逆コンプトン散乱による‫ݗ‬輝度ఫＸ線発生上山 大輔1,A)、丑田 公֩D)、浦川 順治B) 、柏木 茂C) 、‫ݪ‬田 隆之助A)
ସ澤 章雄A)、濱 義昌A)、早野 仁司B)、樋爪 健太གྷA) 、དྷ尾 方一A)A) 早稲田大学理工学総合研究センター〒169-8555 東京ற新宿区大久保3-4-1B) ‫ݗ‬エネルギー加速器研究機構〒305-0081 茨城県つくば市大穂1-1C) 大޸大学産業科学研究所量子ビーム発生科学研究分野〒567-0047 大޸府美穂ヶ丘8-1
D) 理化学研究所〒351-0198 埼玉県和光市広沢2-1

概要
早稲田大学理工学総合研究センターでは現在、フォトカソードRF-gunシステムを用いたテーブルトップサイズの‫ݗ‬輝度ఫＸ線発生装置の開発を行っている。これは生体観測用のఫＸ線顕微‫؛‬への応用を目指すもの であり、波ସ 1047nm 、パルス幅 約10ps(FWHM)のIRレーザーとエネルギー約4MeV、バンチସ約10ps(FWHM)の஢子ビームとを衝突させることで、約200~450eVのఫＸ線を発生させることができる。今回はレーザーの増幅、衝突のタイミング測定を行った後実際に衝突実験を行った。本研究会
では、それらの結果について報告する。

図１．逆コンプトン散乱概念図

ここでβは஢子ビームと光の速度比である。上式からわかるように衝突Ԓφ、஢子ビームエネルギー、レーザー光子のエネルギーを変えることで散乱Ｘ線のエネルギーを変化させることが出来る。また、散１．はじめに乱されるＸ線はエネルギーによって散乱Ԓが異なる
現在‫ݗ‬輝度短パルスＸ線は物理、化学のみならずため小さなԒ度だけを切り出せば೪常に単色性の良医療、産業等様々な分野で求められている。その発いＸ線が得られる。図２に、஢子ビームのエネル
生方法についても多くの研究が行われており、中でギーが5MeV、レーザー波ସ1047nm の時の、得られも逆コンプトン散乱によるＸ線発生方法は、‫ݗ‬輝度、 るＸ線のエネルギーについて、衝突Ԓ0 、20 、短パルス性、エネルギー可変性などの有用な特徴を60 、90 の各‫ڐ‬算結果を示す。
兼ね備えたものとして注目されている[1], [2], [3]。この発生方法は今まではレーザーや஢子ビームの性能という点で実現が困難であったが‫ؼ‬年の஢子ビームの‫ݗ‬品ࡐ化、レーザー制御技術の発展により実現が可能なものとなってきた。現在早稲田大学ではRF-gunシステムを用いたテーブルトップサイズの‫ݗ‬輝度ఫ
Ｘ線発生装置の構築と生体観測用のఫＸ線顕微‫؛‬へと応用を目指して研究を進めている。

２．逆コンプトン散乱
逆コンプトン散乱とは、低エネルギーの光子に‫ݗ‬エネルギーの஢子が衝突し光子がエネルギーを受け取るためＸ線となって散乱される現象である（図１）。実験室系での散乱Ｘ線のエネルギーは図１より次式で与えられる。

(1 + b cos f ) E e El
EX ={1 + b cos(f + q )}Ee + (1 - b cos f ) El
1E-mail: uedai@suou.waseda.jp

図２．Ｘ線のエネルギーのԒ度依存性(EB5MeV)
今回の実験では実際には஢子ビームのエネルギー約4.2MeV、レーザー光の波ସ1047nmであり、上式を用いて散乱Ｘ線の最大エネルギーを‫ڐ‬算すると20 衝突の場合には約308eVと‫ڐ‬算できる。この付‫ؼ‬のエネルギーは水にはほとんど吸収されない「水の窓」と呼ばれるエネルギー領域である。またこの
波ସ領域には生体内に多く含まれる窒素、炭素、酸素などのＫ殻吸収端が存在し、この領域のＸ線を生体に照射し、吸収率の差によるコントラストを取れ
ばࠟ料を脱水することなく細胞が生きた状態で窒素、炭素、酸素などの分布を観察することが出来る。このことは光学・஢子顕微‫؛‬にはない特徴である[4]。
また、発生するＸ線の光子数はクライン-仁科の公式から求めた実験室系での散乱断面積σとルミノ
シティＬ から次のように求められる。
Ｎ ＝σ Ｌ
本Ｘ線発生システムで生成される光子数を見積もると、表１のようなパラメータで衝突させた時、およそ103個のオーダーである。

３．実験セットアップ
図３に早稲田大学理工総研喜久井町キャンパス第２研究棟地下２階に構築しているＸ線発生装置の概略図を示す。ビームラインは、RF-gun、エミッタン
ス補正用のソレノイド஢磁石、஢子ビーム集束用の４極஢磁石、エネルギー測定及び散乱Ｘ線−஢子ビーム分離用の偏向஢磁石、ビーム診断装置（ビームポジションモニタ、ビームプロファイルモニタ、ファラデーカップ）などで構成されている。また、
レーザーシステムを同加速器室に、‫ݗ‬周波源のクライストロンを別室に০置した。
F.L.

P.D

図３．早稲田大学Ｘ線発生システム

レーザーシステム（住友重機械工業製PULRIZE V）を用いている。このSeed発振器൉、再生増幅൉、‫ݗ‬
調波発生൉から構成されている。発振器൉では波ସ2856MHzの基準信号に同期した119MHzで受動モードロック発振させる。これを再生増幅൉で増幅し、ポッケルスセルにより最大25Hzで切り出すことが出来る。‫ݗ‬調波発生൉において、೪線形結晶(BBO)を２段用いることにより、４倍‫ݗ‬調波(262nm)を発生させ、カソード照射用UV光とする。一方基本波はプリズムを用いて衝突実験用のIR光として取り出している。このように、UV光とIR光は１つのSeedパルスから作られているため、஢子ビームとIR光は‫ݗ‬い精度で同期を取ることが出来る。
表１：レーザーと஢子ビームのパラメータ
IRレーザー波ସ
1047nm
強度4.2mJ
パルス幅(FWHM)
10ps
ビームサイズ(rms) 80_m
஢子ビーム
エネルギー
4.2MeV஢荷量0.25nC
バンチସ(FWHM)
10ps
250_m(σx)
ビームサイズ(rms) 150_m(σy)
さらに、衝突のルミノシティを上げるためにフラッシュランプによるレーザーアンプシステムを構築した。これはNd:YLFロッド、励֬用フラッシュラ
ンプ、冷却装置などから構成されており、まず基準信号2856MHzに同期した信号がフラッシュランプ஢源へ送られ、フラッシュランプにより結晶が光励֬される。励֬された結晶中をIR光が通過することでパルスあたりのエネルギーが増幅される。またIR 光とフラッシュランプの同期を取るためにパルスジェネレーターで信号のタイミングをૺらせ、IR光とのタイミングを調整した。図４に増幅後のフラッシュランプ஢源の஢圧とレーザーのパルスエネルギーの関係を示す。

本加速器システムは、まず主発振器からの基準信号 2856MHz を も と に 、 ク ラ イ ス ト ロ ン 励 ֬ 用
RF(2856MHz)、レーザー用基準信号(119MHz)、ビーム繰りඉし信号(MAX25Hz)などが作り出され、クライストロンなどのRF系やレーザー系へと送られる。
RF஢子ࢳについては、クライストロンで発生される、ピークパワーが最大10MWの‫ݗ‬周波がRF-gun空洞に送られ、それが空洞内に蓄積され‫ݗ‬஢界を誘֬する。
一方、レーザー系からは基準RF に同期したピコ秒UV光をRF-gun内൉のカソードに照射し光஢効果に
図４．フラッシュランプによるIR光の増幅よりパルス的に஢子を発生させる。カソードから発生した஢子は‫ݗ‬஢界により‫ݗ‬エネルギーに加速され、またX線の検出にはMCPを用いた。MCPは衝突点ソレノイド஢磁石によりエミッタンス補正を受けなから68cm下流に০置した。このMCPの有効面積かがら஢子ビームとして取り出される。
ら、検出有効散乱Ԓは11mrad程度であり、約0.14%
本研究のレーザーシステムは全固体ピコ秒Nd:YLF

の単色なＸ線を検出することが出来る。になる。

上回るエネルギーのＸ線を得られたことになる。

４．衝突実験
衝突実験として、今回は衝突Ԓを20度に固定して行った。まずIR光をコンプトンチェンバー内に入射し、チェンバー内の衝突点に光学レンズを用いて集光させ、さらに஢子ビームをIR光と衝突するように位置合わせおよび集束を行った。このときの஢子ビームおよびIR光のビームサイズは表１のとおりであった。
஢子ビームとIR光のタイミング調整については、コンプトンチェンバー横方向からガラスを挿入して஢子ビームをチェレンコフ光に変換し、このチェレンコフ光とレンズ上にあけたピンホールを通るIR 光をフォトダイオードを用いて観察しながらリニアステージで光路ସを調整することによってタイミングを合わせた。このように同一の検出器を用いることにより、時間応答性を考慮せずに幾何学的な‫״‬離のみによってタイミング調整を行えるようにした。

図６. 散乱Ｘ線と光路ସの関係
図６はリニアステージを操作して光路ସを変化させ、஢子ビームとIR光のタイミングを調整した時の散乱Ｘ線の強度とIRディレイの関係である。

６．まとめと今後の予定
５．結果
今回初めてＸ線を検出器で観測することに成功し]Vた。そのＸ線のシグナルを下に示す。
m[langis

50
X-ray signal [mV]0-50yar-100X-150-20005101520Time [ns]25RF-gunを用いた逆コンプトン散乱によるテーブルトップサイズのＸ線発生システムの構築をし、さらに今回の実験では発生光子数を増やすためにレーザー増幅システムの構築をし、また஢子ビームを十分絞り込んだことにより散乱のルミノシティが増え、その結果初めてパルスあたり4.7 103 個のఫＸ線を検出器で観測することに成功した。今後はより多くの光子を発生させるために஢子ビームの஢荷量を増やすことと、2passレーザーアンプシステムを構築しIR光の強度を上げていくことを予定している。また
窒素のＫ殻吸収端より‫ݗ‬いエネルギーを得るためにIR光の第二‫ݗ‬調波（波ସ523nm ）と஢子ビームを60 で衝突させることも検討している。さらに生体観測用のＸ線顕微‫؛‬へと応用していく為に‫ݗ‬感度レジスト材の真空中での༳光を行い、原子間力顕微‫؛‬での像を観察して散乱Ｘ線の評価を行う予定である。

30

図５．MCPでのＸ線のシグナル
図５より、Ｘ線のシグナルは152mVであり、MCP のゲインが2kVで5 106 、MCP 表面の量子効率10%すると、約53個の光子が検出されたことになり、全発生光子数は4.7 103 個と‫ڐ‬算される。表１のパラメータからの‫ڐ‬算によると、検出される光子数は59個、全発生光子数は5.2 103個となり、この‫ڐ‬算値とほぼ一致する。また、検出したＸ線のエネルギーは約308eVと‫ڐ‬算され、炭素のＫ殻吸収端をすこし

参考文献[1] W. Leemans, et al.,Proceeding of the 1995 Particle
Accelerator Conference, 1995, p. 174[2] M. Yorozu et al.,Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40 (2001)
pp. 4228-4232 Part1, No.6A, June 2001
[3] S. Kashiwagi et al., Nuclear Instruments and Methods
A 455,p.36-40(2000).
[4] T. tomie, H. Shimizu, T. Majima, M. Yamada, T.
kanayama, H. kondo, M. Yano, M. Ono, Science 252(1991) 12