日大LEBRAにおける加速器光源の開発とその現状
日本大学量子学研究所電子線利用研究施設（LEBRA: Laboratory for Electron Beam Research & Application）
早川 恭史
第20回日本加速器学会年会（2023年8月29日－9月1日，日本大学理工学部船橋校舎，船橋）

Outlines
1. 施設沿革

1. 日本大学放射光利用計画
2. 学術フロンティア推進事業

2. 125MeV電子リニアックとビームラインの仕様
3. 3種類の光源開発と特徴的な応用
1. 近赤外自由電子レーザー（FEL）
2. パラメトリックX線放射（PXR）によるX線源
3. THz領域コヒーレント放射光源

4. 現状の問題点と今後の展望

第20回日本加速器学会年会（2023年8月29日－9月1日，日本大学理工学部船橋校舎，船橋）日本大学と加速器研究
1957年
1975年
1989年
1992年
1997年
1998年
2001年
2003年

日本大学原子力研究所（現 量子科学研究所）
設立 （核融合研究をターゲット）
π中間子によるがん治療計画（π計画）開始
35MeVダブル・サイデッド・マイクロトロン完成自由電子レーザー（FEL）放射光利用計画開始
125MeV電子リニアック完成
100MeV電子ビーム加速成功
FELファースト・レージング達成＠1.5µm
光源共同利用研究開始
第20回日本加速器学会年会（2023年8月29日－9月1日，日本大学理工学部船橋校舎，船橋）日本大学放射光利用計画
東北大、KEK、電総研、動燃などの関連研究機関の協力・助言 ⇒ 紫外～赤外領域のFELによる放射光利用
学内外の共同利用を構想
電子加速器: マイクロトロン ⇒ リニアック
KEKから陽電子発生用リニアックの移設で実現
共同研究「大強度電子線形加速器の高度化と大出力短波長自由電子レーザーの開発研究」をKEKと締結（題目、参加者を変更しながら現在まで更新・実施中）
施設名「電子線利用研究施設（LEBRA: Laboratory forElectron Beam Research and Application）」
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紫外～近赤外共振器型FEL
アンジュレータ放射光
電子線照射
低速用電子源プリバンチャー + バンチャー
30cm 加速管 （現在は撤去）
4m 進行波型加速管 X 3S-band クライストロン（PV3030） X 2
電子銃：熱陰極（EIMAC Y646B）
DC電圧： -100 kV（計画）光陰極電子銃（LaB6）
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放射光計画の開始と近赤外FELへの転換
1998年

2000年

電子ビーム加速成功
488nm アンジュレータ自発放射光観測
アンジュレータ磁場劣化 ⇒ FEL発振せず
近赤外仕様のアンジュレータ磁石列に交換（周期長： 24mm → 48mm）

第20回日本加速器学会年会（2023年8月29日－9月1日，日本大学理工学部船橋校舎，船橋）学術フロンティア推進事業によるビームライン整備
2000年 文科省の私立大学学術研究高度化推進事業の１つである学術フロンティア推進事業に「可変波長高輝度単色光源の高度利用に関する研究」が採択 （半額助成）（2000 – 2004年度，継続2005-2007年度： 合計 約17億円）
医学医療系・生物系のプロジェクト⇒ 理工系を含む学際的プロジェクト
FEL輸送ビームラインの整備、ユーザー実験棟の建設
追加⇒ パラメトリックX線放射（PXR）を用いたX線源用ビームライン建造
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ユーザー実験棟

加速器棟

2001年3月竣工

１F: FEL実験室 ８室
各種実験準備室
２F: スタッフ居室
会議室・実験準備室
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日大125MeV電子リニアック
最大電子エネルギー

100 MeV

加速周波数2856 MHz

クライストロン出力

30 MW × 2

マクロパルス幅≦ 20 µs

マクロパルス電流≦ 200 mA

繰り返し

≦ 12.5 pps

最大ビーム電力

0.8 kW

規格化エミッタンス＜ 20 π mm mrad

太字：

放射線使用施設としての許可条件
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２本ビームラインと３種類の光源©Rey.Hori

125MeV
電子リニアック
パラメトリックX線源
(PXR: parametric X-ray radiation)
5 – 47 keV
ユーザ利用研究

近赤外自由電子レーザ(FEL: free eletron laser)1 – 6.7µm

テラヘルツ(THz)光源・コヒーレント遷移放射 CTR・コヒーレントエッジ放射 CER・コヒーレント
ユーザ利用研究
チェレンコフ放射 CCR

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非破壊型BPM導入
蛍光板モニターが放射線源となりアンジュレータ磁石列損傷の恐れ↓ 蛍光板を廃止
RFピックアップ型ビームポジションモニ
ター（BPM）を多数導入
ストレート・FEL・PXRライン：計 14台
電荷重心を10µmの精度でモニター（ビーム形状の観測不可）
45°偏向部でマクロパルス内エネルギー変動モニター可能 ⇒ アクロマート調整に活用
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クライストロンの長パルス化
使用クライストロン： 三菱電機PV3030系
KEKより譲渡されたPV3030A1で20µsの長パルス運転を模索 （仕様では2.5µs）⇒ 真空窓の破損を多く経験⇒ 真空窓近傍の排気系強化により20µs達成
FEL発振の見通しが立つ
以後
独自仕様PV3040N（50MW用窓、IP強化）
およびKEKからのPV3030A3などを使用
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マクロパルス20µs達成により、FEL発振実験が本格化
基本波波長 1.5µm固定で試験（光共振器：多層膜ミラー）
2001年5月 ファースト・レージング達成（増幅のみ観測、飽和には達せず）

磁気回路

Halbach Planar

磁石材質

Nd-Fe-B

周期長48mm

周期数50

実効K値

0.6 – 1.4

共振器長6718.04mmFEL基本波 波長0.8 – 6.7µm

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FEL飽和達成と光共振器ミラーの耐性
多層膜ミラーは耐性不足⇒ 金属コートミラーに転換（銅基板・銀コート）
2003年 FEL飽和達成 （マクロパルス強度: 5 – 60mJ）
金属ミラーでも1年程度の寿命
短波長領域（< 1.5µm ）での基本波発振は原則見合わせ → BBO 高調波変換で対応
交換頻度減少、現在は銅基板・金コート
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FEL輸送ラインの整備と利用研究開始
ユーザー実験棟まで真空ダクトを介して輸送（末端まで50m以上）

上流共振器ミラー結合穴を焦点とする、楕円面ミラー＋放物面ミラー光学系で平行化して輸送（波長毎のアライメント不要）

各FEL実験室で排他的に取り出して利用可能
2003年度後期より共同利用開始

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バーストモードの運用
電子銃に高速グリッドパルサーを導入、電子バンチの間引き運転が可能
加速周波数2856MHzの64分周（44.6MHz）、128分周（22.3MHz）で運転可能（FEL光共振器を光パルスが往復する周波数22.3MHzに合わせて間引き）
通常のフルバンチモード、バーストモード、両者を頂上したモードで運転可能
バーストモードではバンチ当たりの電荷量が多く、FEL発振に有利
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FELの代表的な応用• 高輝度単パルス性を利用したレーザー
加工 （GHzバースト）• 人の歯の掘削• LIPSS 微細構造形成• ポリ乳酸ドット転写• 波長選択制を利用した物質制御• カーボンナノチューブ・カイラリティ制御（BBO結晶による高調波を利用）• セルロース分解（中赤外）
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Q-LEAP基礎基盤研究への参画
文科省・量子飛躍フラグシッププログラム（Q-LEAP）基礎基盤研
究「自由電子レーザーで駆動する高繰り返しアト秒光源のための基礎基盤技術の研究」（羽島良一）に参画
赤外FELパルスを希ガス高次高調波（HHG）で変換⇒ 軟X線領域の短パルス光源の実現

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赤外用アンジュレータ磁石列の更新
赤外用アンジュレータの磁石列も減磁が生じる
2度目の磁石列交換（信越 → NEOMAX）
磁気回路端部の見直し
周期数 50 → 49
順調にFEL発振、利用研究に供給

波長3.4µmでのFEL発振波形

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パラメトリックＸ線放射（PXR）

外見上はＸ線Bragg回折に類似、入射光子を相対論的な電子に置き換えた形（電子電場を担う仮想光子のBragg回折に相当）
Ｘ線エネルギー(波長)は電子エネルギーではなく、結晶の面間隔とBragg角で決まる （エネルギー可変単色X線源）

2結晶システムによる輸送

円錐広がりによる角度変化とPXRエネルギーの変化（空間チャープ）が、Bragg回折条件において補償しあう（僅かな角度デチューンが必要）
円錐ビーム全体を平面波的に回折可能

LEBRAビームライン
第2ゴニオ

e-beam

第1ゴニオ

PXR線源： 2結晶型システムを採用
遮蔽壁を通して実験室（常時立入可）へ輸送
専用ビームラインを持つ常設PXR線源は世界で唯一

永久Q磁石

LEBRA-PXR線源の特徴
 単色性
水平方向にエネルギー変化 ～10%
局所的な線幅 0.1%以下 (数eV) 連続エネルギー可変ターゲット結晶の“Bragg角”のみで制御

 広くて平坦な照射野1/γ に依存して広がる円錐ビーム
直径100mm＠X線取出し窓

 空間コヒーレンス
μrad オーダーの屈折・散乱を検出可能 安定性
電子ビーム軌道を安定にすれば良い
X線量の少なさを長時間測定で補うことができる

LEBRA-PXR線源の仕様
電子エネルギー
PXR放射源
電子ビームサイズ
X線エネルギー

照射野サイズ（取出し窓＠実験室）
X線光子数率100 MeV
Si 単結晶0.5 – 1mm （直径）Si(111): 4 – 20 keV
Si(220): 6.5 – 34 keV
Si(400): 9.1 – 47.4 keV
100 mm in dia.
～ 107 /s @17.5keV
2004年に運用開始

PXR線源の応用（イメージング）
 エネルギー選択単色X線イメージング
X線の吸収に基づくコントラストCT（コンピュータ断層撮像）も可能

 X-ray absorption fine structure (XAFS)
分散型XAFS解析が可能（画像として測定） 回折強調イメージング（DEI: Diffraction-enhanced imaging）
数μradの屈折/散乱で画像のコントラストを形成
位相コントラスト/（超）小角散乱像

 K端差分法(KES: K-edge subtraction)による元素イメージング
K殻吸収端を利用した元素マップ測定

X線CT撮像

PXRエネルギー（中心）:22keV
試料: 即席カップ麺
投影像枚数: 500枚
測定時間: 3.5時間 (net)分散型XAFS分析の例
試料
SrTiO3 (白色顔料)
測定時間 30分
検出器: IPEXAFS 振動動径分布関数吸収スペクトル

プロファイル内のエネルギー変化 → 吸収像がそのままスペクトル回折強調イメージング（DEI）
top view

試料物質を透過したX線の屈折・散乱をアナライザー結晶による回折で検出するイメージング手法
画素毎に回折曲線を測定することに相当する

DEIによる吸収像、屈折像、小角散乱像
PXRエネルギー: 25.5 keV
吸収がわずかな試料に対して有効

左からアクリル棒
密度: 1.17 g/cm3
発泡スチロール
密度: 0.16 g/cm3
ポリスチレン
密度: 0.986 g/cm3

吸収コントラスト像

屈折コントラスト像（位相勾配像、微分位相像）(超)小角散乱コントラスト像

DEIで得られるX線像
試料: ニホンネコ顎骨 扁平上皮癌の切除標本（松戸歯学部 金田研究室提供）
PXR energy:
20 keV (DEI像: 15分撮像 x 5枚 + バックグラウンド像)

吸収像

屈折像
（位相コントラスト）（超）小角散乱（SAXS）像

ターゲット結晶の損傷

運用当初はターゲット結晶の損傷多発マクロパルス幅 20µs → 5µs と制限
ターゲットの損傷リスク大幅に低減

2021年10月、約7年使用したSi(220)
結晶が損傷
入射部集束系の構成変更により、結晶上のビームサイズがrms半径0.2mm以下になった可能性

第20回日本加速器学会年会（2023年8月29日－9月1日，日本大学理工学部船橋校舎，船橋）LEBRA高強度テラヘルツ波光源開発(産総研と共同研究)
PXRラインTHz光源：Ti薄膜、アルミ蒸着ターゲット等からのTHz-CTR(遷移放射)、偏向電磁石からのTHz-CER(エッジ放射)

近赤外自由電子レーザー(FEL)

4 m × 3 ACC Section(40～125 MeV)

-100 kV DC gun

Klystron × 2

パラメトリック
X線放射(PXR)

THz光源仕様

THz光（0.1～2.5THz(@FEL)、0.1～4.0THz(@PXR))FELライン：CER（FEL重畳可）
PXRライン：CTR、CER、CCR
PXR
THz

FELラインTHz光源：
アンジュレーター下流側の偏向FELラインとPXRラインでTHz光源を開発中
電磁石で発生させたTHz-CER
FEL, THz
FEL重畳輸送、バンチ長評価、©Rey.Hori
ユーザー利用等が可能なビーム
ライン構築

32

THz領域コヒーレント放射

コヒーレント遷移放射((CTR: coherent transition radiation)
薄膜ターゲット通過時に発生コヒーレントエッジ放射((CER: coherent edge radiation)
電子バンチ長 〜 1 ps
サブmmより長波長域でコヒーレント放射となる（周波数： 0.1 – 4 THz ）偏向電磁石磁場の出入口で発生

コヒーレントチェレンコフ放射(CCR: coherent Čerenkov radiation)
誘電体近傍通過時に発生

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FEL-THz重畳ライン(産総研と共同研究)✩THz反射用ミラーに穴あきミラーを用いる事
で 、 CER-THz と FEL
発振の同時測定可能な輸送系☆テラヘルツ帯コヒーレントエッジ
放射(CER)を用いたバンチ長評価、利用等を目的に設置

CER輸送ミラーシステム

34

PXRラインTHz光輸送ライン(産総研と共同研究)☆PXRライン既設で未使用であった多目的真空槽天板を改良し、ミラー、駆動機構をすべて上面に設置

モード切替可能

PXR利用時(ミラー退避)PXR + CER
輸送時(真空中)

PXR + 後方CTR輸送時(一部大気中輸送部あり)

PXRラインTHz測定系(産総研、大谷研＠日大理工と共同研究)
・THz輸送ラインにはトロイダルミラーを利用

・利用実験や各測定時に利用できる周波数帯域は0.1～4THz弱グローブボックス

取出しポート
乾燥空気導入時

THz輸送パイプ

振幅[a.u.]0.10.01

乾燥空気なし0.001

取出口からボックス間もパイプで接続、干渉計等をグローブボックス内へ設置、乾燥空気導入測定系を構築

0123456

周波数[THz]

テラヘルツ帯のCERスペクトル波形測定例
36

PXRラインTHz測定系(産総研、大谷研と共同研究)
Famotidine A
Famotidine B
Famotidine C
Famotidine D

40

Absorbance

国立がん研究センター中央病院の飯島氏との共同研究を開始し、ファモチジン、イブプロフェンなどを錠剤化したサンプルで測定テストを実施中

ファモチジン測定例（Famotidine,富士フイルム和光純薬）

30

201000.51.0

1.5

2.02.53.0

3.5

Frequency[THz]

各濃度におけるFamotidineサンプルの吸光度
サンプル作成用打錠機とサンプル作成例

サンプルの厚みを2 mmに補正、ポリプロピレン・乾燥空気による影響を補正（日大理工木下耀氏 提供）

37

現状の問題点• 人員不足の深刻化• 教員数の抑制が続き、新規採用が困難• 技術職員が配置されていない• PD募集中• クライストロン電源の老朽化• 部品レベルで代替品への交換を進める／制御系の故障に不安• 経常的な予算では更新困難／拠点形成事業のようなものが必要• サイラトロン使用 → できれば半導体に切り替えたい• クライストロンの購入・入手• 単価が高く、受注生産では納期が掛かる
私学助成金の適用される形での購入が困難
第20回日本加速器学会年会（2023年8月29日－9月1日，日本大学理工学部船橋校舎，船橋）今後の展望• THz – X線領域にわたる３種類の光源の活用• 学外ユーザー（特に企業ユーザー）の獲得• 地域産業界との連携の推進 （リエゾン不在が問題）• 100MeV級 電子リニアックとしての特徴を生かしたい• マッチする学際的拠点形成事業等の模索• 大学附置施設加速器施設としての意義の模索
第20回日本加速器学会年会（2023年8月29日－9月1日，日本大学理工学部船橋校舎，船橋）謝辞
電子線利用研究施設の設立、拡充は様々な資金援助を受けて成されたものです。
大学からの拠出金
科技庁委託研究費
学術フロンティア推進事業
文科省Q-LEAP
科研費等外部資金

また、歴代の施設スタッフ、大学院生、PD・研究員、事務職員の皆様の貢献に感謝します。

佐藤 勇 先生（1935 – 2019）

第20回日本加速器学会年会（2023年8月29日－9月1日，日本大学理工学部船橋校舎，船橋）ご清聴ありがとうございます
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