X ‑ b a n d リニアックを用いた小型硬X 線源‑ ビームライン全体の設計、開発の現状 ‑
土橋克広

A)

、上坂

今井 貴之浦川順治C)

B)

充B)

B)、深沢、 坂本 文人B)

、肥後寿泰C)篤B)、飯島、えび名風太郎、明本

光生

C)

北斗
B)

、早野A)

、、仁司

C)、A)

放射線医学総合研究所〒263-8555千葉県千葉市稲毛区穴川4-9-1
B)

東京大学大学院工学系研究科附属原子力工学研究施設〒319-1188 茨城県那珂郡東海村白方白根2-22C)

KEK:高エネルギー加速器研究機構〒305‑0801茨城県つくば市大穂1‑1

概要

２．基本設計我 々 は 、 経 静 脈 動 的 冠 状 動 脈 造 影 (Dynamic
我 々 が 提 案 す る 小 型 硬X線源は、図1のような、IVCAG) 、生命科学応用などさまざまな用途が考え
小 型 の Xバンドリニアックで加速された電子ビー
ら れ る 高 品 質 の 硬 X線源をより小型化する、Xバン
ム を レ ー ザ ー と 衝 突 さ せ て X線を発生させるもの
ドライナックを持ちいたレーザー電子ビーム衝突で あ る 1) 。 熱 RFガンで生成されたマルチバンチ電に よ る 小 型 硬 X線 源 を 開 発 中 で あ り 、 Ｘ 線 強 度
子 ビ ー ム は Xバ ン ド 加 速 管 で 加 速 さ れ 、 パ ル ス
10 9photons/s( 但 し 後 述 の レ ー ザ ー サ ー キ ュ レ ーレ ー ザ ー 光 と 衝 突 す る 。Compton散乱により、時ションシステムを採用した場合)を目指す。
間幅10ns(FWHM)の硬X線が生成される。
Ｘ線の強度を安定にするには、先ず、ＲＦ源の電子源としてはいろいろな選択枝があるが、X出力を安定にする必要がある。また医療応用を考
バ ン ド 熱 RFガ ン (電子銃)を採用する。他に、短バ
える場合、電源は小型である必要がある。電源でン チ 高品質ビーム生成が可能なフォトカソードRF発生するビームエネルギーふらつきは、レーザーガンも考えられるが、高度なレーザー技術を要す
電子ビーム衝突ルミノシティーに影響を与えるが、るドライブレーザーが必要になるため、今回はオ
これはビーム光学系に依存する。また、エネルプションとした。衝突用レーザーに関しては、加ギー拡がりは衝突点でのビームサイズ増大させル速器の開発に専念するために、既存のレーザーをミノシティーの減少を招くため、実現できるビー
使 用 す る 。 我 々 は パ ル ス 強 度 2J/pulse, 繰 り 返 しムエネルギー広がりの範囲内でビームサイズへの10pps, パ ル ス 長 10ns(FWHM), 波 長 1064nmの Ｑ ス
影響を許容できるようなビーム光学系である必要
イッチNd:YAGレーザーを採用する。これにより、がある。Ｘバンド加速器ビームラインのビームラ
小 型 で シ ン プ ル な Ｘ 線 生 成 装 置 が 構 築 で き る 2,3,4)。
ティス設計とＸバンド RF源性能評価試験の進行状
Ｘ線強度は108photon/s と見積もられている。
況について報告する。
図1 Xバンド小型硬Ｘ線源概念図
X-bandPower Source

１．はじめにTiming
SystemAlpha Magnet

Q-Swit ch
Nd:YAG Laser

Bending Magnet
X線 は 医 療 、 生 命 科 学 、 材 料 科 学 な ど 広 い 分 野
Laser Dump
Mirrorで利用されている。例えば医療関係では、定期検
X-band Accelerating Structure
Thermionic cathode
診や、非切開手術での人体透視、癌細胞への直接
X-band RF-gun
Q-Magnet
Collision Point照射による治療などさまざまな用途がある。しかし放射線障害の問題は避けて通れず、医療現場でLens
Beam Dump
はこれを含めたさまざまな患者への負担の低減は大きな課題である。我々は、文部科学省先進小型
Thin mirror(in vacuume)
加 速 器 開 発 プ ロ ジ ェ ク ト (取りまとめ放射線医学
Laser light
Hard X-ray(33keV)(1064 nm)
総 合 研 究 所 ) に 参 画 し 、 従 来 使 用 さ れ て 来 た Sバンド(2856 MHz、波長10.5 cm)の1/4の波長であるXバンド(11.424 GHz、波長2.6 cm)リニアックを用いた、３．Ｘバンド線形加速器ビーム光学系設計
よ り 小 型 の 硬 X線 源 を 開 発 し て い る 。 Xバンドを採 用 す る こ と で 、 Sバンドのシステムと単純に比数値計算による概念設計および、それに基づく較 す る と 、 長 さ 1/4、体積1/64にすることができる。 開 発 方 針 の 確 認 、 第 1号機の全体設計をもとに、

300

100 µ m1.82501.61.4

M2 =11.2200

M2=21.0150
M =120.8

1000.6ε x , y = 10πm m ⋅ m rad

M2 = 20.4

500.2
0.00200

4000600
800
1000
Electron beamsize [ µm]Beta fun ction at C.P. [m]Maximum X-ray yield [x1 05 p hotons /b unch ]2.0

O ptimu m las er beams iz e [ µm]Maxi mum X-ray Yiel d [x10 5p hoton s/ bun ch]

ビ ー ム ラ イ ン (ビ ー ム 光 学 系 )の 詳 細 計 算 を お こ
変 化 を 計 算 し た （ 図 4）。エネルギー変動が±1%なった。ビーム光学系の計算はＫＥＫで開発されの範囲では、Ｘ線強度の低下は１０％程度であるているＳＡＤをもちいた。計算より得られたビーことがわかる。後述の通り、ＸバンドＲＦ源のパム光学系について、ＲＦパルスあたりＸ線強度のル ス あ た り 出 力 安 定 性 は ±0.1%であるので、Ｘ線ふらつきを評価した。の パ ル ス ご と の ふ ら つ き は 10％より小さくなるこ
先ず衝突点での最適ビームサイズの再検討をおとが予想される。
こなった。これまでのＩＨＩでのＲＦガン詳細計
1.4
0.40算 5) よ り 、 予 想 ビ ー ム ク オ リ テ ィ が わ か っ て い るので、このビームとレーザーを衝突させた場合の、X-ray yield
0.351.2
ビームサイズによるＸ線強度の変化を調べた(図2)。
0.301.0
この結果よりレーザ、電子ビームともに0.250.1mm(rms)が妥当と判断した6)。
0.80.200.6

βx0.4

0.100.2
0.00.15βy-0.010-0.005

0.000

0.005
0.010
Momentum offset ∆P/P

0.050.00

図4: 電子ビームエネルギーが変化した場合の衝突点β関数とＸ線強度の変化

4. Ｘ バ ン ド 加 速 器 開 発 状 況

ビームライン設計と平行して、ＫＥＫ明本助手を中心に、ＸバンドＲＦ源のキーデバイスであるＲＦモジュレータ−電源の設計製作をおこなった
7)。特に今回は大出力電源を小型化することと、上記結果を受け、ビーム光学系の設計計算をＲＦ出力のふらつきを±0.1％以内に抑えるように行った。衝突点でのビームサイズが上記結果からした。小型化に関しては、パルストランスの巻きの要求を満たすようビーム光学系の最適化を行っ線数を変更してＰＦＮ部を低電圧大電流化するこた。また、ビームエネルギー変動によるＸ線強度と に よ り 、 500kV,ピ ー ク 出 力 135MWでありながら、のふらつきをなるべく抑えるため、衝突点での運Ｐ Ｆ Ｎ 部 と 制 御 部 を 1600W ×2000H×1000D(クライ動 量 分 散 関 数 と色収差を小さくするよう考慮した。
ストロンタンク及びクライストロンを含めるとこのようにして設計したビームラインにより、衝3115W ×2255H×1350D)に 収 め る こ と が で き た 。 こ
突点でビームサイズ0.1mmを得られる(図3)のＲＦ電源は工場での動作試験において出力パル
ス 安 定 度 が ほ ぼ デ ザ イ ン 通 り の ±0.12％であるこβ x , β y [m]とが確認された。この装置を東海村の東大原子力施設に搬入設置した。

図2：電子ビームサイズと最大Ｘ線強度およびレーザービームサイズの関係

η x ,η y [m]σ x , σ y [mm]100µ mQFD5C.P.

QFD3
QFD4

QFD1
QFD2

QS0L

QS0L

QA4L
QA5L

QA3L

QA0L
QA1L

s[m]

図3：ビーム光学系
このビームラインにおいて、電子ビームエネル
ギーが変化した場合の衝突点β関数とＸ線強度の

図5: ＸバンドＲＦモジュレータ−電源
この夏よりＸバンドＲＦ源の試験を行う。

REFERENCES[ ] M Uesaka et al.,原子核研究, Vol.47, No.4 (2002),
pp.9-21.
こ の 夏 よ り Ｘ バ ン ド Ｒ Ｆ 源 の動作試験をはじめ[2] K. Dobashi, et al., ICFA 24th Beam Dynamics
る。
Workshop on Future Light Source in SPring-8, Japan,Ｘバンドクライストロンのエージングの後、Ｘバ
1-4 March (2002)
ンドハイパワーＲＦ生成試験において、ピークパ[3] K. Dobashi, et al., 8th European Particle Accelerator
ワ ー 50MW、 パ ル ス 幅 １ µsのＸバンドＲＦ生成を
Conference in Paris, France, 3-7 June (2002)目指す。
[4] K. Dobashi et al. 第27回リニアック技術研究会
ま た 、 レーザー電子ビームの衝突を効率良く行う(2002)には、ビームプロファイルを精度良く測定するモ[5] M. Yamanmoto, et al., 第27回リニアック研究会
ニターが不可欠である。100ìmを測定可能な高空間(2002)
分解能及び、バンチ構造を測定できる高時間分解[6] M. Uesaka, et al., The XXI International LINAC能を有するモニターとして、Wire scanner、OTRモ
Conference in Korea, 19-23 August (2002)
ニターに焦点をあて、その研究開発を行っており、 [7] M. Akemoto et al. 第28回リニアック研究会(2002)
東大ＳバンドライナックにてＸバンドビーム加速
TP-25
試 験 に 使 用 す る プ ロ フ ァ イ ル モ ニ タ ー 8)の試験を[8] F. Sakamoto et al. 第28回リニアック研究会(2002)行う。
TP-39
冬季よりＸバンド熱ＲＦ電子銃 9,10)の高電界試験[9] A. Fukasawa et al. 第28回リニアック研究会(2002)
をはじめ、来春にはビーム加速試験を行う予定でWP-8ある。
[19] K. Matsuo et al. 第28回リニアック研究会(2002)
来年度中には加速管を加えた全Ｘバンドビームラ
WP-24
イ ン (図 １ )でのビーム加速を実証し、Ｘ線生成実[11] T. Imai et al. 第 28回 リ ニ ア ッ ク 研 究 会(2002)
験に備えたい。
WP-5
こ れ ら の 試 験 と 平 行 し て 、 図 6のような血管造影実証機の実現に向けた各種要素技術開発を進める 11) 。ビームラインをαマグネットを用いてより小型化し、ガントリーに搭載可能にする。また、ビームエネルギー回収や永久磁石を用いたビーム
光 学 系 の 設 計 ､ Ｘ 線 強 度 を1桁以上増加させるレーザーサーキュレーションシステムの検討も順次進めていく。

5. 今 後 の 予 定<3m
Laser system
X-band accelerating structure

L ase r ci rcula ti on s yst e mX-band Klystron

Dynamic imageof coronary artery

Monochromatic hard X-ray

X-band power s upply

Patient

Intravenousinjection
ofcontrastagent

Moving stage(bed)
2D X-ray detector
Moving arm<5 m

図6: 本研究の最終目標