平成 27 年 11 月 27 日

平成 27 年度共用促進事業施設利用成果報告書

報告者組織・部署名
京都大学・化学研究所

１） 利用課題番号：SG1401
２） 利用課題名：高強度レーザー加速イオンビーム計測器の較正実験

３） 利用者名：
京都大学・化学研究所
阪部周二、橋田昌樹、井上峻介、中島佑人、寺本研介
光産業創成大学院大学
加藤義章、三間圀興、藤田和久
トヨタ自動車（株）
斎藤俊哉
４） 利用分野： プラズマ粒子加速５） 利用期間： 2014/10/21―2015/10/20
マルチタンデム加速器施設利用日（実験日）
第１回目：タンデトロン 2014 年 10 月 21, 22 日（2 日間）
６） 利用の目的・内容
高強度レーザーにより加速されるプロトンビームは、低エミッタンス、短パルス、発生装置が小型（低価格）といった独特な性質を有しており、科学、産業、医療分野への応用へ向けた研究が精力的に行われている。我々は、このプロトンビームを放射線源とする物質解析技術の開発に取り組んでいる。レーザー加速プロトンビームのエネルギー分布はレーザーパラメーターなどの非常に多くのレーザー照射諸条件に依存し、放射線源として最適化するためにはこれらの条件を詳細に調べる必要がある。迅速に研究を遂行するためには、レーザー加速プロトンビームをリアルタイムに観測することが不可欠である。そこで、レーザー加速プロトンのエネルギー分布をリアルタイムに計測するための、Time of Flight 法を用いたエネルギーアナライザの製作を行っている。本利用課題では、エネルギーアナライザの量子効率を求めるため、プラスチックシンチレーターと光電子増倍管から構成されるプロトン検出部分の較正を試みた。

７） 成果の概要
 プロトン検出器の構成、及び測定対象としているプロトンビーム
エネルギーアナライザによるプロトンビームのエネルギー分布測定実験の概略を図１に示す。高強度レーザーを薄膜表面上の直径 10µm の領域に集光照射することでパルスのプロトンビームを発生させる。プロトンビームはおよそ 1.3m 後方に設置された検出器で検出される。
検出器は金属薄膜フィルター（Al、厚さ 2µm）、プラスチックシンチレーター（EJ-212、厚さ0.2mm、ELJEN Technology）、ライトガイド、減光用の光学フィルター、光電子増倍管（H7195、浜松ホトニクス）から構成されており、光電子増倍管からの出力はオシロスコープを用いて記録される。以降、この検出器を、TOF 検出器と呼ぶ。プラスチックシンチレーターに入射するプロトンはおよそ 300keV から数 MeV 程度のエネルギー幅を持ち、エネルギー広がりのため50ns 程度のパルス広がりを持っている。またそのカレントは 100pA から 10nA 程度である。

図１： TOF 法によるプロトンエネルギーエネルギー分布測定実験の概略図
検出される典型的な TOF 信号を図２に示す。TOF の時間原点は高強度レーザープラズマからの X 線や高エネルギー電子によるシグナルで決定される。プロトンのエネルギー（プロトンの速度）と、同じ場所・同じタイミングで発生したプロトンがシンチレータまで到達する時間には相関があり、例えば高エネルギーのプロトンほどタイミングの早い信号として検出される。
図２のグラフは各エネルギーのプロトンが最終的にどのような波高をもつ信号としてオシロスコープで検出されたかを示している。信号の波高はシンチレータの発光量に光電子増倍管での増倍率をかけたものである。プラスチックシンチレーター、および光電子増倍管が飽和していなければ、信号の波高は入射したプロトンの数に比例するはずである。したがって、プロトンのエネルギー毎に、TOF 検出器に入射したプロトン数と信号波高の相関が分かれば、図２の信号からプロトンビームのエネルギースペクトルを決定できる。本課題では、TOF検出器へと入射したプロトンの数と TOF 検出器より得られる信号波高の関係を較正することを目的として実験を行った。

図２： 図１のセットアップにより得られる典型的な TOF 信号
 実験内容TOF 法を用いたエネルギーアナライザの量子効率を求めるため、TOF 検出器の較正を目指し、下記の二つの実験を実施した。
１. レーザー加速プロトンビームを模擬したパルスビームの生成
２. パルスビームを用いた TOF 検出器の感度較正実験
１．レーザー加速プロトンビームを模擬したパルスビームの生成
TOF 検出器はパルス幅が 10ns から 100ns、ピークカレントが 100pA から 10nA 程度のレーザー加速プロトンビーム測定に用いられる。一方、1MV タンデトロン加速器より得られるビームは連続（CW）ビームである。TOF 検出器の感度を正確に較正するためには、レーザー加速プロトンビームを模擬したパルスビームを生成する必要がある。そこで、ビームチョッパーを加速器へと新たに導入し、CW ビームのパルス化を試みた。
図３にマルチタンデム静電加速器より得られるプロトンビームをパルス化するための、ビームチョッパーの概念図を示す。ビームチョッパーは高圧電源、高速スイッチ、ファンクションジェネレーター(FG)および電極から構成される。プロトンビームが通過する電極には高圧電源により 2kV の電圧が印加されており、プロトンビームを偏向させることで下流への侵入を妨げている。FG により駆動される高速スイッチにより、印加電圧の時間波形を制御することで、電圧が印加されていない間のみプロトンビームが下流へと通過する。下流へと到達するビームのパルス幅が 100ns 程度になるよう、高速スイッチのタイミングを調整することで、ビームチョッパーとして機能させた。ビームチョッパーへと印加した電圧の時間波形を図４に示す。
ch1(黄線)は電極に取り付けられたプローブ（×1/1000）により測定された電圧、ch2(青線)は高速スイッチを駆動する FG の信号である。高周波成分の伝送が悪く、印加電圧の時間波形が乱れているが、パルス幅の短いビームチョッパーの作成に成功している。

図３： ビームチョッパーの概念図

図４： ビームチョッパー電極への印加電圧（ch1）と FG (ch2) の時間波形

本ビームチョッパーにより得られたプロトンビームを、下流に設置された検出器で測定した結果を図５に示す。パルス化に用いたプロトンビームのエネルギーは 1.9MeV, カレントは500nA であり、FG により 1150Hz の繰り返し周波数でビームチョッパーを駆動している。図４に示した、電極の印加電圧がおよそ 500mV と、最も小さくなる部分を反映したプロトンビームを得ることができた。パルス幅は半値全幅(FWHM)でおよそ 100ns 程度であり、レーザー加速プロトンビームを模擬したパルスを得ることに成功した。

図５： ビームチョッパーによりパルス化されたプロトンビームの時間波形。TOF 検出器により測定を行った。

２. パルスビームを用いた TOF 検出器の感度較正実験
ビームチョッパーによりパルス化されたプロトンビームを TOF 検出器へと入射し、その応答を調べた。パルス化されたプロトンビームを TOF 検出器で測定すると、図５に示すようなプロトンパルスの時間波形を反映した波形が得られる。この時、検出器へと入射したプロトンの数を測定し、TOF 検出器より得られる図５のような波形との関係を求めることで、TOF 検出器の感度較正を行う。
図６に、プロトンのエネルギーが 1.0MeV の時の、プロトンのカレントに対する TOF 検出器の出力を示す。測定を行った際の実験配置の概念図も同時に示す。横軸はパルス化する前のプロトンビームのカレントをファラデーカップにより測定した電荷量を、測定した時間で割った値であり、プロトンビームの平均カレントを表している。パルス化後のプロトンのカレントは極めて小さく直接測定することが困難であったため、横軸はパルス化する前の、CW カレントでの表記となっている。縦軸は、TOF 検出器により得られる波形（例えば図５のような波形）の積分値を表している。プラスチックシンチレーターの発光を-1.7kV の電圧を印加された光電子増倍管で検出し、得られる電流を終端抵抗が 50Ωのオシロスコープで取得しているが、この時得られる電流（波形）を積分した電荷量となっている。図６に示すように、プロトンカレントに対する TOF 検出器の信号は線形性があり、TOF 検出器が飽和することなく動作していることが分かる。パルス化後のプロトンのカレントを測定することができれば、プロトンのエネルギーが 1.0MeV の時の、TOF 検出器の感度を求めることができる。

図６：プロトンカレントと TOF 検出器信号の関係（左）と測定時のセットアップ（右）検出器へと入射するプロトン数と、検出器からの波高の関係を求めることで、検出器の量子効率を求めることが本実験の目的である。このため、パルス化後の、実際に検出器へと入射したプロトンの数を求める必要がある。プロトンビームはパルス化することにより平均カレントが３桁から４桁程度小さくなっている。図６の測定を行った条件では、その平均カレントはおよそ 1pA から 1nA 程度と予想されるが、このカレントは非常に小さく正確に測定が困難であった。そこで、較正実験に用いるパルスビームのカレントより高く、測定可能なカレントで、パルス化前とパルス化後のカレントの関係を測定し、TOF 検出器へ入射するパルスのカレントを、線形外挿により評価することを試みた。パルス化後のプロトンビームのカレントとパルス化前のプロトンビームのカレントの関係が、パルスチョッパーを通過するプロトンビームのカレントの大きさに依存しなければ、前述の線形外挿法による評価は意味がある。
ビームチョッパーによりパルス化されたビームカレントとプロトン 1 パルスあたりの電荷量の関係を図７に示す。ビームチョッパーにおけるビームパルス化の模式図も同時に示す。プロトンのエネルギーが 1.9MeV で行った。ビームカレントは加速器に設置されている複数のメッシュを用いて空間的にプロトン数を減衰させている。横軸はパルス化する前のプロトンビームのカレントをファラデーカップにより測定した電荷量を測定時間で割った値であり、パルス化前のプロトンビームの平均カレントを表している。図６に示した横軸と同様のパラメーターであるが、値が異なっており、図６の測定時よりも大きなカレントとなっている。縦軸はパルス化後のプロトンビームをファラデーカップにより測定した電荷量を、測定時間とパルスチョッパーの繰り返し周波数(１１５０Hz)の積で割った値であり、1 パルスあたりの平均電荷量を表している。
繰り返しになるが、図７で得られるパルス化前のプロトンカレントと、パルス化後の 1 パルスあたりのプロトン電荷量の関係より、パルス化前のプロトンのカレントからパルス化後のプロトンパルスの電荷量を外挿することが本測定の目的である。
パルスチョッパーにより成形されたプロトンパルスが、矩形波かつピークカレントが CW カレントと同じであれば、図７の傾きはプロトンパルス幅と同じ値になるはずである。パルスチョッ
パーへの印加電圧のパルス幅は 200ns であり、図５より得られたプロトンパルスの波形はおよそ 100ns であった。それぞれの場合取りうる直線を図７に赤線で示してある。入射プロトンのカレントに対するパルスの応答が変わらなければ、図７の測定結果は線形性を示すはずであり、このことを利用してパルス化後の１パルスあたりのプロトンパルスの電荷量を求めようとした。カレントと１パルスあたりの電荷量には相関が見られたが、CW カレントが 100nA 以下ではパルス化後のカレントを正確に評価することができず、課題を残す結果となった。

図７： プロトンの CW カレントとパルス化後の電荷量の関係（左）と測定時のセットアップ（右）８） 社会・経済への波及効果の見通し
レーザーによるプロトン加速は従来のイオン加速器による加速に比べ小型で安価な装置によって実現可能であるため、学術のみならず産業分野からも大きな期待が寄せられている。
しかし、得られるプロトンビームが均質でなく性質に不明点が多いことが応用への妨げとなっている。この状況を踏まえ、本研究ではレーザー加速プロトンのエネルギー分布のリアルタイム計測法の確立 を目指している。この実現によりプロトンビーム加速のための数多くの条件の迅速な最適化を遂行することができ、品質管理されたプロトンビームを必要とする医療、半導体、材料開発など産業応用への道が一気に広まることが想定される。
もちろん、レーザー加速プロトンビームのエネルギー分布のリアルタイム計測は、高強度レーザープラズマ物理学の基礎研究を推し進める上でも非常に重要であり、本分野の発展に大きく貢献するものである。この成果が、レーザー加速プロトンビームの高エネルギー化、大強度化、高安定化などのレーザー加速器の高度化につながり、産業界への大きな波及効果をもたらすものと期待される。