X-bandリ ニ ア ッ ク を 用 い た 小 型 硬 X線 源 の ‫ ݗ‬性 能 化̶ 減速管導入ビームラインの০‫̶ ڐ‬
貴之1,A)、上坂 充A)、土橋 克広B)、深澤 篤A)
飯島 北斗A) 、坂本 文人A) 、えび名ൌ太གྷA)
浦川 順治C) 、肥後 寿泰C) 、明本 光生C) 、早野 仁司C)A)
東京大学大学院工学系研究科ൂ属原子力工学研究施০
〒319-1188 茨城県జ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4-9-1C)‫ݗ‬エネルギー加速器研究機構〒305-0801茨城県つくば市大穂1-1
今井

概要

X-band Klystron

Laser system

X-band accelerating structure

1E-mail: timai@utnl.jp

Dynamic imageof coronary artery

Monochromatic hard X-ray

Patient

Intravenous injectionof contrast agent

Moving stage(bed)
2D X-ray detector
Moving arm<5 m

１ ． 小 型 硬 X線 源 の 開 発
我々は、文൉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、動的‫ڥ‬管造影用小型硬X線源の開発に取り組んでいる[1,2]。
動的な冠動脈の造影は、一般にカテーテルを心臓付‫ؼ‬まで挿入してヨウ素を含む造影剤を注入し、X線管を用いて行う。ここでの問題の一つは、造影剤に含まれるヨウ素は33 keV 付‫ؼ‬でX線吸断面積が急激に増加するため、制動放射を利用するX線管では生成されたX線のエネルギー拡がりが大きく、不要な被爆を受けてしまうことである。つまり単色化されたX線が必要となる。放射光を利用した心臓冠動脈造影検査は、‫ݗ‬エネルギー加速器研究機構と筑波大が共同で行い、PF-ARにおいて成果を収めている[3]。しかし、装置が大型であることは否めない。
そこで本システムでは、஢子ビームとレーザー光衝突させ、逆コンプトン散乱によりX線を生成する。
この場合、比Ԕ的低い஢子ビームエネルギーでも‫ݗ‬
エネルギーX線の生成が可能なので、஢子加速にリニアックを用いることができる。さらに通常用いられるS-band より周波数の‫ݗ‬いX-band (11.424 GHz)リ

Laser circulation system<3m

X-band power supply

東京大学・原子力工学研究施০では、文൉科学省
先進小型加速器開発プロジェクトに参画し、X-bandリニアックで加速した஢子ビームとレーザー衝突による逆コンプトン散乱を利用した、小型硬X線源の開発に取り組んでいる。既にX線生成実験用のビームラインの০‫ڐ‬を終え、加速器実験の準備を行っているが、レーザー衝突までの現০‫ڐ‬に減速管を導入して放射線バックグラウンドを低減させる等、システムの性能向上を目指した研究も同時に進めている。
本稿では、減速管を導入した新しいビームラインの০‫ڐ‬を中心に、X-bandリニアックを用いた小型硬X線源の‫ݗ‬性能化について報告する。

ニアックを採用し、システムの小型化を図った。最終的な動的‫ڥ‬管造影システムの概念図を図１に示す。
生 成 X 線 の エ ネ ル ギ ー 10 ~ 50 keV 、 強 度 1011
photons/s 、時間幅10 ns を目標としている。

図１：X-band リニアックを用いた小型硬X線源による動的‫ڥ‬管造影システム
現在、クライストロン、パルス஢源[4]は製作が終了し、東京大学・原子力工学研究施০内に০置した。
今後‫ݗ‬஢圧ࠟ験を行い、RF஢子ࢳのビームࠟ験、更にはビーム加速実験、X線生成実験と開発研究を進めていく。

２ ． X線 生 成 実 験 [2]
今後行う予定であるX線生成の実証実験の体系図を図２に示す。熱カソードRF஢子ࢳ[5,6]でマルチバンチ஢子ビームが生成され、α஢磁石、加速管、輸送ビーム光学系を通過して、ＱスイッチNd:YAGレー
ザーのパルス光と衝突する。஢子ビーム、レーザーのパラメーターを表１に示す。この条件下で生成され る X 線 強 度 は 、 1.7_107 photons/pulse (1.7x108photons/s)である。

３．硬Ｘ線源の‫ݗ‬性能化
X-bandPower Source

Timing
SystemAlpha Magnet

Q-Switch
Nd:YAG Laser

Bending Magnet
Laser Dump
MirrorX-band Accelerating Structure

Thermionic cathodeX-band RF-gun

Q-Magnet

Collision PointLens

Beam Dump
Thin mirror(in vacuume)

Hard X-ray(33keV)

Laser light(1064 nm)

図２：X線生成実験体系図（概念図）

表１
Electron beam
Laser

X線生成実験パラメータ
Thermionic cathode RF Gun
20pC/bunch, 10 bunches/pulse
Q-switch Nd:YAGpulse intensity : 2J/pulse
pulse length : 10ns
repetition : 10pps
wave length : 1064nm

前章で述べたようにX線生成の実証実験を行っていくが、硬X線源として開発するにはӀ題がいくつか残されている。
一つは、X線強度の増強である。実証実験で予想さ れ る 1.7x108 photons/s は 最 終 目 標 （ 1011photons/s ）には満たない。この点については、஢
子ビームとの衝突後のレーザーを周回させ繰りඉし入射させる、レーザーサーキュレーションシステム等、方策を検討している。
さらに、‫ڥ‬管造影への利用を考慮するとシステム内の放射線バックグラウンドの軽減もӀ題である。
図２に示したように、生成実験の第一段階では、レーザー衝突後の஢子ビームは偏向後すぐにダンプさせる体系のため、ビームダンプが大きなバックグラウンド源となる。そこで、衝突後の஢子ビームを減速させ、低エネルギーでビームをダンプさせてバックグラウンドレベルを軽減させることを検討している。つまり第二段階としては、図４に示すような減速管とビーム光学系をୈ加した体系で実験を行う予定である。
Power Source
Alpha Magnet

Thermionic cathodeX-band RF-gunCollision
PointLaser

また、図３に実験用ビームラインのビーム光学系を示す。ビームエネルギー変動によるＸ線強度のふらつきを抑えるため、衝突点での運動量分散関数と色収差を小さくするよう০‫ڐ‬されている。また、衝突点での஢子ビームサイズは100mmであるが、この値は生成Ｘ線強度のビームサイズ依存性のシミュレーション結果から決定した。

X-band Accelerating Structure

X-band Deceleration Structure

Beam Dump
Hard X-ray(33keV)

Laser light

図４：減速管を導入した実験体系図（概念図）
b x , b y [m]４．減速管導入ビームライン
h x ,h y [m]s x , s y [mm]100mm

QF D 5C.P.

QF D 3
QF D 4

QF D 1
QF D 2

QS 0 L

QS 0 L

QA 3 L

QA 4 L
QA 5 L

QA 0 L
QA 1 Ls[m]図３：X線生成実験用ビームラインのビーム光学系。β関数（上）運動量分散関数（中）、ビームサイズ（下）を示している。（実線はx、破線はy、C.P.は஢子・レーザー衝突点を表す）

減速管を導入した体系で放射線のバックグラウンドを軽減させるためには、減速管でのビームロスを抑えることが重要となる。ビームロスの要因の一つとして、ビームエネルギーの違いに֬因する軌道ସ変化により、減速位相がずれることが挙げられる。
これは 、エ ネル ギー 回収型 リニ アッ ク（ Energy
Recovery Linac, ERL）で不安定性の原因となっていることが知られている[7]。
そのӕ決策として、isochronous、すなわちビームを偏向させてもエネルギーにより軌道ସを変化させないようなビーム光学系を導入して、減速管に入射させることにした。つまり、ビーム軌道差 Dl は運動量誤差 d を用いて

Dl = R56dと表されるので（ R56 は転送行列の(5,6)成分）、০
‫ڐ‬したビーム光学系が R56 =0 を満たせばよい。

また第２章で述べたような、ビームエネルギー変動によるX線生成強度のふらつきを抑えるための衝突点でのパラメーターも考慮しなければならない。
以上を踏まえ、衝突点前後のアーク൉について、isochronousかつachromaticとなるビーム光学系を০‫ڐ‬した。条件は、ビームエネルギー45 MeV、衝突点でのビームサイズ100 mm、β関数0.1 m （x,y 共に）とした。シミュレーションには、加速器০‫ڐ‬プログ
ラム・SADを用いた。図５に০‫ڐ‬したビーム光学系を示しているが、ビームラインで運動量分散関数の正負が逆転させている。これは、エネルギー差で軌道がずれる方向が反転し両者のバランスをとることにより、最終的には軌道ସを揃えていることに相当する。

シャントインピーダンスが大きくなるようシミュレーションを行い、構造を最適化している。

５．まとめ
X-bandリニアックを用いた小型硬X線源の開発に向け、X線生成実証実験の準備を進めると同時に、システムの性能向上を図るべくӀ題に取り組んでいる。その一つが放射線バックグラウンドの軽減を目的とした減速管の導入である。減速管でのビームロスを抑え、生成X線の強度を安定化させるため、isochronousかつachromaticとなる衝突点前後アーク൉のビーム光学系を০‫ڐ‬した。今後、減速管の০‫ڐ‬及び、‫ڥ‬管造影への利用を視野に入れて永久஢磁石を用いたビームラインの構築に取り組んでいく。

ࡤ辞本研究において、日本原子力研究所光量子科学研究センターの羽島良一氏に助ۗを頂きました。ここに感ࡤの意を表します。

b,b[]
xym

参考文献

Q 6

Q 5B 3

Q 3

Q 4

Q 2B 2Q 1

B 1h,h[]
xymCollisionPoint

図５：減速管導入ビームラインの衝突点前のアーク
൉ビーム光学系。上段はβ関数、下段は運動量分散関数を示している。またBは偏向஢磁石をQは４極஢磁石を表している。

図１に示すように、最終的な‫ڥ‬管造影システムでは、ビームラインをテーブルに載せ回転させてX線を照射することになるので、ビームラインの小型化、軽量化、簡素化が必要となる。そのため、永久磁石を製作して減速管導入ビームラインを構築する予定である。
減速管については、現在০‫ڐ‬を行っている。既に
Ｘ 線 生 成 実 験 用 に 製 作 し た RDS(Round DetunedStructure)型加速管 [8]の構造を基本としているが、少ないRFパワーでより‫ݗ‬い減速勾配を達成するため、[1] 上 坂 充 他 Å g東 大 原 施 ク ワ ッ ド ラ イ ナ ッ ク
現 状 報 告 ２ ０ ０ ３ Åh本 研 究 会 WA-3.
[2] 土 橋 克 広 他 Å gX-bandリ ニ ア ッ ク を 用 い た 小 型
硬 X線 源 - ビ ー ム ラ イ ン 全 体 の ০ ‫ 、 ڐ‬開 発 の 現状 -Åh本 研 究 会 WD-1.
[3] S.Ohtsuka, et al., “Dynamic intravenous coronary
angiography using 2D monochromatic synchrotronradiation”, The British Journal of Radiology, 72 (1999)
24-28.
[4] 明 本 光 生 他 “ Xバ ン ド リ ニ ア ッ ク を 用 い た
小 型 硬 X線 源 の 50MWク ラ イ ス ト ロ ン 用 パ ル ス ஢源 ” 本 研 究 会 TP-25.
[5] 深 澤 篤 他 Å gX-band熱 カ ソ ー ド RFガ ン に お ける ビ ー ム ロ ー デ ィ ン グ Åh本 研 究 会 WP-8
[6] 松 尾 健 一 他 Å gX バ ン ド ‫ ݗ‬周 波 ஢ 子 ࢳ の 開発 Åh本 研 究 会 WP-24.
[7] L.Merminga, et al., “Analysis of the FEL-RF interaction
in recirculating, energy-recovering linacs with an FEL”,
NIM A 429 (1999) 58-64.
[8] H.Sakae, et al.,Å g小 型 硬 Ｘ 線 源 用 Ｘ バ ン ド 加 速 管thの 開 発 Å h, Proceedings of the 27 Linear Accelerator
Meeting in Japan, Kyoto, Aug. 7-9, 2002 .