ps≥ 20 A
0.8–6.1 µm

Figure 3: Typical shape of the FEL macropulse (upper)
without and (lower) with the phase modulation.

449

Proceedings of NANOBEAM 2005, Uji, Kyoto University, Japan, October 17-21, 2005

KEK Proceedings 2005-20

Table 3: Specification of the PXR generator
electron energy
average current
target (radiator)
target crystal thickness
X-ray energySi(111)Si(220)

4–21 keV
6.4–34 keV

diography is one of the most suitable applications of the
PXR beam. Figure 6 shows the typical X-ray images takenusing the PXR beam. These are raw images without any
normalization except the white and black level adjustment.
In addition to the monochromaticity of the X-rays, the positon resolution is rather fine because the electron beam spot
on the target crystal behaves as a point-like source. Thusfar, radiography for biological samples is the most popularapplication of the PXR beam.
The PXR beam has an interesting property as shown in
Fig. 7. The X-ray energy has the spatial distribution with alinear gradient horizontally. Figure 8 plainly demonstrates
the effect of this property. The X-ray image explains that
the X-ray absorption of copper discontinuously changes at
the K absorption edge of 8.9 keV. Since the energy is lower
than that of the K absorption edge of zinc, the absorption
by a zinc foil is weak and flat. The rapid change of the
X-ray absorption at the absorption edge suggest that the
distribution of the PXR beam has the energy resolution of afew eV. Thus, the measurement of the X-ray absorption finestructure (XAFS) seems to be one of the most promising
application of the PXR based source.

Figure 4: Ablation effect of dental tissues.

STATUS OF THE PXR GENERATOR
The PXR generator consists of two silicon perfectcrystal plates mounted on precise moving mechanisms with(+, −) parallel arrangement to implement wide tunability.
Figure 5 shows the concept of the system.
The property of the X-ray source has been investigatedsince the first observation of the PXR beam. The tunabilityof this device to the X-ray energy has been experimentallyobtained in a range from 6 to 20 keV by use of Si(111)planes. Since the actual X-ray beam obtained from the
PXR generator has a rather uniform spatial profile, the ra-vacuum chamberXradiator

100 MeV
5 µA
Si perfect crystal
0.2 mmreflector

SUMMARYθz

The FEL oscillator in the near infrared region and the
PXR generator have been developed on the basis of LEBRA linac and application studies have been already conducted. The FEL system cover the near infrared region
from 1 to 6 µm and the application such as the ablation experiments have been actively performed. The investigationof the PXR property is in progress and preliminary application have been also attempted. In future, the developmentof applications , such as the tunability or the time structureof the light source, is expected.

θzpermanent
Q-magnetY

ACKNOWLEDGMENTS
electronbeam

The development of this new x-ray source has been supported by the ”Academic Frontier” Project for Private Universities: matching fund subsidy from MEXT, 2000-2004.
Part of the work was also supported by MEXT.KAKENHI(15760039).

PXR

Figure 5: Scheme of the PXR generator. The generator
consists of a double-crystal system in a vacuum chamber.

450

Proceedings of NANOBEAM 2005, Uji, Kyoto University, Japan, October 17-21, 2005

KEK Proceedings 2005-20

Figure 6: Examples of radiograph by the PXR beam.

x−ray energy [ keV ]14

227 (2005) 32.
[3] Y. Hayakawa et al., Proc. of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan, (2004) 60.

13.5[4] K. Hayakawa, et al., Proc. of the 2ndt Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan and the 30th Linear
Accelerator Meeting in Japan, (2005) 117.
13
−40

0
position [ mm ][5] T. Tanaka et al., Proc. of the 26th Int. Free Electron Laser
Conf. and 11th FEL Users Workshop, (2004) 427.

40[6] T. Tanaka et al., Proc. of the 2ndt Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan and the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan, (2005) 28.

Figure 7: Spatial distribution of the PXR energy at the center energy of 13.5 keV. It has a linear gradient along thehorizontal direction.

[7] T. Sakae et al., Int. J. of Oral-Medical Sciences Vol.4 (2005)
8.

Figure 8: Demonstration of the effect attributed to the horizontal energy shift in the PXR profile in the case of the
X-ray energy of 9 keV. Upper sample is a copper foil andlower is a zinc one.

REFERENCES[1] Y. Hayakawa, I. Sato, et al.: Nucl. Instrum. & Methods A
483 (2002) 29.
[2] Y. Hayakawa, I. Sato, et al.: Nucl. Instrum. & Methods B

451

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

STATUS OF 125MeV LINAC AND LIGHT SOURCE AT LEBRA*
Toshinari Tanaka1A), Isamu SatoB), Ken HayakawaA), Yasushi HayakawaA), Akira Mori2A), Kyoko NogamiA),
Takeshi SakaiB), Kenichiro Ishiwata3C), Keisuke NakaoC), Manabu InagakiB), Akio Kidokoro4C),
Hiroshi Takasaki5C), Shigeki FukudaD), Atsushi EnomotoD), Satoshi OhsawaD), Tetsuo ShidaraD),
Tsuyoshi SuwadaD), Kazuro FurukawaD), Shinichiro MichizonoD)
A)
Institute of Quantum Science, Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities (ARISH), Nihon University,
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
C)
Graduate School of Science and Technology, Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
D)
Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 1-1 Oho, Tsukuba, 305-0801
Abstract
In the last couple of years, about 300 items of FEL or PXR user experiment were conducted at LEBRA. Total
operation time of the 125-MeV linac in the last 1 year was about 1250 hr, most of which was appropriated for user
experiments as a result of improvement on the performance of the linac and the stability of the FEL power. Damage to
the FEL resonator mirrors due to high laser power was found after application of the mirrors over approximately 1 year,
which was significant at around the fringe of the coupling hole for extraction of the FEL power.

日大電子線利用研究施設125MeVリニアックおよび光源の現状の実現と整備が急がれたが、実用化が遅れたため利用研究が最終年度である2004年度に集中した。

１．はじめに日本大学量子科学研究所の電子線利用研究施設（LEBRA）で共同利用が開始されてから約２年が２．加速器稼働状況経過した。現在LEBRAでは、125MeV電子リニアッ
クを利用して発生させる自由電子レーザー（FEL）
2.1 運転時間の推移とパラメトリックＸ線(PXR）を主要な研究用光源
2004年6月から2005年5月までの最近1年間のリニとして共同利用に提供している。また、これに加えアック稼働時間の推移を月毎に集計し図1のグラフ
リニアックに依存しないＸ線利用研究、さらにPXRに示した。図1において各月の棒グラフは、左から利用研究の予備実験と研究訓練が行えるよう、試料それぞれクライストロンパルスモジュレーター電源
作成環境の他に通常のＸ線装置・解析装置が整備さ投入時間（LV ON）、1号機クライストロン高圧印
れていることも施設の特長である。
加時間（#1 HV ON）、2号機クライストロン高圧印
FELのユーザーによる利用実験が開始されたのは加時間（#2 HV ON）、ビーム利用時間（BEAM2003年10月である。一方PXRはビームラインが2004
ON）を示す。パルスモジュレーターはほとんどの
年3月末から使用可能となり、Ｘ線の利用開始は同利用で出力RFパルス幅20µs、繰り返し2Hzで運転し年6月であった。PXRは準単色のコヒーレントなＸており、短時間ではあるが5Hzまで繰り返し数を上線源であり、しかもLEBRAにおいては点光源に近げた運転も行っている。電子ビームエネルギーはいという利点により、これまでＸ線による透過画像
FELでは利用波長に依存して50～100MeVの範囲での撮像を主目的として共同利用が行なわれている[1]。 調整し、PXRでは100MeVのみで運転している。
図1の統計におけるBEAM ON時間には、ビーム利LEBRAにおけるFELとPXRの共同利用は2000～
用実験の都合によりマシンタイム中に随時ビームを
2004年度にかけて文部科学省の学術フロンティア推
停止している時間は含まれていない。しかしこの間進事業に選定された「可変波長高輝度単色光源の高もクライストロン出力RFパルスは停止させていな
度利用に関する研究」を推進する基盤であり、光源いので、リニアックのオペレーターが席について*

文部科学省学術フロンティア推進事業（平成12年度～平成16年度）
E-mail: tanaka@lebra.nihon-u.ac.jp
2
Present Address: College of Pharmacy, Nihon University
3
Present Address: College of Humanities and Sciences, Nihon University
4
Present Address: Mutoh Co., Ltd.
5
Present Address: Fujitsu Support and Service Inc.
1

-28-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

一方、2号機には2003年6月からコイル巻形状と線材を改良したパルストランスを採用していたので、上記作業の際に併せて状態を調べたが、タンク内に設置したまま目視で確認した範囲では約1年半の使用にかかわらず放電痕は見られなかった。
タンク内放電は、リニアックのビームエネルギー増強を実現する上で深刻な問題であり、改良後のパルストランスは信頼性が向上したと期待されるが、ヒータートランスの放電は未だ解消していない可能性があり不安が残る。
2.3 加圧導波管内放電
LEBRA の リ ニ ア ッ ク RF 立 体 回 路 の う ち 、 バ ン
チャー系のΦAを含む一部にSF6 加圧仕様（最大1.5気圧で使用）の導波管が使われており、2004年12月
から放電が多発し始めた。このため立体回路を分解したところΦA前後の複数のフランジ面に多くの放電痕が見られた。フランジの損傷は深刻ではなかったためフランジ面を磨き、導波管断面の長辺に沿ってフランジ表面に粘着銅テープを貼ることで電気的接触の改善を図った結果、これらのフランジにおける放電は抑えられた。
しかしその後ΦAのさらに下流において放電が発生するようになり、放電が激しくなった2005年2月
初めに立体回路を分解したところ、導波管フランジの1ヶ所にO-リングとともに使われるはずのRFコン
タクターが無いことが判明した。このためRFコン
タクターを付けフランジ面をやはり銅テープで補修した結果放電の頻度は極端に減少した。そして3月中旬に一度だけ放電が激しく繰り返された後、ほとんど加圧導波管部での放電は観測されていない。立
体回路組立の記録から、問題のフランジはこの約4
年間RFコンタクター無しであったと思われる。

図 1. 最 近1年間における月間加速器運転時間の推移。各月において左からモジュレーター電源投入時間、1号機および2号機クライストロン高圧印加時
間、ビーム利用時間を示す。

ビーム利用可能な状態を維持している時間を事実上リニアックの運転時間と考えると、#1 HV ONかつ
#2 HV ONの時間が運転時間にほぼ対応する。
通常の運転では常に2台のクライストロンは同時に高圧を印加しているためHV ON時間はほとんど同じである。2004年8月だけ特に運転時間が短かったのは、大学全体の夏期休暇が集中したことと実験申込がほとんどなかったこと、さらに制御用PCが不調で回復に時間を要し、約1週間運転不能だったことによる。
昨年度の年間運転時間は約1500時間と見込んでいたが、上の基準に従うと最近1年間の運転時間実績
は約1250時間である。今年3月で学術フロンティアの研究計画が一旦終了したのに伴いユーザーの実験
課題申請が一段落したことと古くなった冷却装置と配管の更新工事を行なったため、3月からの運転時間が減少していることが影響して予想をかなり下回
る結果となった。クライストロンの故障等マシント
ラブルによる長期間の利用停止を招く事態はこの1年間発生していない。

2.4 真空度の変動
クライストロンを長パルスで安定動作させRF窓の破損を避けるには、動作中のRF窓付近の真空を良好に保つことが極めて重要である。このため
LEBRAではクライストロンRF窓下流側の真空度を常時監視し動作の目安としている。最近リニアック
停止中でもRF窓下流と加速管のイオンポンプ電流の悪化・自然回復が数回観測された。Heリークディ
テクターによる真空リークの調査を試みたが、リークは見つかっていない。
加速管に関しては、マニホールドで接続された2台のイオンポンプの振舞が連動していないことから、
真空リークの他にイオンポンプ本体の劣化による暗電流増加の可能性も考えられるが、まだ原因は特定されていない。

2.2 クライストロンアッセンブリタンク内の放電

クライストロンアッセンブリタンク内に設置されているパルストランスとヒータートランスにおいて
現状で数日の運転に1回程度の割合で放電が発生している。経験的には、この放電により徐々にトランスの絶縁体の炭化が進み耐圧が劣化して、最終的に放電が頻発し使用不能に陥る。LEBRAでは日本電磁工業の協力でこれまでに3回のヒータートランス
改良を試みているが、1号機のヒータートランスは一世代前の改良品で耐圧が不十分だったため2004年
３．光源の利用状況
10月になって放電が頻発し、結局2003年11月から2号機に用いている最新の改良品と同型に更新した。
ヒータートランス更新の際にパルストランスの状
3.1 共同利用の状況
態を目視で確認したところ、従来のパルストランス
LEBRAではFELとPXRを同時に利用することは現にも共通して生じていた位置に放電痕が見られたことから、近い将来更新するための準備を進めている。 在不可能であるため、それぞれの利用は別々にマシ-29-Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

PXR用電子ビームラインの利用開始以来90°偏向系に用いている四極電磁石の励磁電流極性を間違えていたことが2004年12月になって判明し、修正してからは電子ビームとＸ線強度の安定度が改善された。
3.2 FEL共振器ミラーの劣化
FELの共振器には2003年8月以来、銀蒸着銅基板
ミラーを使用しているが、2004年9月にFEL光輸送部工事の際に共振器ミラーの状態を調べたところ、共振器上流下流ともにミラーの一部に破損が見られたため、更新した。FEL取り出し用結合孔のある上流ミラーの破損の様子を図3の顕微鏡写真に示す。
このミラーの結合孔は直径0.3mmである。銀蒸着が特に結合孔周辺で集中的に変色・剥離し銅基板表面が露出している。
図2．リニアックのビーム利用開始からの月間マシン
タイム割当件数の推移。縦軸は割当件数である。
ユーザーによる共同利用実験は2003年10月から開始している。

ンタイムを割り当てて行われている。また、利用実
験以外にリニアックや光源装置の調整運転・性能試
験等も独立にマシンタイムを割り当てている。リニ
アックの調整にかかる時間を節約するため、昨年度
図3. FEL共振器の取り出し用結合孔のあるミラーのは概ね隔週でFELとPXRの利用実験を交代で行うよ
破損を示す写真。左はミラー全体、右は中心部の拡うマシンタイムの調整を行った。
大写真。結合孔付近では銀蒸着部分が変色・剥離し、銅基板が露出している。
2003年のビーム使用開始以来、月毎のマシンタイ
ム割り当て結果は図2のようになっている。ここで、代替用には結合孔直径0.4mmで同一曲率のミラー
利用目的を1)リニアックのエージング・実験・調整があったので現在はこれを使用している。結合係数
運転、2)FEL装置の調整・試験、3)FEL利用実験、が大きくなったため約1µm以下の短波長側では発振
4)PXR装置の調整・試験、5)PXRの利用実験、の5項が難しい状態である。また、FEL取り出し直後に置目に分類しマシンタイムを割り当てた件数を集計しかれているAl蒸着ミラーにも劣化が生じ、実験室にてある。2年間におけるビーム利用のマシンタイム
導かれるFELパワーが一時低下していたが、平面ミ
割当は約300件に上る。使用開始から現在に至るまラーで位置調整が可能なため劣化部分を避けて使用での推移として、初期の頃は電子ビームの安定化のしている。
ためクライストロンのエージングとクライストロン
電源の調整に多くの時間を割いたが、その後FELの４．まとめ
発振安定化に向けた調整運転が多くを占め、最近1
リニアックとFELの安定化、さらにPXRの実用化
年間はFELとPXRの利用実験に大部分のマシンタイにより、約2年間の共同利用で約300件のマシンタイ
ムを割り当てられるようになった。
ムをユーザー利用実験に提供することが出来た。現
これまでのところ、マシンタイムは概ねユーザー
在FELは1.3～6µm、またPXRは6～20keVの範囲で利の希望通りに割り当てることができ、利用実験も予用可能である。この1年間、リニアックに関しては
定通り行われてきた。FELの利用可能波長範囲は、
長期間ビーム停止を要する故障は起きていない。
後述のように共振器ミラーの更新があり発振範囲がFEL共振器ミラーを銀蒸着に換えて以来約1年間使狭くなったため、現在のところ1.3µm～6µmで可能用した結果、実用にはなるものの依然として耐久性に問題があることが分かり今後の課題となっている。
である。FELの利用は実験内容毎に専用の実験室まで光を導いて行われている。一方PXRについては低参考文献
エネルギー側でカプトンの取り出し窓による吸収が大きいものの、加速器本体室内のPXR発生装置から[1] T.Tanaka et al., Proceedings of the 1st Annual
隣接する大実験室に取り出され、点光源に近い準単
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and
色Ｘ線の特長を利用して主に透過画像撮像への応用
the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (Aug.
4-6, 2004, Funabashi) p22.と集光ミラーによる集光実験が行われている。PXR
は6keV～20keVの範囲での利用実績がある。

-30-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

THE FUTURE VIEW OF PRAMETRIC X RAY*
I. samu Sato䌁䋩, K. Hayakawa䌂䋩, T. Tanaka䌂䋩, Y.Hayakawa䌂䋩; T. Kuwada䌁䋩, T. Sakai䌁䋩; K. Nogami䌂䋩,Y. Takahashi䌃䋩, K. Suzuki䌃䋩, Y. Tanaka䌄䋩, T. Sakae䌅䋩, A. Mori䌆䋩, K. NakaoG䋩, Y. OkuG䋩, M. InagakiA䋩;䌁䋩Advanced Res.Inst. for the Sciences & Humanities, Nihon Univ.;䌂䋩Inst. of Quantum Science,Nihon Univ.; 䌃䋩College of Science &Technology, Nihon Univ.;䌄䋩
School of Medicine, Nihon Univ.; 䌅䋩School of Dentistry at Matsudo, Nihon Univ.;䌆䋩College of Pharmacy, Nihon Univ.; G䋩Grad. School of Science & Technology, Nihon Univ.;
Abstract
In the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) of Nihon University, it succeeded inworld's first utilization of the parametric X-rays (PXR) using an electron linear accelerator in April, 2004. This
success was largely responsible for the quality electron beam of the 125MeV electron linear accelerator for FEL.
The peculiarity of PXR is in strong directivity and semi- monochromaticity and is that the energy of X-rays iseasily changeable further. Now, the use experiment which utilizes this peculiarity is tried variously. If the special
peculiarity of PXR is utilized, in use of ordinary X ray equipments or a synchrotron orbital radiation institution,
the experiment of a low possibility is usually possible. Here, some examples are taken up and the future view ofparametric X-rays is described.

ࡄ࡜ࡔ࠻࡝࠶ࠢ㨄✢ߩ੹ᓟߩዷᦸ
䋱䋮䈲䈛䉄䈮㩷
๟ᦼ⊛䈮ᄌൻ䈜䉎ᇦ⾰䉕ᮮಾ䉎☸ሶ䈱᡼኿䈲䇮䋱䋹䋵䋷ᐕ䇮䉸ㅪ䈱 㪰㪸㪅㪙㪅㪝㪸㫀㫅㪹㪼㫉㪾 䈫 A.Khzhyak䋱䋩䈮䉋䈦䈩ೋ䉄䈩⠨ኤ䈘䉏䈢䇯䈖䈱⒳䈱᡼኿䈲䇮⚿᥏䈮ᔕ↪
䈘䉏䈢ᅤ䈒䇮䋱䋹䋷䋰䌾䋱䋹䋸䋰ᐕઍ䈮䇮Ớ❗䈘䉏䈢ᇦ⾰ਛ䈱㜞䉣䊈䊦䉩䊷㔚⏛䊒䊨䉶䉴 䋲䋩䇮㜞䉣䊈䊦䉩䊷☸
ሶ䈱⚿᥏ਛ䈱䉼䊞䊈䊥䊮䉫䇮᡼኿䈫෻ᔕ䋳䋩䇮䌘✢䈱䊃䊤䊮䉳䉲䊢䊮᡼኿⃻⽎ 䋴䋬䋵䋬䋶䋩 䈫䈚䈩䇮ടㅦེ䈅䉎਎⇇ਛ䈱⥋䉎䈫䈖䉐䈪⎇ⓥ䈘䉏䈢䇯෶䇮䉸ㅪ䈪䈲䇮䋱䋹䋸䋰ᐕઍ䈱ᓟඨ䈎䉌䇮䊑䊤䉾䉪ⷺㄭற䈱ታ㛎䈫䈚䈩䇮㪫㫆㫄㫊㫂 䈱㔚ሶ䉲䊮䉪䊨䊃䊨䊮䈱䋹䋰䋰䌍䌥䌖㔚ሶ䊎䊷䊛䈮䉋䉎䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪䌘✢᡼಴䋨䌐䌘䌅䋩䋷䋩ᚗ䈇䈲 㪢㪿㪸㫉㫂㫆㫍 䈱㔚ሶ䊥䊆䉝䉾䉪䈱䋲䋵䌍䌥䌖㔚ሶ䊎䊷䊛䈮䉋䉎䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪䌘✢᡼኿䋨䌐䌘䌒䋩䈱ᄢ䉁䈎䈭․ᕈ䋸䋬䋹䋬䋱䋰䋩䈏᷹ቯ䈘䉏䈩䈇䈢䇯ᦝ䈮䇮㪘㪅㪭㪅㪪㪿㪺㪿㪸㪾㫀㫅䋱䋱䋩䉌䈲䇮㪢㪿㪸㫉㫂㫆㫍 䈱㔚ሶ䊥䊆䉝䉾䉪䈫ಽ⸃⢻䈱⦟䈇䌘✢ᬌ಴ེ䉕૶䈦䈩䇮䌐䌘䌒․ᕈ䉕᷹ቯ䈚䈠䈱⹦⚦᭴ㅧ䉕᣿䉌䈎䈮䈚䈢䇯㩷䌐䌘䌅ᚗ䈇䈲䌐䌘䌒䈲㜞䉣䊈䊦䉩䊷䈱㔚ሶ䊎䊷䊛䈪න⚿᥏䉕ᾖ኿䈜䉎䈫䇮㔚ሶ䊎䊷䊛䈏೙േ䈘䉏䈩ユ኿䈜䉎㱏✢એᄖ䈮䇮න⚿᥏ਛ䉕⩄㔚☸ሶ䈏ㅢㆊ䈜䉎䈫䈐䈮⊒↢䈜䉎శሶ䈱ᝄ䉎⥰䈇䈏䉼䉢䊧䊮䉮䊐శ䈮䉋䈒ૃ䈢ᕈ⾰䈱 㪯 ✢䉕⊒↢䈜䉎䈱䈪 㫈㫌㪸㫊㫀㪄㪚㪿㪼㫉㪼㫅㫂㫆㫍 䈫䉅๭䈳䉏䈩䈇䉎䇯㩷䌐䌘䌒䈱ሽ࿷䈲䇮䉲䊮䉪䊨䊃䊨䊮᡼኿䈱㒶䈮㓝䉏䈩⹤㗴䈮਄䉌䈭䈎䈦䈢䈏䇮䉸ㅪ䈪䋱䋹䋸䋰ᐕઍ䈮䇮䈖䈱 㪯✢䈏න⦡䈮ㄭ䈇․ᕈ䉕䉅䈧䈖䈫䈏ታ㛎⊛䈮⏕䈎䉄䉌

-114-

䉏䉎䈫䇮ᰴ╙䈮ᵈ⋡䈘䉏䉎䉋䈉䈮䈭䈦䈢䇯㩷ᣣᧄ䈪䈲䇮ቇ⧓ᄢ䈱ᣂ↰ 䋱䋲䋩 䈏⚿᥏ౝ䈱 㪤㪸㫏㫎㪼㫃㫃㩷
ᣇ⒟ᑼ䈱៨േ⸃䉕ၮᧄ䈮⚿᥏ౝ䈪⋧ኻ⺰⊛㔚ሶ䈎䉌䈱䉮䊍䊷䊧䊮䊃᡼኿䋨䌐䌘䌒䋩䉕⸃ᨆ⊛䈮⴫␜䈜䉎䈖䈫⹜䉂䇮ᐢፉᄢ䈱㆙⮮ 䋱䋳㪀 䇮੩ㇺᄢ䈱ᣧᎹ 䋱䋴䋩 䈱䉫䊦䊷䊒䈲䇮ᩭ⎇䈱㔚ሶ䉲䊮䉪䊨䊃䊨䊮䉇੩ᄢ䈱㔚ሶ䊥䊆䉝䉾䉪૶䈦䈩䌐䌘䌒⸘᷹ታ㛎䉕ⴕ䈦䈢䇯㩷䈚䈎䈚䇮䈖䈱 㪯 ✢䈲䇮⊒↢Ḯ䈪㱏✢䉇ਛᕈሶ䈭䈬䈱᡼኿✢䉅หᤨ䈮⊒↢䈜䉎䈢䉄䈮䇮䈖䉏䉌䈱᡼኿✢䈫 㪯 ✢䈱ಽ㔌䈏࿎㔍䈭䈖䈫䈎䉌䇮㪯 ✢Ḯ䈫䈚䈩䈲ᵴ↪
䈘䉏䈩䈇䈭䈎䈦䈢䇯㩷䋲䋮䌐䌘䌒⊒↢ⵝ⟎㩷ᣣᧄᄢቇ⎇ⓥᣉ⸳䋱䋵䋩䈪䈲䇮䌐䌘䌒䈱ఝ䉏䈢․ᕈ䈮ᵈ⋡䈚䇮㪝㪜㪣 ↪㔚ሶ䊎䊷䊛䈱․ᕈ䉕↢䈎䈚䇮ᜰะᕈ䈱ᒝ䈇න⦡ 㪯 ✢䈱ታ↪ൻ䉕⹜䉂䉎䈖䈫䈮䈭䈦䈢䇯㩷䌐䌘䌒䈲䇮࿑䋱䈮␜䈜䉋䈉䈮䇮䋲ᨎ䈱න⚿᥏᧼䈮 㪯 ✢⊒↢䈫 㪯 ✢෻኿䈱ᓎഀ䉕ಽᜂ䈘䈞䇮䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪 㪯 ✢䈫㱏✢䉇ਛᕈሶ䈭䈬䈱᡼኿✢䈫ಽ㔌䈚䇮㪯 ✢䈱䉂䉕ታ㛎ቶ䈮ャㅍ䈚䇮ᦝ䈮䇮㔚ሶ䊎䊷䊛䈮ኻ䈜䉎න⚿᥏㕙䈱ᾖ኿ⷺᐲ䉕ᄌ䈋䉎䈫䌐䌘䌒䈱䉣䊈䊦䉩䊷䈏นᄌ䈮䈪䈐䉎䈖䈫䈎䉌䇮䉣䊈䊦䉩䊷นᄌ䈭න⦡ 㪯 ✢⊒↢ⵝ⟎䉕⸳⸘䈚䇮ቇⴚ䊐䊨䊮䊁䉞䉝ផㅴ੐ᬺ䈏䉴䉺䊷䊃䈚䈢䋲䋰䋰䋰ᐕ䋴᦬䈮⵾૞䉕㐿ᆎ䈚หᐕ䋱䋲᦬䈮䌐䌘䌒⊒↢ⵝ⟎ 䋱䋶䋩䈲ቢᚑ䈚䈢䇯䈚䈎䈚䇮䌆䌅䌌⊒ᝄ䉕ᦨఝవ䈮䈚䈢䈢䉄䈮䇮䌐䌘䌒䈱䊁䉴䊃ታ㛎䈏ᄢ᏷䈮ㆃ䉏䇮਎⇇ೋ䈱䌐䌘䌒䈱ታ↪ൻ䈲䋲䋰䋰䋴ᐕ䋴᦬䈮䈝䉏䈢䇯㩷Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)࿑䋱㩷 䌐䌘䌒䈱㈩⟎࿑㩷 䋺㩷 㔚ሶ䊎䊷䊛䈲⚕㕙䈱ฝ஥ਅ䈎䉌ଏ⛎䈘䉏䇮䋴䋵ᐲ஍ะ㔚⏛⍹䋲บ䈪Ꮐᣇะ䈮䋹䋰ᐲᦛ䈕䉌䉏䇮⭯䈇䌓䌩න⚿᥏᧼䋨╙䋱න⚿᥏䋩䉕ᾖ኿䈜䉎䇯䌐䌘䌒䈲㔚ሶ䊎䊷䊛䈱ᣇะ䈫╙䋱න⚿᥏㕙䈏䊑䊤䉾䉪ⷺ䉕ᚑ䈜ᣇะ䈮᡼኿䈘䉏䇮╙䋲න⚿᥏䈪ᦝ䈮䊑䊤䉾䉪ⷺ䈮ᣇะ䈮஍ะ䈘䉏䇮㔚ሶ䊎䊷䊛䈫ᐔⴕ䈮ข䉍಴䈘䉏䇮ታ㛎ቶ䈮ャㅍ䈘䉏䈩䈇䉎䇯㩷㩷䌌䌅䌂䌒䌁䈲䇮⍴ᵄ㐳 㪝㪜㪣 䈫䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪 㪯 ✢䉕౒↪
䈜䉎䈖䈫䈮䉋䉍䇮⿒ᄖ✢䈎䉌 㪯 ✢䉁䈪䈱ᐢ䈇㗔ၞ䈪䇮นᄌᵄ㐳䈱ᜰะᕈ䈱ᒝ䈇න⦡శ䉕೑↪䈪䈐䉎਎⇇ೋ䈱䊡䊆䊷䉪䈭౒ห೑↪⎇ⓥᣉ⸳䈏⺀↢䈜䉎䈖䈫䈮䈭䈦䈢䇯㩷䋳䋮䌐䌘䌒䈱․ᕈ㩷ㅦᐲ䊔䉪䊃䊦䌶
䌶䈱㔚ሶ䈏න⚿᥏ᩰሶ䊔䉪䊃䊦䌧䌧䉕ㅢㆊ䈜䉎䈫䌐䌘䌒䈱䉣䊈䊦䉩䊷䌅䌸䈲䇮㩷䌧䊶䌶䌶䌼㩷䌨䋪䌣䋪䌼䌧
䌅䌸䋽㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 㩷 䋨䋱䋩㩷
䌶䊶㱅㩷
䌣䋪䋭䌶
䈪⴫䈘䉏䉎䇯䈖䈖䈪䇮䌨䈲䊒䊤䊮䉪Ᏹᢙ䈪䌨䋪䋽䌨䋯䋲㱜䇮㱅䈲䌐䌘䌒䈏
㱑䌯䈲⚿᥏䈱⺃㔚₸䈪䌣 䋪䋽㪺䋯㱑䌯䋱䋯䋲䇮㱅᡼಴䈘䉏䉎ᣇะ䈱න૏䊔䉪䊃䊦䈪䈅䉎䇯㩷䉅䈚䇮౉኿㔚ሶ䈱ᣇะ䈫಴኿䌘✢䈱ᣇะ䈏䊑䊤䉾䉪᧦ઙ䉕ᱜ⏕䈮ḩ⿷䈜䉎䈫䊑䊤䉾䉪࿁᛬䈮䉋䈦䈩ᢔੂ䈘䉏䉎䌘✢䈱䉣䊈䊦䉩䊷䈏䋨䋱䋩䈪⴫䈘䉏䉎䉣䊈䊦䉩䊷䈫╬䈚䈒䈮䈭䉎䇯䈖䉏䈲䇮䌐䌘䌒䈱䉣䊈䊦䉩䊷䈏䊑䊤䉾䉪ⷺ䈪ᄌ䉒䉎䈖䈫䉕ᗧ๧䈜䉎䇯㩷䌓䌩න⚿᥏䈱䋨䋱䋱䋱䋩㕙䈮䋱䋰䋰䌍䌥䌖㔚ሶ䊎䊷䊛䉕䋷㪅䋵ᐲ䈱ⷺᐲ䈪ᾖ኿䈚䈢䈫䈐䈱䌐䌘䌒䈱䉣䊈䊦䉩䊷䈫ᒝᐲ䈱ᄌൻ䈱⸘▚଀䉕࿑䋲䈮␜䈜䇯ℂᗐ⊛䈭䌐䌘䌒䈲䊄䊷䊅䉿⁁䈱ⓨ㑆ಽᏓ䋨࿑䋲䈲䈠䈱ᢿ㕙䋩䉕䈚䈩䈇䉎䈏䇮䉣䊈䊦䉩䊷䈏ᄢ䈐䈒䈮䈭䉎䈮䈧䉏䈩ಽᏓ䈲৻᭽ൻ䈜䉎䇯㩷⃻࿷䇮䌐䌘䌒䈱นᄌ䉣䊈䊦䉩䊷▸࿐䈲䇮㐳ᵄ㐳䈪䈲⓹䉇ⓨ᳇䈮䉋䉎ๆ෼䈱໧㗴䈫䊑䊤䉾䉪ⷺᄢ䈐䈒䈭䉎㩷-115-㩷࿑䋲㩷 䊑䊤䉾䉪ⷺ䋷㪅䋵ᐲ䈱䌐䌘䌒䉴䊕䉪䊃䊦㩷㩷䈫⚿᥏⴫㕙䈱㔚ሶ䊎䊷䊛䉴䊘䉾䊃ኸᴺ䈏ዊ䈘䈒䈭䉍䇮⚿᥏⎕უ䈏 ᔨ䈘䉏䉎䈢䉄䇮䋶䌫䌥䌖䌾䋲䋰䌫䌥䌖䈮೙㒢䈚䈩䈇䉎䇯㩷
࿑䋳䈮䈲䇮䌐䌘䌒䈱䉣䊈䊦䉩䊷䉕ᄌ䈋䈩⌀㎕䈫䌚䌮䌓䌥䈱䌘✢ๆ෼䉴䊕䉪䊃䊦䉕᷹ቯ䈚䈢଀䉕␜䈚䈢䇯䈖䈱䉋䈉䈮䇮䌐䌘䌒䈮䈲䇮㌃䇮੝㋦䇮䉶䊧䊮䈱ๆ෼䉴䊕䉪䊃䊦䈏◲න䈮ᓧ䉌䉏䉎․ᓽ䉕ᜬ䈦䈩䈇䉎䇯㩷䋴䋮䌐䌘䌒䈱዁᧪ዷᦸ㩷䊌䊤䊜䊃䊥䉾䉪䌘✢䋨䌐䌘䌒䋩䈱ታ↪ൻ䈲䇮◲ଢ䈮䉣䊈

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)䊦䉩䊷䈏ᄌ䈋䉌䉏䉎න⦡䌘✢శḮ䈱ታ⃻䉕ᗧ๧䈚䇮෶䇮ᜰะᕈ䈱ᒝ䈇䉮䊍䊷䊧䊮䊃䌘✢䈱಴⃻䈮䉋䉍䇮シ䈇ర⚛䈪᭴ᚑ䈘䉏䉎᦭ᯏ‛⾰䈏ዋ䈭䈇䌘✢✢㊂䈪㜞䉮䊮䊃䊤䉴䊃᠟௝䈏ᓧ䉌䉏䈩䈇䉎䇯䈖䉏䈲዁᧪䉧䊮䈭䈬䈱ක≮⸻ᢿ䈏⊛⏕䈮䈪䈐䉎䈖䈫䉕␜ໂ䈜䉎䈫䈫䉅䈮䇮䈖䉏䈎䉌䈱䌘✢૏⋧ቇ䈱⊒ዷ䉕㘧べ䈘䈞䉎น⢻ᕈ䈏㕖Ᏹ䈮㜞䈇䇯ᦝ䈮䇮㪧㪯㪩 䈏⚂䋱䋦䈱৻ᰴ㑐ᢙ⊛䈭䉣䊈䊦䉩䊷ಽᢔ䉕ᜬ䈧䈖䈫䈎䉌䇮․ቯ‛⾰䈱䌘✢ๆ෼ᓸ⚦᭴ㅧ䋨䌘䌁䌆䌓䋩ᤋ௝䈏ᓧ䉌䉏䇮ᄢဳ᡼኿శᣉ⸳
䈪䉅㐳ᤨ㑆⸘᷹䉕ⷐ䈜䉎䌘䌁䌆䌓䉕⍴ᤨ㑆䈪⸘᷹䈪䈐䉎น⢻ᕈ䈏㜞䈇䇯෶䇮䌆䌅䌌↪㔚ሶ䊥䊆䉝䉾䉪䈱㔚ሶ䊎䊷䊛䈲䇮䊚䉪䊨䊎䊷䊛䊌䊦䉴᏷䈏䇮⚂䋰㪅䋵䌰䌳䈪䈅䉍䇮䊙䉪䊨䊎䊷䊛䊌䊦䉴䈱㔚ᵹ䈏䋲䋰䋰䌭䌁䈱႐ว䇮ው㗡㔚ᵹ䈲䋱䋴䋰䌁䈮䈭䉍䇮䈅䉎⍍㑆䈲䇮䈫䈩䈧䉅䈭䈇᣿䉎䈇䌘✢Ḯ䈪䈅䉎䇯㩷
䈚䈎䈚䇮ᱷᔨ䈭䈏䉌䇮ᣣᄢ䈱䋱䋰䋰䌍䌥䌖㔚ሶ䊥䊆䉝䉾䉪䈲䇮䊙䉪䊨䊌䊦䉴䈏䋲䋰㱘䌳䈱䋲䌈䌺ㆇォ䈪䊂䊠䉡䊁䉞䊷䈏䋲㪅䋵㬍䋱䋰 㵪䋵䈪䈅䉍䇮਌䈧䇮䋴䋰㬍䋲䋰䌭䋲䈱භ᦭㕙
Ⓧ䉕૶↪䈚䈩䈇䉎䇯䈖䉏䈏䌐䌘䌒᥉෸䈱ᦨᄢ䈱㓚ኂ䈪䈅䉍䇮䈖䉏䉕䋴㬍䋲䌭䋲䈮䈜䉎ᣇᴺ䉕ᬌ⸛ਛ䈪䈅䉍䇮෶䇮⚕ᢙ䈱೙㒢䈎䉌䇮䈖䈱ᣇᴺ䉕⻠Ṷ䈪ႎ๔䈜䉎䇯㩷䋵䋮䉁䈫䉄㩷㩷࿑䋳㩷 䌋ๆ෼┵䈮䉋䉎ว㊄‛⾰䈱ಽ೎ត⚝଀㩷

-116-䋱䋰䋰䌍䌥䌖㔚ሶ䊥䊆䉝䉾䉪䈮䉋䉎䌐䌘䌒䈮䈲䇮䉁䈣ᧂ⍮䈱ㇱಽ䈏ᄙ䈇䈏䇮㔚ሶ゠㆏᡼኿䋨䌓䌏䌒䋩䉇ㅢᏱ䌘✢䈪䈲ᓧ䉌䉏䈭䈇․ᕈ䈏䈅䉍䇮䌘䌆䌅䌌䈮㘃ૃ䈜䉎ᣂ਎ઍ䈱䌘✢శḮ䈫䈚䈩䇮⊒ዷᕈ䈏ᄢ䈐䈇䈫⠨䈋䈩䈇䉎䇯੹ᓟ䈱᥉෸䈱䉨䉟䊘䉟䊮䊃䈲䇮㜞⽶⩄䈱ዊဳ㔚ሶ䊥䊆䉝䉾䉪䈱㐿⊒䈮䈅䉍䇮⊹⡺䈮䉅૗ᤨ䈱ᤨઍ䉅ห䈛⺖㗴䉕ឝ䈕䈩䈇䉎䇯㩷
㩷㪁䋺䈖䈱⎇ⓥ䈲䇮ᢥㇱ⑼ቇ⋭ቇⴚ䊐䊨䊮䊁䉞䉝ផㅴ੐ᬺ䋨ᐔᚑ䋱䋲ᐕᐲ䌾ᐔᚑ䋱䋶ᐕᐲ䋩䈮䉋䉎䉅䈱䈅䉍䇮䈖䈱ᯏળ䉕ਈ䈋䈩๓䉏䈢䈖䈫䈮ᷓ䈒ᗵ⻢䈜䉎䇯㩷㩷㩷
Reference
1) Ya. B. Fainberg and .A. Khzhyak, Zh.Eksp.Fiz.32(1957) 883
2) M. L. Ter-Mikaelian, High-energy electromagnetic
processes in condenced media,Interscience tracts on
physics and astronomy (Wiley-Interscience, New York,1972)
3) V. G. Baryshevsky, Channeling, radiation and in
crystals at high energies (BGU, Minsk, 1982)
4) G. M. Garibyan and C.Yang, X-ray transitions
radiation (Arm. SSR. Erevan, 1983 )5) D. Dialetis, Phys. Rev. A 17 (1978) 1113.
6) I. D. Feranchuc and A. V. Ivashin, J. Phys. 46 (1985)
1981.
7) A. N. Didenko et al., Phys. Lett. A 100 (1985) 177.
8) Yu. N. Adishchev, et al., Nucl. Instr. Meth. B 21
(1987) 49.
9) R. O. Avakyan, et al., Pis’ma Eksp. Teor. Fiz. 45(1987) 313.
10) D. I. Adejshvili, et. al., Dokl. Akad. Nauk SSSR 298(1988) 844.
11) A.V. Shchagin, V.I. Pristupa and N.A. Khizhnyak,
Phys. Lett. 148 (1990) 485.
12) H. Nitta, Phys Lett. A 158 (1991) 270-274.
13) I. Endo, et al., Phys.Rev. E 51 (1995) 6305.
14) Y. Hayakawa, et al., Phys. Soc. Jpn. 67 (1998) 1044.
15) I. Sato et al., The 13th Sym. on Accel. Sci. and Tech.,
Osaka, Japan, (2001) 117
16) Y. Hayakawa et al., Nucl. Instr. Meth. B 227 (2005)
32-40.

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

Characteristics of the LEBRA FEL
Ken hayakawa1

,A)

B)

, Isamu Sato , Toshinari Tanaka

A)

A)

B)

B)

, Yasushi Hayakawa, Kyoko Nogami

A), Keisuke Nakao

C),

Takeshi Sakai and Manabu Inagaki
Laboratory for Electron Beam Research and Application, Inst. of Quantum Science, Nihon Univ.
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities, Nihon Univ.
12-5, Goban-cho, Chiyoda-ku, Tokyo 102-8251
C)
Graduate School of Science and Technology, Nihon Univ.,1-8-4 Kanda-Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo, 101-8301
A)

Abstract
The FEL of wavelength from 1 to 6 µm has been supplied to users experiments at LEBRA. Output energy per macro
pulse becomes a peak at wavelength of around 2µm. The peak energy is about 2mJ per macro pulse and about 4 MW ofestimated peak power. Measured pulse width of the FEL is about 60µm at 1.5µm of wavelength. Detuning effect isobserved. The FEL gain is maximized at the detuning length of two wavelength of the FEL and output energy ismaximized at one wavelength detuning. We have attempted to apply phase modulation to the master oscillator of thelinac to increasing FEL power. By using this method, output power is increased roughly double.

日大LEBRAFELの特性の特性
日大がコーティング層を痛めていると考えられるので､基板材料に銅を用い､可視光領域でも反射率の高い
日本大学電子線利用研究施設(LEBRA)では、波長銀をコーティングした鏡を使うことにした。この鏡
1～６µmの赤外FELを発生させ、共同利用実験に供も1年ほどで､使用に耐えないほど損傷を受けたため、している。このFELは広帯域であることの他にも、一度交換した。定期的な交換が必要なようである。
短パルスで、ピーク出力が大きい等の特徴を持ってこの鏡では、光の取出しは上流側鏡の中央に開けらいる。入射器とFEL発生装置について､第２章で説明れた穴を介して行っている。図1に損傷を受けた鏡
し､第３章では、現在のFELの特性について報告する。 の写真を示す。穴周辺は特に損傷が激しく、銅基板
また、リニアックの加速マイクロ波を位相変調するが溶解して、地肌が剥き出しになっている。
ことにより、バンチ間隔を変化させ、FEL出力を増
上流の共振器鏡後方185mmの位置に光輸送系の最大させる実験について報告する。
初の鏡（振分ミラー）が置かれている。この鏡はガラス表面にアルミニュームコートを施した全反射鏡
２．日大LEBRA FELの構成であるが､この位置ではFEL光のスポットサイズが小さく、特に短波長の光はエネルギー密度が高いので､
2.1 入射器損傷を受け、部分的に反射率が低下している。光の当たる場所を少しずつ変えながら運用しているが､
LEBRA FELの入射器はDC電子銃を使用し、プレバ
いずれ破綻するので､この鏡も銅基板のものに変更
ンチャー､バンチャーと4m加速管3本からなる通常のする予定である。
Sバンド・パルスリニアックで、サブハーモニック
バンチャーなどは使用していない。このため､2856MHzの全バンチがFELの発生に寄与する。FEL発生に使用するため､長パルス（～20usec）化、安定化を実現させる改良を行った[1,2,3]。

１．はじめに

2.2アンジュレータ及び光共振器
アンジュレータはハルバックタイプで、周期48mm、周期数50である。最小ギャップサイズは24mmで、この時のK値(rms)は1.4である。光共振器長はバンチ
間隔の64倍で、6718mmである[4]。共振器鏡は、始め石英基板に誘電体多層膜や金をコーティングした
図１. 上流側銀コート鏡の全表面とFEL取出し用の穴（直ものを使用していたが､FELの高出力化につれて、容径0.3mm）周辺の拡大図。中央付近が変色している他､ス
易に破損するようになった。鏡の表面で発生する熱
ポット状の斑点が所々に見られる。
1

E-mail: hayakawa@lebra.nihon-u.ac.jp-117-Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

３．FELの特性
3.1 発振可能波長範囲
FEL の 発 振 波 長 は 電 子 ビ ー ム の 特 性 ､ ア ン ジ ュ
レータ及び､光共振器のパラメータによって制約を受ける。一般的に、FELのゲインは波長が短くなるほど小さく、電子ビームの特性（スペクトル､ビー
ムサイズ等）に対する要求が厳しくなるので､発振が難しくなる。これに加えて､LEBRAでは共振器鏡の中心に貫通穴をあけて光を取出しているので､波長が短くなるほど取出される光の割合が増えるため共振器損失が大きくなり、正味のゲインをさらに低下させる。また、一次元の計算では、波長を固定す
ると､ゲインはKの値が1.1~1.2の辺りにピークを持ち､これから外れると減少する。LEBRA LINACは、現在許可を受けている最大加速エネルギーが100MeVであるため､1µmより短い波長領域では、K値の小さい所で運転せざるを得ず､さらにゲインを小さくしている。現在、発振が確認されている波長は1µmを切っているが､この波長では飽和には至っていない。飽和を達成し､比較的安定な光を供給できるのは1300nmより長い波長の領域である。
長波長側は短波長側に比べれば､制約は少ない。
光共振器の回折損による限界は10µm以上になり、この辺りの波長まで可能であるかのように思えるが､実際には、電子ビームエネルギーに低い方の限界があって､6µm辺りが限界であると考えられる。この時の電子ビームエネルギーは55MeVである。低エネ
ルギーになると、電子ビームの質が悪化し、発振を維持することが難しくなるのである。電子ビームの質に関しては、加速器の整備と調整によって克服できる可能性は高いが､長波長の光は、取出される光の割合が小さくなるので､実用的ではない。ゲインは大きいので､取出し穴径を大きくすれば良いのだ
が､そうすると短波長における発振が難しくなる。
この穴径（0.3~0.5µm）では波長範囲1~5µmが適当と思われる。
3.2 出力レベル

パワーメータ出力 [mV]

FEL の 発 振 レ ベ ル は電子ビームの電荷密度、エ
ミッタンス､エネルギー幅、蓄積光との重なり具合
80
70
60
50
40
30
20
10
0

55[Mev]
60[MeV]
65[Mev]
70[MeV]80[MeV]
90[MeV]
100[MeV]020004000 6000
波長[nm]などがゲインに影響するため、加速器及び共振器鏡の調整によって変化する。また、取出し穴の位置は
蓄積光の光軸と一致しているとは限らないので､発振レベルは同じでも、出力レベルが異なる場合もありうる。事実、図1では、鏡の中心から外れた位置に光が蓄積された痕跡が見られる。一次元の計算で､電子のシンクロトロン波長がアンジュレータ長に等しくなるレベルを飽和レベルとすると、飽和レベルを概算することがでる。Nをアンジュレータ周期数、
ZRをレーリー長、λRを発振波長、その他の記号は通常の定義に従うとすると､飽和電力pSはおよそ22π cε Z  mc 2 (1 + K 2 )1
0 R ..(1)
p =
S


2
8λ
J
(
ξ
)
−
J
(
ξ
)
 N eK
01

Rである。LEBRA FELにおいて、K(rms) = 1.2 、共振器鏡の曲率半径 R = 5 [m]として、評価すると、

pS = 2 / λ[ µ m] [GW]となる。結合穴を介して取出されるエネルギーの割合は波長によって異なるが､蓄積光の中心が結合穴と一致している場合、その比率は概ね波長の逆数に比例する。従って､取出される光のパワーは波長の二乗に逆比例する。すなわち､

p OUT ∝ λ−2である。従って､波長が短いほど、大きなパワーが取出されることになるが、波長が短くなるほどFELのゲインが小さくなるので､この通りにはならない。
現在は波長２µmあたりで最大出力が得られ､マクロ
パルス当たり２０mJ程度である。後述のパルス幅を考慮すると、ピーク出力はおよそ４ＭＷになる。電子ビームのエネルギーとアンジュレータのギャップを変化させ､様々な波長で､発振させ、マクロパルス
あたりのエネルギーを測定した例を図2に示す。縦軸はパワーメータの出力電圧で､エネルギーに比例する。この図でも、波長２µmあたりに出力のピークがあり､これより長波長側も短波長側も出力は減少している。この測定量はマクロパルスあたりのエネ
ルギーであって､パワーレベルではないが、長波長側は概ね波長の２乗に反比例して減少しているように見える。短波長側でも出力が急激に減少している。
短波長側のゲインは相対的に小さいが、1.3µmあたりまで発振は飽和しており､ここでは示さないがパルス幅も長波長側に比べ、際立って狭くなっている
わけではない。この現象理由については、前述の振分ミラーの劣化により､短波長の光に対して反射率が低下しているため、下流に到達する光量が減少していること、蓄積光の光軸が穴とずれた位置でないと発振が飽和しない可能性等が考えられる。

8000

図２．FEL波長と出力レベル。波長2000nmあたりにピークを持つ。

3.3 パルス構造
FELのパルス構造を測定する手段としては、スト
リークカメラを使うのが一般的である。しかし、-118-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

LEBRA FELに対しては現存のストリークカメラでは、時間分解能が不十分だと予想されるので、他の手段を用いた。FELはコヒーレントな光なので､その自己相関波形はパルス構造を反映した形をしているはずである。我々はマイケルソン型の干渉計を組み立て､自己相関波形の測定を行った。図３に波長1.5µmの場合の測定例を示す。横軸は可動鏡の相対的な位置、縦軸は検出した光の相対強度である。この測定法では、パルスの細かい構造についての情報は失われてしまうが､パルス幅は計測することができる。この例では、半値全幅でおよそ60µmである。
時間のスケールでは200fsecとなる。

チューニングが１波長あたりで、出力最大になり､さらに長くすると、立ち上りが遅れ､ピーク値は大きくなるが､パルス幅が狭くなり､出力としては小さくなる。この現象は、デチューニングが小さいとこ
ろではアンジュレータ下流域で､電子と光のパルスが重畳しなくなり､実効的にアンジュレータの周期数が少なく見えるためである。式(1)で示したように､飽和レベルは概ね､アンジュレータ周期数の４乗に反比例するため､わずかな変化でも、効果は大きい。
3.4 位相変調
前節で述べたように､ゲインが最大になるデチューニングでは出力は最大にはならない､そこで、飽和するまでは､ゲインの高い状態を維持し､飽和に至った後に共振器長を変化させれば、ピーク値が大きく、パルス幅も広い出力が得られると考えられる。
マクロパルスの途中で共振器長を変えることは困難であるが､加速周波数を変化させて実効的に同じ効果をもたせることは可能である。すなわち､加速器のマスターオシレータを周波数変調すればよい。しかし、周波数変調の場合､位相連続を保証することが難しいので､実際には位相変調を使った。線形な位相変調は、周波数変調と等価である。図５に示したのは位相変調有無に対応する波形である。位相変
調によって､通常の状態に比べ、およそ2倍程度の出力が得られる。

図３. 波長1.5µmのFEL光の自己相関波形、光パルスの半値幅（FWHM）はこの図からおよそ60µmと見積もられる。

3.4 デチューニング特性

Intensity [ Arb. unit ]バンチした電子ビームを使ってFELを発生させる
場合､共振器長はバンチ間隔の整数倍よりもわずかに短い時､ゲインが最大になる事が知られている。
また、バンチ間隔の整数倍からのずれをデチューニ
ングと呼ぶことにすると、出力が最大になるのはデチューニングがゼロとなる長さと、ゲインが最大となる長さの中間にある。図4に、デチューニングによってFELの信号波形の変化する様子を示す。デチューニングが２波長程度のところでゲインが最大になり､立ち上がりが最も早くなっている。デ
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

∼λ/4

∼λ
∼2λ

15

20

25

(2)

図５．位相変調による出力の増加。変調なし(1)と変調あり(2). 負極性のパルスは電子ビーム波形､(2)で、途中から斜めに立ち上がっている直線は変調信号。

参考文献

∼λ/2

10

(1)

30

35

40

Time [ µs ][1] T.Tanaka, K.Hayakawa, Y.Hayakawa, et al,Proc. of the 23rd
Liner Accelerator Meeting in Japan(September 16-18,
1998, Tsukuba, Japan) 163-165[2] I.Sato, I.Kawakami, K.Sato, et al,Proc. of the 25th Linear
Accelerator Meeting in Japan (2000.7)24-28.
[3] K.Yokoyama, I.Sato, K.Hayakawa, et al., Nucl. Instr. andMeth. A507(2003)357-361[4] K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, et al., Proceedings ofthe 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (2000.7)5658.

図４.デチューニングによるFEL波形の変化。デチュー
ニングが２λ程度の場合､ゲインは大きく立ち上がりは早いが出力レベルは低い。デチューニングが小さい場
合、出力レベルは高くなるが､立ち上がりが遅れ､パル
ス幅は狭くなる。
-119-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

DEVELOPMENT OF S-BAND TRAVELING WAVE RF WINDOW (II)T.Sakai1,A), I.Sato A), K.Hayakawa B), T.Tanaka B), Y.Hayakawa B), S.Fukuda C), S.Michizono C)
A)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities (ARISH), Nihon University
12-5, 5-bancho, Chiyoda-ku, Tokyo 102-8251 Japan
B)
Laboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1, Narashinodai, Funabashi-shi, Chiba 274-8501
C)
High Energy Accelerator Research Organization, KEK
1-1 Oho, Tukuba-shi, Ibaraki, 305-0801
Abstract
The electrical field distribution at the S-band traveling-wave-in-ceramic (TWC) RF-window was measured with thenonresonant perturbation method using a Titanium Dioxide (TiO2: Rutile) tetragonal crystal. Rutile is a ferroelectric
crystal with static dielectric constants εa=86 and εc=170 (at 300Κ). The electric field has been deduced from the S11parameter which was measured with the c-axis both parallel and perpendicular to the direction of the field. The results
are consistent with the calculation by the simulation code HFSS which was used for the design of the window.

Sバンド用進行波型高周波窓の開発（2）１．はじめに日本大学電子線利用研究施設（LEBRA）は紫外領域から赤外領域の自由電子レーザー（FEL）（0.3～6.0µm）と、パラメトリックX線放射（PXR）を発生させ、広領域の単色光による研究を行うための施設である。現在は0.885~6.0µmのFEL発振 [1,2] 、エネルギー6~20keVのPXR発生に成功している [3] 。特に短波長領域でのFEL発振では利得が低くなり、飽和状態になることが難しくなるため、長パルスの電子ビームが要求される。そのため、LEBRAのリニ
アックは、クライストロンRFパルス幅20µsで運転
し て い る 。 ク ラ イ ス ト ロ ン は 三 菱 電 機 製 の PV3030Aと3040Nの2台用いている。これらのクライス
トロンは短パルス用であるが、クライストロン下流
側真空排気能力強化[4]、PV-3040Nクライストロンでは、クライストロン内部の真空排気強化等を行い、出力高周波窓一つのクライストロンでパルス幅20µsの運転に成功している[5]。
昨年度から長パルスモードでの安定出力動作を目指すために、高周波窓の構造に関して検討を行い、進行波型高周波窓の設計、低電力モデルの製作を行 っ た [6] 。 進 行 波 型 高 周 波 窓 は 、 ロ シ ア BINP の
Sergey Kazakov氏によって考案されたもので、セラミック中で電界が進行波となり、セラミック表面での電界を下げることが可能で、また窓に対して垂直方向の電界が存在しない、といった特徴がある[7]。
製作する高周波窓は、Cバンド、Xバンドで製作されているmix-modeタイプ [8] をSバンドへそのまま適用すると、全長がかなり大きくなってしまう（3λ 程度）。そこで、Sバンドクライストロン用に実装できるサイズが望ましいため、矩形から円形導波
1管の変換部にアイリスを入れるタイプで設計した（図１参照）。設計は、KEKの竹内保直氏により考案された、アドミッタンスチャートを用いる半解析的手法[9]とHFSSによる計算を組み合わせて行った。
この窓はアイリスとセラミックの片面で整合を取り、セラミック内が進行波となる。
セラミック
アイリス

X

円形導波管

X
Y

Z

L

矩形導波管

図１：製作した進行波型窓低電力モデル概要図。矩形から円筒導波管変換部分にアイリスを入れた構造
で、アイリスとセラミックの片面で整合を取る。

２．進行波型高周波窓低電力モデル
誘電率が9.7、9.8、9.9のセラミックでの共振モード（ゴーストモード）の関係を図2に示す。セラ
ミック表面でのフィールドマッチングを用いる解析的な計算法から、セラミックに無限長円形導波管を接続した場合で、セラミックの局在モードを計算している [10]。図2より、運転周波数の2856±100MHz周
辺にはゴーストモードが無いことがわかる。しかし、新たな厚さや純度を変えたセラミック材を用いる場
合、セラミック材接合の問題や、セラミックでの共振モードに関する考慮等を行う必要が出てくること

E-mail: sakai@lebra.nihon-u.ac.jp-290-Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)を求めた。
から、セラミック部分には、すでにKEKBのSバン
2
ドピルボックス窓で用いられ、実績のある、日本特(1)∆Γ = Γ p − Γ a ∝ Ea
殊 陶 業 製 の 窓 部 分 （ HA-997 （ 純 度 99.7% ） 、 径
ここで、 Γp、Γaはそれぞれ空洞内にビーズがある
84.7mm、厚さ3.2mm）をそのまま用いることとした。
場合とない場合の反射係数、Eaは空洞内にビーズがしかし、セラミック内で完全な進行波とするために無い場合の電場の振幅である。
セラミックの厚さは、セラミック管内波長λceramicの式(1)で求めた電場の測定値を、HFSSでの計算で1/4付近が良い [11] （Sバンドでは7~8mm付近）。図3
求めた電界の値と対応させるために、入力パワーに例を示すように、その範囲ではpass band（VSWR
50MW時の矩形導波管部分での最大電界値と比較し、が1.2以下の範囲）が広く、且つ、運転周波数でのそれに対応した係数をかけることで、電界値への換
VSWRが小さくなる。そのため、設計で用いたセラ算を行った。矩形導波管部のTE□10モード伝送時のミックの厚さ（3.2mm）では、完全な進行波にする
電力は式(2)のように表される。
ことは出来ないが、ピルボックス型高周波窓に比べ1/ 2
2 −1 / 2(2)
窓表面での電界強度は、水平方向を30~35%、垂直E10 = 2ζ PTE 1 − (λ λc )ab方向の電界をほぼ0まで下げることが可能である。
ここで、 ζ は真空の電波インピーダンス、PTE は電また製作した進行波型窓の低電力モデルでの周波数
力、a、bはそれぞれ矩形導波管の長辺と短辺、λは特性等の試験をすでに行い、ほぼ設計どおりの周波
自由空間波長、 λ c は導波管の遮断波長を示す。式
数特性であることを確認している[6]。
(2)より、WRJ-3矩形導波管（長辺a=72.1mm、短辺3.4b=36mm）に、電力50MWを入力した場合、TE □ 10
モードの最大電界は、|E10|max=6.7 MV/mとなるので、3.2
この値で補正を行って比較を行う。窓表面での電界測定値の補正には、Ｚ方向のスキャン結果の窓表面
3.0
位置（表面から約3ｍｍの位置）での電界強度から、2856MHz←
その値を基準に補正を行った。
2.8
空洞内に入れるビーズには、5mm角の強誘電体のTitanium
Dioxide(TiO2;Rutile)キューブを用いた。ル
ε=9.7
2.6
ε=9.8
チルは正方晶系の結晶であり、各軸方向で誘電率がε=9.9大きく異なっている。誘電率は、温度300Kの時にa
2.4
0
2
4
6
8
10
12
軸が89に対して、c軸は170と非常に大きな異方性を
ceramic thickness [mm]持っている[13]。
図2: セラミック厚とゴーストモードの関係。誘電
図4に電界分布測定時の概要図を示す（図はZ軸測率を9.7、9.8、9.9でそれぞれ計算を行った結果。
定時の構成）。測定に用いたルチル(TiO2)は各面に穴を空け、糸を通すことが出来るようにしてあり、
1.20
160
passband
高周波窓に4箇所空けてある穴（表面から約3ｍｍの
140
VSWR@2856MHz
位置）から釣糸を通し、その先に錘をつるすことで
1.15
120
均等に引っ張り、中心に来るように調整した。Sパ
100
ラ メ ー タ ー の 測 定 に は 、 Agilent Technologies
E8358A PNAシ リ ー ズ RFネ ッ ト ワ ー ク ア ナ ラ イ
1.10
80
ザーを用いた。アナライザーの校正はTRL*2ポート
60
校正を行った。測定時の室温、湿度はそれぞれ
1.05
40
24.6~25.1℃、43.3~44.8%であった。

{

]

}

VSWR @ 2856MHz

passband [MHz] @<VSWR 1.2

frequency [GHz][

ネットワークアナライザー

20
0
0

2

4

6

8

10

1.00
12

Ceramic thickness [mm]図3：セラミック厚とVSWR、パスバンドの関係例。
L = 69.6mm、iris = 14.7mm、R=42.35mm、ε=9.9の場
合 で の 計 算 例 。 λ ceramic/4 が お よ そ 8mm の 周 辺 でVSWRが低く、pass bandが広い。

アクチュエータ
進行波型高周波窓
低電力モデルルチル

錘３．電界分布測定
電界分布測定は、進行波型の非共振摂動理論に基づいたビーズパータベーション法[12]を用いて行った。 図4：電界測定構成概要図。ビーズには強誘電体のSパラメーターのS11（入力反射係数）の実部と虚部
ルチルを使用。Agilentのネットワークアナライザーの値から反射係数 Γ を求め、以下の式(1)から電場を用い、TRL*2ポート校正を行い測定に使用した。
-291-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

４．電界分布測定結果

５．まとめと今後の課題

ルチルのc軸を高周波窓のＺ軸方向に向け測定した場合と、Y軸方向へ向けた場合の測定結果を図5に示す。同様にルチルの向きを変えて行った、セラ
ミック表面径方向の測定結果を図6に示す（セラミック表面の測定は、表面から約3mmの位置で測定している）。セラミック表面の測定では、Ｚ軸測定
中のルチルによる反射係数の変化は、最大で0.07であった。またセラミック表面を測定した場合では、ほとんど反射係数に変化が無いために（最大でも0.003以下と非常に小さい）、測定値の誤差は大きくなる。しかし、誤差を考慮すると、Ｚ軸方向のス
キャン結果は、HFSSの計算結果とほぼ一致していると言える。セラミック表面のスキャン結果も誤差が大きいが、これも誤差を考慮すればZ軸同様にほぼ設計どおりとなっていると考えられる。またc軸をＺ軸方向へ向けた場合では、エッジ付近で少し電界が上がる結果になったが、Ｙ軸へ向けた場合にはその傾向が見られなかったため、今後再測定を行い確認する必要がある。

強誘電体であるルチルを用いた電場測定の結果は、HFSSで計算した結果とほぼ一致した。今回の測定結果、及び、先に行った低電力モデルを用いた周波数特性測定結果とあわせて考えると、窓はほぼ設計どおりとなっていることが確認できた。但し、ルチルのc軸を高周波窓のZ軸に向け、窓表面の径方向の電場分布を測定した結果では、エッジ付近で少し上がる結果が得られたが、原因はまだ不明である。これに関しては、再度測定を行い、確認を行う予定である。
今後は低電力試験での測定結果を踏まえ、最適化
した寸法で大電力モデルの製作を行い、大電力試験を行う予定である。また、クライストロンに実装し、長パルス動作での試験も検討する予定である。

9

Electric Field [MV/m] @ 50MW

8
7

謝辞
今回の電場分布測定にあたっては、ネットワーク
アナライザーの校正、使用等に関して、日本高周波の一木 臣主任に貴重な助言を頂きました。感謝い
たします。

参考文献

[1] T.Tanaka, et al., "Status of 125MeV Linac and Light Source
at LEBRA", in these proceedings.
[2] K.Hayakawa, et al., "Characteristics of the LEBRA FEL”, in5
these proceedings.
4[3] I.Sato, et al., "The future view of Parametric X rays", in3
these proceedings.
Rutile c軸をY軸方向[4] T.Sakai et al., " S-Band Klystron for Long Pulse Operation"
2
HFSS
Proc. The XXI International Linac Conference
Rutile c軸をZ軸方向
1(LINAC2002), Gyeongju, KOREA (2002) p712-714.
[5] T.Sakai, et al., "FEL用Sバンド大電力クライストロンの
0
-200
-150
-100
-50
0
長パルステスト運転", Proc. 28th Linear Accel. Meetingz [mm]
in Japan, Aug. 2003, Tokai, Japan, pp.351-353.
[6] T.Sakai et al., "DEVLOPMENT OF S-BAND TRAVELING
図5：z軸方向の電場分布測定結果。HFSSでの計算
WAVE RF WINDOW", Proc. 29th Linear Accel. Meeting
結果とルチルのc軸をＺ軸、Y軸へ向けた場合の結果。
in Japan, Aug. 2004, Funabashi, Japan, pp.84-86.
z=0がセラミック表面。電界の測定値は、入力電力[7] Sergey Kazakov,: "Development of New Type of HighPower RF Windows", Doctoral dissertation(2003).
50MWの場合で換算。
[8]
S.Michizono,
et al., "Cバンドミックスモード高周波窓の3.0開発", Proc. 28th Linear Accel. Meeting in Japan, Aug.
2003, Tokai, Japan, pp.330-332.
2.5[9] Yasunao Takeuchi,: "Impedance-matching solutions for RF
windows", KEK Preprint 2002-124, December 2002, A,
2.0
4th Superconducting Linear Accelerator Meeting in Japan,
KEK, Tsukuba, Ibaraki, JAPAN, Mar. 12-13, 2002.
1.5[10] M.P.Forrer and E.T.Jaynes,: "Resonant Modes in
Waveguide Windows", IRE Transactions on Microwave
1.0
Theory and Techniques, Volume MTT-8 March, 1960
Rutile c軸をY軸方向
HFSS
Number 2, pp.147-150.
Rutile c軸をZ軸方向[11] W.R.Fowkes, R.S.Callin, S.G.Tantawi and E.L.Wright,:
0.5“Reduced Field TE01 X-band Traveling Wave Window”,
16th IEEE Particle Accelerator Conference (PAC95) and
0.0
5
10
15
25
35
0
20
30
40
International Conference on High Energy Accelerators,
R [mm]
Dallas, TX, May 1-5, 1995 (SLAC-PUB-6777), pp.15481586.
図6：窓表面径方向電場分布測定結果。HFSSでの計[12] Charles W.Steele,: "A Nonresonant Perturbation Theory",
算結果（表面から3mmの位置）とルチルのc軸をＺ
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,
軸、Y軸に向けた場合の結果。R=0がセラミックのVolume 14, Issue 2, Feb 1966 Page(s):70-74.
中心。電界測定はセラミック表面から約3mmの位置[13] Rebecca A. Parker,. "Static Dielectric Constant of Rutile(TiO2), 1.6-1060°K", Phys. Rev. 124, 1719-1722 (1961).
で行い、Z軸の測定結果を元に換算。
Electric Field [MV/m] @50MW

6

-292-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

LINAC VACUUM MONITORING SYSTEM AT LEBRA
Kyoko Nogami∗ A) , Ken HayakawaA) , Toshinari TanakaA) , Yasushi HayakawaA) ,Isamu SatoB) , Keisuke NakaoC)A) Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA),
Institute of Quantum Science, Nihon University,
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
B) Advance Research Institute for the Sciences and Humanities, Nihon University,
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
C) Graduate School of Science and Technology, Nihon University,
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
Abstract
Vacuum monitoring is one of basic methods to seize symptoma of troubles in a particle accelerator. In the
125 MeV linac system at Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) of Nihon University,
the accelerating tubes, the high power RF waveguides and the electron beam transport lines have been pumped andkept at an ultrahigh vacuum with ion pumps. However, only the vacuum around the klystron output RF windows wasrecorded with a pen-recorder during operation of the linac. Thus, a vacuum monitoring system has been developed
for continuous monitoring of every ion pump; the digital value of the ion-pump current is accumulated in PC every
10 sec and stored in a database.

日大 LEBRA における真空度常時モニタシステム
はじめにいる。そして、各部はスパッタイオンポンプによって排気され、高真空に保たれている。現在、リモート
経験的に加速器内で何かトラブルが起こった場合、 で開閉ができるゲートバルブおよび各箇所に設置さ真空度が悪化することが知られている。そこで、真 れたイオンポンプの位置を図 1 に示した。また、各空度を常にモニタすることは、加速器内でのトラブ ゲートバルブが閉まった状態でのそれぞれの真空度
ルの兆候を知るためのひとつの方法であると言える。 を表 1 に示す。
日本大学電子線利用研究施設 (Laboratory for Electron Beam Research and Application: LEBRA) においてはイオンポンプを用いて、加速管および自由電子 表 1: LEBRA 加速器における各箇所の真空度とイオ
レーザ、パラメトリック X 線ビームラインを高真空 ンポンプの種類
名称
真空度 [Pa]に保っている。イオンポンプを流れるイオン電流か
クライストロン系統の導波管» 10−5
らその付近の真空度を知ることができる。いままで
電子銃< 10−7は、電子銃とクライストロン窓下流側周辺の真空度
加速管» 2 × 10−6を運転時のみペンレコーダで記録させているだけで、
FEL ライン» 3 × 10−5
その他の箇所は、定期的に運転開始前の真空度を運
エキスパンダチェンバ» 10−4
転日誌に記録している程度であった。これでは、加PXR ライン» 10−5速器運転時に加速管内でトラブルが起こったときにFEL モニタポート» 10−4
迅速な対応がしにくい。そこで、LEBRA 加速器の各箇所の真空度を常時モニタし、さらに、トラブルが起こったときにその原因を詳細に調べるためにも記録することのできるシステムが必要とされる。今回
2.2 モニタシステムの開発
そのシステムの整備をおこなったので報告する。

1.

2.

真空度モニタシステム

2.1

真空システムLEBRA において加速器内の真空は、各箇所に設置されたいくつかのゲートバルブによって分けられて∗ E-mail: nogami@lebra.nihon-u.ac.jp

各箇所に設置されたイオンポンプの電源は、制御室またはモジュレータ室に設置されている。それぞれのイオンポンプ電源の record out からの電圧値をアナログ回路で増幅した後、A/D 変換してパソコンに取り込み真空度に換算している (図 2)。
まずアナログ回路部は、それぞれ 2 種類のイオン
ポンプ電源に対応した回路を製作した。電子銃、加速管などに設置されているイオンポンプを制御して-394-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

図 1: LEBRA の構成図
いる ULVAC 製の電源は、record out の出力電圧値に50 Hz の AC 成分がノイズとして含まれている。そこで、これを取り除くために差動増幅回路を用いた。
また、クライストロン周辺のイオンポンプの電源は
ANELVA 製のもので、その出力電圧値は反転増幅回路を用いて増幅している。ここで、加速器運転時はRF トリガと同期してクライストロンを作動させているので、マイクロ波を放出するのにともなって、ガス放出が起こる。このためクライストロンに近い各部の真空度は、RF トリガ周波数で変化していると考えられる。そこで、クライストロン窓下流側においてトリガの周波数以上の変化をノイズとみなし、ロー
パスフィルタを用いて 10 Hz 以上の周波数成分を取り除いたのち電圧を増幅している。

テキスト形式で取得することができるようになって
いる。

2.3

システムの利用

電子銃周辺における真空度の時間変化の例を図 3の上段に示した。図中の矢印部の変化は、電子銃直後に取り付けられたゲートバルブを加速器運転のために開閉したことによるものである。線状の真空悪化は、電子銃からのガス放出によるものだと考えられる。また、図 3 の下段には、クライストロン 1 号

図 2: データ取得の流れ

A/D 変換器の分解能は 12bit で、サンプリングレー
トが最大 100 kHz のものを使用した。シングルエン
ド入力で最大 16 チャンネルまで取り込むことができるので、クライストロン、電子銃、加速管および FEL
ビームラインの計 16 台のイオンポンプからの信号を取り込むことができる。
このようにして取得した真空値は、現在、10 秒間
隔でデータベースに記録している。データベース化
した真空度は、LEBRA のプライベートネットワーク
内から Web ブラウザでグラフまたはカンマ区切りの

図 3: 電子銃周辺 (上段) とクライストロン 1 号機 (下段) の真空度の変化の例-395-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

機系統の導波管の真空度の変化を示した。このとき、ユーザによる FEL の利用実験が行われていたが、真空度の急激な悪化によりインターロックが働き RF トリガが停止した。そのため、いったん加速器を停止させ、真空度の変化をみながら回復したのち、RF ト
リガをかけ運転を再開することができた。

3.

まとめ

今回、LEBRA に設置されているイオンポンプのうち、加速器および自由電子レーザビームラインのイオ
ンポンプからの信号を常時モニタできるシステムを整備した。その真空度は、イオンポンプ電源の record
out の出力電圧値をアナログ回路で増幅し A/D 変換
したものを用いて換算した。このようにして得られた真空度は、10 秒間隔でデータベースに記録している。そして、LEBRA のプライベートネットワーク内から取得でき、常時モニタとして利用している。

4.

今後の課題

今後の課題として、パラメトリック X 線ビームラ
インおよびユーザに供給している自由電子レーザラ
インの真空度もモニタできるように整備することが残されている。
また、これ応用して制御システムと連動させることを考えている。たとえば、真空度の急激な悪化が起こったときには、電子ビームを止めゲートバルブ
を自動的に閉じたりすることが考えられる。これにより一番ダメージの受けやすい電子銃を保護し、そのほかリーク部分から加速管およびクライストロン
へのダメージを最小限に抑えることができると思わ
れる。

-396-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

MEASUREMENT OF RADIOACTIVITY OF LINAC COOLING WATER
AT NIHON UNIVERSITY
Manabu Inagaki1,A), Isamu SatoA), Ken HayakawaB), Toshinari TanakaB) , Yasushi HayakawaB),
Takeshi SakaiA), Kyoko NogamiB), Ken’ichiro Ishiwata2,C), Keisuke NakaoC)
A)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities (ARISH), Nihon University,
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
B)
Institute of Quantum Science, Nihon University,
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
C)
Graduate School of Science and Technology, Nihon University,
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
Abstract
Radioactivity of the cooling water circulating the 125-MeV linac in operation has been measured at LEBRA in
Nihon University in terms of positron annihilation γ-rays resulted from β+ decays of 15O nuclei. The dose equivalent at
10 cm from the surface of the reservoir tank in the precise water temperature controller has been deduced to be higher
than the limit allowed by the radiation hazard protection law. Currently the controller is placed in the accelerator room,
which is not good taking account of radiation damage and daily maintenance. However, the result suggests that anecessary measure must be taken to lower the dose when the controller is moved to the modulator room.

日大リニアック冷却水の放射化測定る必要がある。LEBRAの加速管冷却水は、イオン交換樹脂とフィルターを介しているため高純度であ電子加速器では加速エネルギーが約10 MeV以上る。そこで冷却水中には不純物が無いものと考え、になると放射化の問題が生じる。電子リニアックの
16
O原子核の光核反応のみを考えた。光核反応の種
場合、電子衝撃で発生する制動放射線が原因となり、類としては、(γ ,n)、(γ ,p)、(γ ,2n)、(γ ,np)、(γ ,d)、加速管などが放射化する。また空気や冷却水の放射(γ ,t)、(γ ,2p)、(γ ,3He)、(γ ,α) などがある。この各化が起き、15O，13N，11C原子核などの短寿命核種が光核反応により生成される放射性核種は、 14C、15C、生成される[1]。
13
N、 14O、 15O原子核であり、γ線放射が問題となる
日本大学電子線利用研究施設(LEBRA)では、125ものはβ+崩壊する13N、14O、15O原子核である。このMeVの電子リニアックを利用して、ユーザー実験に
うち13N と14O原子核は、生成のしきい値がそれぞれ自由電子レーザー(FEL)やパラメトリックX線放射
25 MeVと28.9 MeVである [3] 。また 15O原子核は、(PXR)を提供している [2] 。LEBRAでは、精密温調装(γ ,n)反応により生成され、しきい値は15.7 MeVであ置を用いて加速管冷却水の温度を30±0.1 ℃に保つ
る [3] 。しきい値と反応断面積の考察から 13Nや 14O原よう制御している。現在、精密温調装置は常時立ち
子核よりも 15O原子核が多く生成されると考えられ入ることができない放射線管理区域の本体室にあるる。このため本研究では、冷却水中に生成されたので、この装置を隣接する常時立ち入ることができ
15
O原子核の崩壊量を測定して検討を行った。
る放射線管理区域のモジュレーター室に移動させ、精密温調装置のメンテナンスを容易にすることを検２．放射線測定の原理と測定結果討している。また冷却装置が水漏れを起こした場合に近くにあるGun Terminalへの影響、冷却装置のコ
2.1 測定の原理
ントロール回路が放射線によって劣化する恐れ、冷15
O原子核は99.9 %β+ 崩壊により半減期122 秒で却装置前の通路の確保といった設置場所の問題がこ
15
N原子核の基底状態へ崩壊する。したがって、15N
れにより解決できる。冷却水の放射化の量によって原子核の励起状態から基底状態への遷移γ線は存在はそのままでは移動することは不可能だが、対策をしない。また、残りの0.1 %はEC (軌道電子捕獲)で施すことによって可能になると考えられる。このた
やはり基底状態へ崩壊する。 15O原子核のβ+ 崩壊に
めには、LEBRAにおける冷却水の放射化を測定す１．はじめに

1
2

E-mail: inagaki@lebra.nihon-u.ac.jp
現在の所属：日本大学文理学部-442-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

より発生したβ+粒子は、物質中でエネルギーを失い静止状態になると電子とともに対消滅を起こし、その際に、互いに反対の方向に0.511 MeVの対消滅γ線を放射する[4]。そこで本研究では、精密温調装置のリザーバータンクの冷却水の一部を本体室に隣接するモジュレーター室までシンフレックスチューブを用いて運び、図1のように半径約17.5 cmの輪を18巻して循環させている冷却水中からの対消滅γ線を高純度Ge検出器を用いて計測することにした。冷却水
流量はバルブの調整で10 l/minに設定した。

図2は電子線を100 MeVまで加速している状態か
らビームを止め、γ線エネルギー0.511 MeVの光電ピークスペクトル周辺のカウント数を計測した減衰曲線である。tを測定の経過時間、yをその時間におけるCount rateとすると、この曲線はy =Ae-λtで近似でき、このときA =1.53±0.06×103 (cps)、λ =5.53±
0.25×10-3 となった。近似曲線とその誤差について
は、最小二乗法を適用した。この近似曲線から半減期TはT =125±5.7秒となった。 15O原子核の半減期は122秒であるから、測定された半減期とほぼ一致している。すなわち、加速管冷却水中から検出された0.511 MeV γ線は冷却水の放射化によって生じた
15
O原子核のβ+崩壊に伴う対消滅γ線と同定できる。
2.4 各電子線エネルギーに対する計数率の測定結果

15

12

300

10

250

12

300

10

250

8

200

6

150

ビームパワー (MW)

O原子核の崩壊量を測定するために、実際に計8200測を行った幾何学的条件において、使用した検出器の0.511 MeV γ線に対する検出効率の導出が必要と6150なる。ここでの検出効率は、原子核の崩壊に伴い発4100
ビームパワー
生するγ線の総量に対する検出器に入射し光電ピー
計数率250クとして計数されたγ線の数の比である。各放射性核種からの様々なエネルギーのγ線に対する検出効
0
0
60
70
80
90
100
率をγ線量が既知のMix線源を用い、線源と検出器間
電子線エネルギー (MeV)の距離17.5 cmの位置に設置し求めた結果、0.511-3MeV γ線の検出効率は、1.68±0.02 ×10 となった。 図3 各電子線エネルギーにおけるビームパワーと0.511 MeV γ線光電ピークの計数率。
2.3 冷却水中の15O原子核崩壊の検出

ビームパワー (MW)

冷却水中に存在する 15O原子核の崩壊が、正確に測定できているかを0.511 MeV γ線量の減衰曲線を測定して確認を行った結果を図2に示す。
200
180
160
Count rate (cps)

140

4

100
ビームパワー
計数率

120
2

100
80

50

0

0
60

60

70

80

90

100

電子線エネルギー (MeV)

40
20
0
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Time (sec)

図20.511 MeV γ線量。

1600

1800

2000

図4 各電子線エネルギーにおけるビームパワーと0.511 MeV γ線光電ピークの計数率。
加速管出口における電流値は電子線エネルギーに依存せず、ほぼ同じ値であるから、ビームパワーは電-443-

計数率 (cps)

2.2 高純度Ge検出器の検出効率の測定

計数率 (cps)

図1 冷却水中の対消滅γ線を測定する高純度Ge検出器。

冷却水中に存在する 15O原子核の生成量と崩壊数が平衡状態になったときの計数率と、各電子線エネ
ルギー(60,70,80,90,100 MeV)との相関を調べた。ただし同実験を2回、別日程で行ったので①，②と区別する。加速管出口における各電子線エネルギーでのビームパワーを図3、図4に示す。ここでビームパワーとは、ピークビーム電流と電子線エネルギーとの積である。このときのビームパルス幅は20 µs，繰り返し2 Hzであった。

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

子線エネルギーにほぼ比例して増加していることがわかる。また各電子線エネルギーで 15O原子核の生成率を計測し、生成量と崩壊数の平衡時における計数率は図3、図4および表1のように得られた。
表1 各電子線エネルギーにおける0.511 MeV γ線光電ピークの計数率。
エネルギー
計数率 (cps) ①
計数率 (cps) ②
60 MeV
70 MeV
80 MeV
90 MeV
100 MeV155.6±1.7289.5±2.4170.2±1.8156.7±1.7164.5±1.7

87.9±1.3
221.5±2.0220.9±2.0155.5±1.6160.6±1.7

電子線エネルギーが高ければγ線エネルギー0.511
MeVの光電ピークスペクトルのカウント数も多いと推測していたが、図3、図4および表1からわかるよ
うにその推測とは異なった結果が得られた。このよ
うな 15O原子核生成量の違いは、加速器運転における電子ビーム調整の仕方の違いによる損失ビームの電流およびエネルギーの違いが反映していると考えられる。

すると、Ib =0.144×Ab’/R2 (µSv/h)となり各ブロックに対して実効線量が求められたので、全てのブロックについて和をとりタンク全体の実効線量は、I =∑Ib (µSv/h)と求まる。以上の計算を行うと、タンクからの距離10 cmの位置でのタンク全体のγ線の実効線
量はI＝5.07±0.03 (µSv/h)となる。法令的制限から、
週40時間の加速器運転で実効線量が1 (mSv/週)以下
でないと、本体室から出すことができない。
LEBRAでは許可申請において、電子線のパルス繰
り返し数を12.5 Hzで申請しているが、測定では繰り返し数2 Hzで行った。このため実効線量の値に、繰
り返し数6.25倍と週40時間を掛け、実効線量の値を換算すると、I＝1.27 (mSv/週)となった。以上のこと
から精密温調装置を本体室からモジュレーター室に移動することは、対策なしでは不可能である。1つの対策としては、タンクの容量を大きくすれば冷却水中での減衰を利用して減少させることができると考えられる。

４．まとめ

冷却水中に存在する 15O原子核の計数率は電子線エネルギーに比例しないことがわかった。精密温調装置のタンク全体の 15O原子核の実効線量は、今回の実験ではタンクからの距離10 cmで最大1.27 (mSv/週)と見積もられた。このため精密温調装置を本体
３．議論室からモジュレーター室に移動するためには、何ら計測した計数率を元に冷却水のタンク全体で発生かの対策が必要であることがわかった。遮蔽方法のする0.511 MeV γ線による実効線量を推定し、精密対策として、一つ目は、リザーバータンクの容量を温調装置の移動が可能であるかを表1より一番高い
大きくすれば冷却水中での減衰を利用して減少させ計数率の値289.5 cpsを使って議論する。 15O原子核ることができると考えられる。二つ目は、リザー
は、1回の崩壊で逆方向に2個の光子を放出するのでバータンク全体をアクリルで被い、その周りを6正しい崩壊数At (Bq)は検出した計数率の1/2となる。
mm程度の鉛シートで被うと、対消滅γ線が1/eに減対消滅γ線はチューブ内の冷却水中で減衰するため、 衰されると考えられる。
その外に出ないγ線があることを考慮する必要がある。チューブは同心状に巻かれ、検出器がその中心
参考文献にあることから、チューブ1巻当りから検出器に向かうγ線量を一定(As)とすると、i巻目のチューブか[1] URL：http://www.rada.or.jp/
らのγ線が通過する水中の距離をtiとしてi巻目からの[2] 佐藤勇,“日本大学電子線利用研究施設の現状”，− µt
γ線量は Ais = As e i と近似できるので、チューブ
Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in− µti'となる。従って、
全 体 で は As = As ∑ eJapan，July 30-August 1，2003，Tokai，Japan，
As = As' ∑ e − µti となる。 As' は測定から求められ
p.1
るので、この減衰の補正によりAsが求まる。次に単[3]
URL：http://iaeand.iaea.org/
位cm3 当りの放射能Ac (Bq/cm3)に換算し、タンクの[4] 木村逸郎 他著,“放射線計測ハンドブック”，
体積を掛けるとタンク全体の放射能AR (Bq)になる。
日刊工業新聞社，1982，p.1
対消滅γ線はタンク内の冷却水中で減衰する。タンクをNブロックに分割し、1ブロック当りの放射能Ab=AR/N (MBq)を算出する。次に各ブロックの水中でのγ線の飛行距離tを考慮した放射能はAb’ =Ab×B×eµt(MBq)となる。ここでBはコンプトン散乱によってエネルギーの低くなった散乱線の一部が入射γ線に加わるための補正係数(ビルドアップ係数)である。
これから各ブロックの放射能Ab’を実効線量Ibに換算
す る 。 た だ し 実 効 線 量 率 定 数 Γを0.144 (µSv･m2 ･MBq-1 ･h-1)とした。よって各ブロックの中心からタンクの中心軸上でタンク側面から任意の距離をRと-444-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

DEVELOPMENT OF AUTOMATIC ALIGNMENT SYSTEM FOR FELCAVITY MIRROR
Keisuke Nakao∗ A) , Ken HayakawaB) , Isamu SatoC) , Toshinari TanakaB) , Yasushi HayakawaB) ,Takeshi SakaiC) , Kyoko NogamiB)A) Graduate School of Science and Tech. Nihon Univ.
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B) Institute of Quantum Science Nihon Univ.
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
C) Advanced Research Institute for the Science and Humatities (ARISH) Nihon Univ.
12-5 Gobancho, Chiyoda-ku, Tokyo, 102-8251
Abstract
The automatic alignment system for FEL optical cavity mirror is developed in Laboratory for Electron BeamResearch and Application (LEBRA) Nihon University. Beam orbit in the undulator is calculated in real time fromthe signal of the two beam position monitors which are installed at each end of the undulator. By using the automaticalignment system, the optical axis will be able to adjust to the electron beam orbit at any time. Therefore, the FEL
will be kept stably during experiment. Using this system, load of operators will be reduced.

日本大学電子線利用研究施設における FEL 共振器ミラーオートアライメントシステムの開発
1.

はじめに

日本大学電子線利用研究施設 (LEBRA) では、2001
年 5 月に自由電子レーザ (FEL) の発振に成功し、2003
年 10 月にユーザ利用実験が開始された [1] 。24 時間
FEL 利用実験可能な施設をめざし、加速器および実験設備、周辺機器の高度化が進められているが、人員不足のため実現は難しい。さらに FEL を発振させるための運転は、経験に基づいた職人芸的な要素があり、ユーザに運転してもらうことも難しい。そこで職人芸的な要素を減らし、運転者の負荷を減らす
ために、FEL 光共振器に入る電子軌道を制御し、共振器ミラーをその軌道に最適な状態に自動調整するシステムを開発している。本稿ではこのシステムの概要および進捗状況を述べる。

から構成されている。共振器ミラーの間隔は、RF 波
長 λ の 64 倍、すなわち 6718mm で、アンジュレータ
長は 2400mm である。ミラーはミラー表面の中心を通る鉛直方向の軸 (Y) と、水平方向の軸を回転の軸(X) として、ステッピングモータで回転させることができる。さらに下流ミラーは、ステッピングモータとピエゾ素子で光軸方向にも動かすことができ、結果ミラー間隔を調整することができる。

3.

目論見

FEL は自発放射光を種として、蓄積された光と電子の相互作用によって発振するので、蓄積された光の光軸と電子軌道が一致していなければ発振しない。
よって光共振器に入射する電子ビーム軌道を測定し、その軌道に一致する光軸を 2 枚のミラーで作ってやればよい。
2 . LEBRA の FEL 光共振器
アンジュレータ中の電子ビームのベータトロン
振動による、水平方向の軌道のずれおよび周期磁図 1 に、LEBRA の FEL 光共振器の配置図を示す。
125MeV 電子線形加速器で加速された電子は、二台の 場による垂直方向の蛇行運動を無視し、BPM#8、
45 度偏向電磁石から成る無分散 90 度偏向系を通過 BPM#9 で計測した電子ビームの座標をそれぞれ Pu =し、アンジュレータに入射する。LEBRA では、電子 (xu , yu , zu )、Pd = (xd , yd , zd ) とすると、アンジュ
ビームの位置を計測するストリップライン型ビーム レータ内を通るビーム軌道は、t を媒介変数として

位置モニタ BPM は 13 台稼働している。FEL 共振器
 x = t(xu − xd ) + xu
付近には、二台の 45 度偏向電磁石の間 (BPM#6,#7)、
y = t(yu − yd ) + yu
(1)
アンジュレータの入口 (BPM#8)、出口 (BPM#9) に設

z
=
t(z
−
z
)
+
z
u
d
u
置されている。BPM#6 から電子ビームエネルギの変動を、BPM#8 と BPM#9 からアンジュレータ内の電という直線になる。ここでビームの中心軌道を Z 軸、子ビーム軌道を得ることができる。
鉛直方向を X 軸、水平方向を Y 軸とする。
FEL 光共振器は、曲率半径 5m の 2 枚の球面ミラー
一方蓄積光の光軸は球面ミラーの曲率の中心を結∗ E-mail: nakao@lebra.nihon-u.ac.jp
ぶ直線上にできるので、曲率の中心が (1) 式で表され-460-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

る直線上になければならない。曲率半径を R とするとミラーの曲率の中心は、
 xo = R sin Yα
y = R cos Yα sin Xα(2) ozo = R cos Yα cos Xαと書け、Xα , Yα ¿ 1 のとき、(2) 式は xo = RYαyo = RXαzo = R(3)と近似することができる。LEBRA の共振器ミラーの曲率半径は 5m で、ビームダクト径は 30mm なので、
(3) 式の近似が使える。
図 1 に示す BPM#8、#9 から Pu 、Pd をリアルタイ
ムに測定し、(1) 式と (3) 式から、鏡の角度 Xα 、Yαを求め、得られた角度をモータコントローラに入力
しミラーの角度を自動的に調整する。

4.

図 1: FEL 光共振器の配置

進捗状況

光共振器ミラーの自動調整を実現するためには、ミラーの位置、角度が PC で制御でき、BPM からの位
置情報がリアルタイムに取り込めなければならない。
ミラーの位置、角度については、PC で制御できるインターフェースがなかったので、シリアル通信でPC から制御可能なモータコントローラを導入した。
ミラー角度の分解能は 10„rad であったが、短波長での FEL 発振時に、ミラー制御の分解能が不足していたこともあり、モータドライバをマイクロステップ
対応のものに変更し、最小動作角を現行の 1/10 にした。
BPM は、アンジュレータの入口、出口をはじめとして、13 箇所に設置されている [2] 。現在オシロスコー
プを用いて、アンジュレータの入口、出口のビーム位置を取得することが可能である。しかしエネルギ変動が測定することができる、BPM#6 からの出力はまだ取得できていない。

5.

6.

まとめ

FEL 発振運転時のオペレータの負荷を軽減するた
め、FEL 共振器ミラーの自動調整システムを開発している。このシステムは、光共振器に入射される電子ビームの軌道をリアルタイムに算出し、光共振器の光軸を電子ビーム軌道に自動的に一致させるものである。
現在 FEL 共振器ミラーを PC から制御でき、アン
ジュレータの入口と出口のビーム位置を取得できるところまで、開発が進んでいる。
電子ビームエネルギ変動の補償、共振器長の補償、共振器ミラーの設置誤差の推定などが、今後の課題
である。

参考文献

今後の課題

共振器ミラーの間隔も重要なパラメータであるが、今回は考慮していない。共振器ミラーの間隔は、アンジュレータが設置されている床の内部の温度と強い相関があることがわかっているので、温度変化を共振器長にフィードバックすることを検討している。
BPM および共振器ミラーの設置誤差を測定し、共振器ミラーの向きに補正を加える必要がある。しかし共振器ミラーは真空チェンバ内にあり、銀コート
ミラーのため大気に曝すことはミラーを損傷する可能性があるため、測量は困難である。そこで、FEL
パワー、ミラーの位置、角度、アンジュレータ入口、
出口のビーム位置を記録し、FEL のゲインが高い時を電子の軌道と光軸があっているものと仮定し、測定したビーム軌道と向きから推定することを考えて
いる。
-461-

[1] T.Tanaka, et al., “日大 125MeV リニアックの稼働状況”
Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Society of Japan and the 29th Linear Accelerator Meeting inJapan, Funabashi, Aug. 4-6, 2004
[2] K.Ishiwata, et al., “LEBRA におけるビーム位置計測シ
ステムの開発” Proceedings of the 1st Annual Meeting ofParticle Society of Japan and the 29th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Funabashi, Aug. 4-6, 2004

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

DEVELOPMENT OF BEAM POSITION MONITOR MEASUREMENTSYSTEM Ⅱ
Ken’ichiro Ishiwata1,A), Isamu SatoB), Ken HayakawaC), Toshinari TanakaC), Yasushi HayakawaC),
Takeshi Sakai B), Kyoko NogamiC), Keisuke NakaoD), Tsuyoshi SuwadaE)A)
Department of Physics, College of Humanities and Sciences, Nihon University
3-25-40 Sakurajosui, Setagaya-ku, Tokyo 156-8550
B)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities (ARISH), Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
C)
Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
D)
Graduate School of Science and Technology, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba, 274-8501
E)
High Energy Accelerator Research Organization, KEK
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
Ten BPMs were added into the beam line at LEBRA, and the total number of BPMs becomes 13 (six BPMs are in an
accelerator straight line, four BPMs are in FEL beam line, three BPMs are in PXR beam line). A signal from eachelectrode of BPM is inputted into a RF detector through RF coaxial cable. The detected voltage is measured by meansof the AD conversion board on PC. The beam position is derived from the voltage digitized data by a PC. It is reported
about this signal acquisition system.

ビーム位置計測システムの開発Ⅱ
１．はじめに日本大学量子科学研究所電子線利用研究施設(LEBRA)では、高エネルギー加速器研究機構(KEK)との共同研究により、電子線形加速器の高度化とその高度利用に関する開発が進められている。その中の1つとして自動制御システムがある。電子ビームの位置、エネルギー、ビーム電流の変動を制御する
制御システムを構築してビーム軌道の長時間安定を試みる。全ビームラインにおいて電子ビームの位置
および軌道を知るために、2003年までにストリップ
ライン型ビーム位置モニター(BPM)をリニアック直線部分とFELビームラインに計９台導入し、PXR
ビームラインの立ち上げのために2004年4月に4台追加し合計で13台になった [1,2] 。増幅回路やADCによるデーター取得システムの構築により、ビームライ
ン上の各位置での電子ビーム位置を同時にモニターすることが可能となった。このシステムについて報告する。

２．ビーム位置計測システム
ビーム軌道の調整を容易にし、自動調整を可能にするために、電子ビームの繰り返し2Hzで、リニ
アック直線部およびFELビームラインに設置された
1

10台のBPMの全パルスのビーム位置を記録・表示を行うシステムが必要となる。リニアック直線部に設置した6台のBPMでは、検波電圧の波形は図1に示す
ように、20µsのパルス内における変動がなく安定して、ビーム位置の変動は見られないので、ビーム位置の検出はパルス内の1点で行えば十分である。
FELビームラインのBPMはパルス内において変動があるがこのシステムでは1点で測定することにした。

＋X,−X側電極出力＋Y,−Y側電極出力

図１．リニアック直線部に設置されたBPMの検波電圧の波形例。水平方向、垂直方向ともに対向電極で検波電圧がほぼ等しいため波形が重なっている。またパルス内で検波電圧は一定である。

E-mail: ishiwata@phys.chs.nihon-u.ac.jp-483-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

ELECTRODE 2 +Y
3
-X
BPM

RF COAXIAL CABLES

RF DETECTORYORF DETECTOR

1X

RF DETECTOR+X
RF DETECTOR

4 -Y

Agilent technologies Op Amp Ｓ＆Ｈ
423B, 0.01〜12.4GHz
LM6364N LF398N

Analog Digital Converter

ビーム位置モニターシステムの概念図を図2に示す。BPMの各電極からの信号はRG-55/UもしくはRG-9B/U高周波同軸ケーブルを用いて、検波器に入力される。検波器で検波された信号は高速オペアン
プ(National Semiconductor製, LM6364N)に入力され20倍に反転増幅される。この信号をビームパルス幅
20µs の 中 心 部 で サ ン プ ル / ホ ー ル ド (National
Semiconductor製, LF398N)を行う。10台のBPM×4電極のサンプル/ホールドされた電圧はPCIバスに接続されたインタフェース社の12ビットAD変換ボード
PCI-3177CをもちいてPCに取り込む。このようにPCに取り込まれた電圧をRF電力に換算しビーム位置を計算し、記録・表示するシステムを製作した。

３．ビーム位置の計測
このシステムを用いてビーム位置を測定した例を図4に示す。リニアック直線部に設置した[1]
BPM1,2,3,10,4,5のビーム位置はビーム調整をした時を除き、顕著な変動は見られないが、FELビーム
ラインの90°偏向系の45°偏向部に設置した[1]BPM6,7の水平方向のビーム位置は+2mm〜-1mmの間で変動している。これは電子ビームのエネルギー変動によるものである。ただし、いたるところでノイズを測定している点が問題である。
3
BPM1-X
BPM1-Y2

BPM2-X
BPM2-Y

Beam Position [mm]2.1 ビーム位置の計測システムの回路とPCへの取り込み

Beam
Position（Ｘ，Ｙ）
BPM1( 0.1,-0.2)
BPM2(-0.1, 0.1)

BPM3-X

1

BPM3-YBPM10-X
BPN10-Y

0

BPM4-X
BPM4-YBPM5-X-1

BPM5-YBPM6-X-2

BPM6-YBPM7-X
BPM7-Y

PC

-3
14:00

図２．ビーム位置計測システムの概念図。

15:00

16:00
Time

17:00

18:00

図４．ビーム位置の測定例。
横軸に時間、縦軸に各BPMの水平方向および垂直方向のビーム位置を示した。▼は電子ビームを顕著に
調 整 し た 時 間 を 示 す 。 ま た 、 BPM6,7-X （ 水 平 方向）は電子ビームのエネルギー変動によりビーム位置が顕著に変動している。

2.2 ビーム位置の計測システムのPC画面

このシステムのPC画面には各BPMの４つの電極の検波電圧とビーム位置をそれぞれ図3に示すように表示させた。画面左側はBPMの番号と設置場所を示した下に現在のビーム位置を青丸、ビーム位置の履歴を赤丸で表示される（半径5mmの円が描かれて
４．まとめいるが、ビームダクトではない）。また、この下にビーム位置計測システムのPC画面には各BPMの4
現在の検波電圧[単位：mV]が電極1,2,3,4の順に表示
電極の検波電圧、現在のビーム位置、ビーム位置のされる（電極番号は図2中に示してある）。また画履歴を表示させた。これにより、ビームが通過して面右側は現在のビーム位置[単位：mm]が表示さる。
いる全BPMのビーム位置がこのシステムにより、常ただし4電極の検波電圧の１つでもが5mV以下に時表示可能となり、ビーム軌道の調整が非常に容易なったときは、ビーム位置は表示されない。
になった。
この規模の電子線形加速器でこれだけの数のBPMを導入することは極めてまれであるが、複数のBPMで同時に測定することによって電子ビームのエネル
ギー変動がわかり、アクロマートなビーム調整を可能にすることができ、加速器の調整に非常に役に立っている。特にFELの発振調整には不可欠な装置となっている。
●：現在の
ビーム位置
●：ビーム
位置の履歴

図３．ビーム位置の計測システムPC画面。
PC画面に各BPMの現在の4つの電極の検波電圧とビーム位置、及びビーム位置の履歴が表示される。
-484-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

参考文献[1] K.Ishiwata, et al., “Development of Beam Position
Measurement System at LEBRA” Proceedings of the 1st
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan, (August
4 - 6, 2004, Funabashi Japan)[2] K.Ishiwata, et al., “Influence of Harmonics on the Output
Signal of Beam Position Monitor Installed near the Slit”
Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan and the 29th Linear
Accelerator Meeting in Japan, (August 4 - 6, 2004,
Funabashi Japan)-485-