X バンドリニアックを用いた小型硬 X 線源の開発
土橋浦川克広1,A)、上坂C)

順治 、肥後A)充 B)、深沢C)

寿康 、明本篤 B)、飯島

北斗 A) 、C)

光生 、早野仁司 C)、

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

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

X 線は医療、生命科学、材料科学など広い分野で利用されている。例えば医療関係では、定期検診や、非切開手術での人体透視、癌細胞への直接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。
心筋梗塞の治療には、50keV 程度の X 線管を用いた動的冠状動脈血管造影(CAG)が一般に行われている。患者の太股の動脈からカテーテルを挿入して心臓の冠状動脈まで到達させ、沃素(I)を含む血管造営剤を数回カテーテルを通して注入しオンラインで可視化する。ここで注意しなければならないのは、図１の通りヨウ素(I)は 33keV に K エッジがあり、33keV
前後での X 線吸収の断面積が 5.4 倍程度増加することである[1]。したがって、ブロードなエネルギーをもつ制動放射 X 線（実際には金属板のフィルターを併用）を用いた現在の CAG システムでは、造影に寄与するエネルギーの X 線量に比べ人体全体に吸収される X 線が多くなってしまい、治療中の患者への大量の放射線被曝を余儀なくされる。また、大量の造影剤を冠状動脈に注入する必要があり、患者への負担も増大する。
一方、他の高性能 X 線源として、電子貯蔵リングからのシンクロトロン放射(SR)光がある。この単色化された放射光を血管造影に用いれば、33keV の X
線強度が強いので、造影剤投入は手首静脈から行な
1. E-mail: kdobashi@utnl.jp

Total Cross section[b/atom]〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1
うこと(IVCAG)が可能となり、患者への負担は軽くな概要る。また、被曝線量も抑制できる[2]。
高エネルギー加速器研究機構(KEK)では筑波大学
文部科学省先進小型加速器開発プロジェクト(取り医学部と共同で、KEK-AR(蓄積リング)のアンジュレ
まとめ放射線医学総合研究所)に参画し、静脈注射にータービームラインで IVCAG 臨床試験を行っていよる冠状動脈動的血管造影(IVCAG)のための、X-bandる。37keV, 1011photons/s の X 線を用いて、33shots/slinac を用いたレーザー電子ビーム衝突による小型硬の像を得ている[3]。
X 線源を開発中である。いくつかのレーザーと電子残念なことに、放射光施設は一般的には高額巨大源の組合せが考えられ、これらの X 線強度を数値計な装置であり、一般の大学の研究室や病院においそ算により評価した。Q-スイッチレーザーと熱 RF 電子れと導入できるものではない。
銃を用いた比較的シンプルな装置で最大 50keV 程度
大強度のレーザー光と電子ビームを衝突させての強度 108photons/s(total)程度の X 線が得られる。こCompton 散乱(逆 Compton 散乱と呼ぶ場合もある)にの小型 X 線源の概要と数値計算による X 線強度、開より高エネルギーX 線を得る方法がある。この方法
発の現状について報告する。
では、電子ビームが低くても高いエネルギーの X 線を生成できるため、小さな線形加速器を用いて、非１．はじめに
10 710 6
10 5
10 4K 1s: 33.169 keV

Iodine (Z=53)

10 3
10 2
10Carbon (Z=12)
Oxygen (Z=16)110-102040Hydrogen(Z=1)
6080100

X-ray energy [keV]

図 1 各元素におけるＸ線減衰前段面積のＸ線エ
ネルギー依存性[1]ネルギー依存性
常にコンパクトなシステムを構成することが可能になり IVCAG の普及に弾みがつくと期待される。
我々は、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、X-band リニアックを用いた、より小型の硬 X 線源を開発している。
本稿では、この X-band リニアックを用いた小型硬X 線源の検討結果について報告する。本稿では、この X-band リニアックシステムの概要とその X 線強度について議論する。

電源を用いて 1µs, 50MW のＲＦ出力を得る予定である。

２．基本設計と数値解析

我々が提案する小型硬 X 線源は、図 2 のような、小型の X-band リニアックで加速された電子ビームを2.2 レーザー装置レーザーと衝突させて X 線を発生させるものである。
衝突用レーザーに関しては、加速器の開発に専念
熱ＲＦガンで生成されたマルチバンチ電子ビームはするために、既存のレーザーを使用する。
Ｘバンド加速管で加速され、パルスレーザー光と衝
我々はパルス強度 2J/pulse, 繰り返し 10pps, パル突する。コンプトン散乱により、時間幅 10ns(FWHM)ス 長 10ns(FWHM), 波 長 1064nm の Ｑ ス イ ッ チの硬Ｘ線が生成される。
Nd:YAG レーザーを採用する。これにより、小型でフォトカソード RF ガンを用いれば短パルス低エ
シンプルなＸ線生成装置が構築できる。
ミッタンス電子ビームを生成でき、これにより超短また、Ti:Sapphire レーザーのような超短パルスレパルスＸ線の生成も可能である。
Laser Dump
ーザーと単バンチ電子ビームにより、10ps(FWHM)
Alpha Magnet
Bending Magnet
以下の超短パルスＸ線の生成も可能である。
Q-Magnet
X-band Accelerating Structure

Laser light(1064 nm)

Beam Dump

MirrorLens

Hard X-ray(33keV)

図 2 熱ＲＦガンとＱスイッチ Nd:YAG レーザーを用いた小型硬 X 線源の概念図

2.1 X バンドリニアック
我々は、超小型化を実現するために、一般に線形加速器で用いられているＳバンド（2．856GHz）の 4倍の周波数にあたるＸバンド(11.424GHz)をＲＦとして採用する。
Beam energy
Charge/bunch
Bunch length (FWHM)
Beam size(rms)(x,y)
Beam emittance(x,y)
Momentum spread

56 MeV
900 pC19 ps
77, 77 µm
6.3, 6.2 πmm mrad0.03

表 1 衝突点でのビームパラメータ
現在Ｘバンドの熱ＲＦガンとフォトカソードＲＦガンの詳細設計を行っている。PARMERA を用いたフォトカソードＲＦガンの数値解析による評価と、ガンと加速管を含めた電子ビーム光学系の評価は[4]にて報告した。衝突点でのビームパラメータを表 1に示す。
X-band 加速管は、現在リニアコライダー[5]のために KEK や SLAC で開発が進められており、クライストロン電源、クライストロン本体を含め KEK で蓄積された技術を応用する。
現状では 0.7m 程度の加速管を 2 本使用し、50MeV以上のビームエネルギーを目指すことにしている。
加速管の 1 号機は RDS(Round Detuned Structure)型を採用し、既に詳細設計から実機の製作に入っている。
X-band 加速管でのもっとも重要な懸案はマルチバン
チ加速における長距離ウェーク場であり[3]、これを考慮した RDDS(Round Damped Detuned Structure)型加速管の設計を数値解析により進めている。
クライストロンはＰＰＭタイプ(東芝 E3768A)を用いる。本Ｘ線源のために新たに開発中の小型パルス

2.3 X 線強度と特性
電子ビーム 1 バンチあたりのＸ線強度 NX-ray は、

N X −ray = σLから求められる。ここで、σはコンプトン散乱の全断面積で Kleiin-Nishina の式[6]より求まる。L は電子ビーム 1 バンチあたりのルミノシティであり、ビームがほぼ光速で運動している場合では、x,y,s,t で座標を表すと、∞∞∞∞
L = c (1 + cos ϕ ) ∫ ∫ ∫ ∫ ρ l ( x , y , s , ct ) ρ e ( x , y , s , ct )dxdydsdt
−∞−∞

−∞

−∞

(a)

1.4

2

M =1

1.2
2

1M =2

0.8(b)

1.4

2

M =1

1.2
10.8

5

TimingSystemQ
YA Sw
G it c hLa
ser

X-ray yield [x10 pohtons/bunch]d:5

X-bandPower SourceN

X-ray yield [x10 pohtons/bunch]

Collision Point

Thermionic cathodeX-band RF-gun

0.6
0.4
0.2
00electron beam: 100 µ m
0.050.1

0.150.2Laser beam size(rms) [mm]0.62M =20.40.20-20-15 -10-505101520Time offset [ns]図 3 (a)1 バンチあたりの X 線強度のレーザーサ
イズ依存性。
イズ依存性。 (b)X 線強度の衝突タイミング依存
線強度の衝突タイミング依存性。
で求められる[7,8]。ここで、ϕは衝突角(ϕ=0 で正面衝突)、ρl(x, y, s, ct), ρe(x, y, s, ct)は各々レーザーと電子ビームの密度分布関数である。
X 線強度の計算には、電子ビームの規格化
emittance を 10πmm・mrad、電荷量を 20 pC/bunch、RF パ ル ス あ た り の bunch 数 と し て 〜 104bunches/pulse(RF パルス長:1μs)を仮定した。これらの値は過去の S-band や X-band RF-gun の実験から考えて比較的現実的であると考える。最大の X 線強度を得るために、正面衝突させる。
衝突点での電子ビームサイズを 100 µm と仮定した場合の、X 線強度のレーザービームサイズ依存を示すのが図 3 である。実際の Q-switch laser のプロファ
イルは Gaussian よりやや離れているので、M2=1 とM2=2 の場合について計算した。M2=1 の時レーザー
ビームサイズ 82μm で最大 1.42×105 photons/bunch、
M2=2 の場合は 112μm で X 線数が最大 1.01×105

ーザーマルチ衝突により 10 倍の X 線強度を得る必要がある。

3．まとめ
我々は、IVCAG に用いる超小型硬 X 線源を開発中
であり、X バンド加速器、熱 RF ガンと Q スイッチ!"#$"%&'(#$)*( imageDynamicof coronary artery<3m
X-band Klystron Gun X-band accelerating structure

Laser system
Monochromatic hard X-ray

X-band power supplyphotons/bunch になる。レーザー光のピークが衝突点に来た時に衝突点にあるバンチにおいて X 線強度が最大になるが、タイミングがずれたバンチについては X 線強度が下がる。これを示したのが図 3(b)である。
1RF パルスあたりの X 線強度は図 3(b)での各バン
チの X 線強度を足し合わせたものであり、M2=1 のとき 1.69×107 photons/pulse(M2=2 の と き 1.15×107photons/pulse)になる。エネルギースペクトル及び散乱角分布は図 4 の(a)及び(b)のようになる。
(a)のヒストグラムはビームビーム相互作用モンテ
カルコード CAIN[9]を用いて計算したスペクトル、実線は Klein-Nishina の式より計算した。(b)の散乱角依存性の図で、電子ビーム進行方向を散乱角 0 としている。
黒丸のプロットは CAIN の計算結果であり、破線は 4 元運動量保存則より計算した。電子ビーム
56MeV の時、Ｘ線の最大エネルギーは 56KeV を超えることがわかる。

Patient

Intravenous injectionof contrast agent

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

Scattering angle [rad]Entry/bin [x103photons/keV]<5 m(a)65432(b)

0.1

0.09

0.08
0.07

0.06
0.05
0.04
0.03

0.02

10.01
00

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000010 20 30 40 50 60 70 80 90 100

X-ray energy [keV]

X-ray energy [keV]

図 5 (a)正面衝突の場合の散乱正面衝突の場合の散乱 X 線のエネルギースペクトル。 (b) 散乱光子の散乱角と散乱エネルギーの関係。
熱 RF ガンを用いたシステムの次の段階として、フォトカソード RF ガンと Ti:Sapphire レーザーを組み合わせ、10ps(FWHM)以下の超短パルス X 線の生成を考えている。この装置では、1.6×107photons/pulse(1.6×108photons/s) の X 線強度を期待している。
各レーザーと電子銃の組み合わせによる X 線強度を表 2 にまとめてある。熱 RF ガンと Q スイッチ
Nd:YAG レーザーのシステムは、シンプルな装置で安定に 108photons/s の X 線を生成することができる。
IVCAG に必要な 1011photons/s 以上の X 線強度を得るには、レーザーの強度を 10J/pulse に、繰り返し50pps にするとともに、レーザー光循環装置によるレGun type

Electroon beam

Laser

X-ray yield (photons)

Thermionic-cathode

20pC/bunch
410 bunches/pulse

Q-switch Nd:YAG
2J/pulse, 10ns, 10pps

1.7×10 /pulse (1.7x10 /s)(789nW)

Photo-cathode

500pC/bunch

20TW Ti-Sapphire
1J/pulse, 50fs, 10pps

1.6×10 /pulse (1.6x10 /s)

Photo-cathode

500pC/bunch

Photo-cathode(Multi-bunch)

500pC/bunch
20bunches/pulse

Nd:Glass
2.1×10 /pulse
10J/pulse, 10ps, <<1pps
15nJ/bunch+Super-cavity （6.3×N ）/pulse(15×N )nJ/bunch, 7ps78788

表 2 レーザーと電子銃の組み合わせによる X 線強度のまとめ図 4 X バンド加速器を持ちいた IVCAG 装置の概念図
Nd:YAG レ ー ザ ー を 用 い た 小 型 シ ス テ ム で108photons/s の X 線の生成が可能であると期待している。
本研究の最終目標は図 5 のようなものである。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 5m×3m に収まる一体型の IVCAG 装置を、10 年後をめどに開発し、普及を図る。

4．謝辞
この研究は、文部科学省から放射線医学総合研究所が委託された医療用先進小型加速器開発プロジェ
クトによって進められている。平尾康男先生、山田聰先生はじめ開発委員会の皆様と科学技術政策研究所の瀬谷道夫氏に感謝する。

参考文献[1]XCOM: Photon Cross Section Database,
http://physics.nist/gov/XCOM[2]E. Rubenstein, et al., E Proc. Conf Digital Radiogr.
314 42-49(1981).
[3]S. Otsuka, et al., British Journal of Radiology 7225-28(1999)[4]A. Fukasawa, et al., presented at The 2nd Asian
Particle Accelerator Conference, September 17-21,
2001 Beijing, China, http://apac01.ihep.ac.cn/[5]JLC-1,KEK-Report 92-16(1992)[6]V. O. Klein and Y. Nishina, Z. Phys. 52 853,869(1928)[7]C. Moller, K. Danske Vidensk. Selsk. Mat.-Fys. Medd.,
23 1(1945)[8] T. Suzuki, KEK Report 76-3(1976)[9]K. Yokoya, CAIN2.1e, contact Kaoru.Yokoya@kak.jp