東大原施トリプレットライナックの現状 2002
上坂充1,A)、渡部貴宏 A)、上田徹 A)、吉井土橋克弘 B)、飯島北斗 B)、木下健一 B)、室屋康司 A)、細貝知直 A)、裕佐 A)、勝村庸介 A)

A)

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 2‑22B)

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

概要

8S バンド Mg カソード RF ガン（SPring8 らと共同）が立ち上がり、詳細ビーム計測／放射線化学実験を行っている。ここまで最高 4nC／バンチで、QE は表面が酸化しているため銅同等である。年度内にレーザークリーニング実施し、QE=10‑3 を達成する。建屋
空調を更新し常時１℃以内となり、すべて特にレーザーが安定した。12TW50fs レーザーを使ったレーザープラズマライナックでは、40MeV 電子ビーム、数百keV Ti イオン、8keV X 線 108 光子／ショット、THz 光を発生させ、部分的に利用実験に供している。医療用先進小型加速器開発プロジェクトでは、X バンドラ
イナックベースコンプトン散乱硬 X 線源の開発が進んでいる。RF ガン、加速器が作製された 。

１．平成
１．平成１４
平成１４年度共同利用
１４年度共同利用

910

マルチビーム研究
フェムト秒Ｘ線回折
テラヘルツ電磁波強度の励起
光強度依存性
超短パルスレーザーによるイオン発生とその位相空間回転（東京大学）
上坂 充（東京大学）
猿倉信彦
（分子研）
野田 章
（京都大学）

２．MG
カソード RF ガン２．
本年度 4 月エージングを終えた Mg フォトカソード
RF ガンは、そのビームテストを 5 月におこなった。
詳細は[1,2]を参照されたい。その他は、レーザーと電子ビームの同期精度の向上を目的として施設の空調設備の改善を行った。同期精度の実験は現在進行中である。

平成 14 年度は新規テーマ４テーマを含む合計 10の共同利用テーマが採択された。本年度の特徴としては、テラワットレーザー装置を用いた実験テーマが 6 テーマ含まれていることである。表１にテーマ一覧を示す。
表１12345671

平成 14 年度共同利用テーマ一覧

テーマ名
水溶液の放射線効果の研究
ポンプ＆プローブ法を用いる
超高速反応の研究
天然高分子材料等の放射線
化学反応機構と表面加工
アルミナ蛍光板の発光特性の測定
放射線の高分子材料への応用
高速応答シンチレータの開発と性能評価
レーザープラズマE-mail: Uesaka@tokai.t.u-tokyo.ac.jp

代表者
勝村庸介
（東京大学）
勝村庸介（東京大学）
工藤久明（東京大学）
中沢正治（東京大学）
山下 俊（東京理科大）
浅井圭介（東京大学）
上坂 充

図１：ライナックとＲＦガン

３．電子バンチ波形評価
現在研究が進んでいる Mg カソードＲＦガンおよびプラズマカソードによる極短電子パルス発生に備え、フェムト秒ストリークカメラに代わる高時間分解能計測手法の開発を行ってきた。現在は、インコヒー
レント放射の揺らぎからパルス幅を導出する手法

ドの研究を進めている。臨界密度未満の低密度プラズマ中に入射された超短パルス高強度レーザーの後ろにはレーザーパルスのポンデロモーティブ力よって大振幅のプラズマ波（航跡場）が励起される。プラズマ中の電子はこの非線形プラズマ波中に捕獲されプラズマ波の破砕とともに加速されプラズマより放出される。このプラズマ波破砕による電子加速のスキームでは励起されるプラズマ波の波長は（密度1018〜1019 cm‑3 に対して）10〜100μm 程度であり、したがって加速される電子の軸方向のバンチ長はフ４．パルスラジオリシス
ェムト秒オーダーの超短パルスになることが期待さ
今回の Mg カソード導入に伴い、システム再構築おれる[5‑6]。図３に実験の概略を示す。真空容器中で、よび改善を行った。ポンプ&プローブ方式においては、 チタンサファイアレーザー（波長 800nm、最大出力試料に電子パルス(ポンプ)を照射し瞬間的に現象を開始させ、これと同期制御されたフェムト秒レーザ(プローブ)により、ある時間での現象を瞬間的に分光測定する。本装置では、0.3TW Ti:Sa レーザーをビームスプリッタで分岐し、一つはフォトカソードへ入力し電子パルス生成に用い、残りを分析パルス光に用いる。初めにフォトカソード試験、ビーム輸送実験を行い、その結果ビーム出口にて>1nC/bunch,D= 1mm(rms)の電子ビームが得られた[4]。カソード交換により輸送効率が著しく向上し、従来の倍以上の電荷量が得られた。図２に、この電子ビームを用いてパルスラジオリシスを行った結果を示す。試料は超純水で、Ar 脱気し 5mm 石英セルに封じたものを用いた。測定波長は Ti:Sa レーザの基本波長 795nm で、図は H2O の放射線分解反応により生成する水和電子の時間挙動を示す。水和電子の生成時間は 1ps 以下と考えられており、約 9ps の吸収立ち上がりは時間分解能であり、従来の 12ps を上回る結果を得た。現時点で時間分解能を決める要因は主に、電子ビームのパルス幅( 5ps(FWHM))と、電子ビームとレーザー
図３：プラズマカソード実験の概略の試料中での速度差に起因する通過時間差(5mm セルで 5ps)の 2 点であると考えられる。今後これを低減
12TW‑50fs）を集光密度 1〜2×1019Wcm‑2 で、パルス駆することが必要であり、今回行っていない 1nC 以上動超音速ヘリウムガスジェットに集光した。プラズの高電荷ビームに対する磁気パルス圧縮実験、よりマ波破砕による電子加速のスキームではエッジに急短いセルを用いたパルスラジオリシス等を行いたい
峻な密度勾配を持ち内部は均一な密度分布のガスタと考えている。
ーゲットが必要となるため円筒型衝撃波フリー超音
速急膨張ノズルを採用した。ノズルは出口内径を 2mmとし、出口におけるマッハ数が M＝４.2 となるよう0.1に設計した。電子発生に用いた典型的なガス密度は0.08
ノズル出口で〜3x1019cm‑3（リザーバ圧力２０気圧）
0.06
9ps0.08であった。プラズマからの電子発生の空間分布をイ0.040.04
メージングプレート(I.P.)を円筒状に真空容器内部
0.0200102030400Time [ps]に設置することにより計測した。また、I.P.のイメ
050100150200250300ージ上の電子を X 線の信号と分離するため、さらにTime [ps]電子ビームのエネルギースペクトルを得るために永久磁石（ネオマックス）による電子偏向器(中心磁場
図２： Mg カソード RF ガンシステムで測定した〜0.3Ｔ)をレーザー軸上のジェット後方に設置した。
水和電子の時間挙動(795nm)
図４に典型的な実験結果を示す。真空容器内部の電子発生方向に円筒状に設置したイメージングプレー
トの展開図である。濃淡は電子の放射に対応してい５．レーザープラズマカソードる。円筒底面の I.P 上に見られるようにレーザーと同軸の進行方向に鋭い指向性を持つ（立体角〜２度）
超短パルス高強度レーザープラズマ相互作用を用高エネルギー（最大〜４０MeV：検出器の限界）の電いて 100fs 以下のパルス幅を持つ相対論的（数十子ビームが発生し、プラズマからおよそ前方３０度MeV）電子シングルバンチを生成するプラズマカソー
AbsorbanceAbsorbance（フラクチュエーション法）の研究を行っている。
特に、電子パルスの横方向エミッタンスが計測に与える影響について注目し、３次元数値計算コードを開発し評価した。また、今までコヒーレント放射を用いた計測手法（干渉・分光法）も研究してきた。
我々はコヒーレント放射およびインコヒーレント放射を用いた計測法を共通の理論体系の中で説明すべく、その理論体系をまとめた。詳細は[3]を参照。

の斜め方向に低エネルギー（〜数百 keV）の電子放射が発生していることが観測された。さらにこの電子ビームの発生はレーザープレパルスの作るプレプラズマの条件に大きく依存していることが確かめられた。

７.

X バンド逆コンプトン散乱硬 X 線源

文部科学省先進小型加速器開発プロジェクト(取りまとめ放射線医学総合研究所)に参画し、静脈注射による冠状動脈動的血管造影(IVCAG)のための、X-bandlinac を用いたレーザー電子ビーム衝突による小型硬X 線源を開発中である。本研究の最終目標は、従来の血管造影(CAG)装置に代わるレーザー電子衝突による IVCAG 用硬 X 線源である。X バンド加速器とレーザーを大型のアームに収め、患者のいろいろな角度から X 線を照射できるようにする。電源を含めた装置全体で 5mx3m に収まる一体型の IVCAG 装置を、5 年後をめどに開発し、普及を図りたい[7]。

8. 今年度中の展開
Mg カソード RF ガンの関しては、レーザークリーニング技術を習得し、QE10-3 を達成して、銅カソードの最高電荷量 7nC を更新したい。また銅カソードによる電荷量をはるか小さいレーザーエネルギーで低エミッタンスビームを安定に実現したい。レーザープラズマカソードはプリプラズマ問題を解決して、安定な 40MeV 電子ビーム発生とビームパルス幅を評価したい。X バンド逆コンプトン散乱硬 X 線源については熱 RF ガン、加速管、RF 源を製作しながら、装置本体を稼動アームに搭載できるシステムの設計を完了させたい。
図４：円筒状イメージングプレートで得られた
電 子 放 射 の 様 子 。（ ガ ス 密 度 2.1 × 1019
cm‑3 、レーザー強度 3TW）

６．レーザープラズマイオン発生
小型イオンシンクロトロンへの入射系として用いるためにレーザープラズマイオン源の開発を行っている。この際、取り出すイオンビームの種類に対応したレーザーターゲットの最適化が課題であり、金属薄膜やプラスチック薄膜の他、固体あるいは各種のプラズマ等からのイオン発生に関するデータ取得および連続照射機構のモデル開発が必要となる。東大 12TW レーザーを用いてレーザープラズマイオン発生実験を行った。軸外し放物面鏡によって Ti、Al、ポリエチレン等の薄膜標的上にレーザーを集光し、発生したイオンを CR‑39 を用いて検出する。集光強度は約 3×1018 W/cm2 である。発生イオン数は前方に105 〜106 sr‑1shot‑1 程度、後方に 106 〜107 sr‑1shot‑1程度となった。発生イオンを陽子とした場合の最大粒子エネルギーは〜100keV であった。レーザーのプリパルスによる薄膜標的の破壊あるいはプリプラズマの発生が問題となっている。

謝辞
SPring8(JASRI)、KEK、早大、BNL、原研関西研、京大化研、広大および共同開発参画企業の方々の研究協力に深く感謝申し上げます。

参考文献[1] H.Iijima, et al., 本 Proceedings 中.
[2] H. Iijima, et al., “High charge Mg photocathode RF gun in
S-band linac at University of Tokyo”, Proc. of EPAC2002.
[3] T.Watanabe, et al.,本 Proceedings 中.
[4]Y. Muroya, M. Uesaka, Y. Katsumura et al., “Ultra-fast pulse
radiolysis system combined with a laser photocatthode RFgun and a femtosecond laser”, Nucl. Instr. and Meth. A, inpress.
[5]N. Hafz, M. Uesaka, J. Koga, and K. Nakajima, "Numericalanalysis of 10's femtosecond relativistic electron beam
generation using single 12 TW 50fs laser pulse", NIM. A,455, 148 (2000)[6]S. Bulanov, N. Naumova, F. Pegoraro, and J.Sakai, "Particle
injection into the wave acceleration phase due to nonlinear
wake wave breaking", Phys. Rev. E, 58, R5257 (1998)[7] K.Dobashi, et al., 本 Proceedings 中.