「加速器」Vol. 9, No. 3, 2012（1 −9）

話 題

KEK におけるレーザーコンプトン散乱を用いた小型Ｘ線源の開発の現状とアップグレード計画＊
福田将史＊ 1・ Alexander Aryshev ＊ 1・ 荒木 栄＊ 1・ 本田 洋介＊ 1・ 坂上
照沼 信浩＊ 1・ 浦川 順治＊ 1・ 鷲尾 方一＊ 2

和之＊ 2

Development Status and Future Plan of Laser Undulator Compact X-ray Source（LUCX）in KEK
Masafumi FUKUDA ＊ 1, Alexander ARYSHEV ＊ 1, Sakae ARAKI ＊ 1, Yosuke HONDA＊ 1, Kazuyuki SAKAUE ＊ 2
Nobuhiro TERUNUMA ＊ 1, Junji URAKAWA ＊ 1 and Masakazu WASHIO ＊ 2
Abstract
We have developed a compact X-ray source via inverse Compton scattering between an electron beam and a laser
pulse stacked in an optical super-cavity at Laser Undulator Compact X-ray （LUCX） accelerator in KEK. The
accelerator consists of a photo-cathode RF-gun, an S-band accelerating tube and a part of X-ray generation. In theautumn of last year, we have succeeded in taking X-ray images of fish bone and etc. However, it had taken two hours
to get an X-ray image because of low intensity of X-ray with the number of 10 4 photons/train. In order to obtain a clear
X-ray image in a shorter period of time, we are planning to increase the intensity of X-ray to 450 times. To achieve thisaim, the number of electron bunches is extended to 1000 bunches/train and the stacked laser power in the optical cavity
is increased to 15 times. In order to avoid the mirror damage, the laser spot size on the mirror will be expanded bylengthening the distance between mirrors. Moreover, the collision angle is reduced from 20°to 7.5°
. By carrying out
these improvements, the expected number of X-ray photons will increase to 1.7×10 7photons/train. In this upgrade, a
3.6 cell rf-gun, a 12 cell booster and a planner type four-mirror cavity will be newly installed. In this paper, theexperimental results of X-ray imaging in last autumn and the upgrade plan of the LUCX accelerator will be reported.

器のアップグレードを行い，常伝導加速器による X 線
イメージングのための LCS-X 線源の開発を行う．
この小型電子加速器はフォトカソード RF 電子銃，
加速管，X 線生成部から成り，この RF 電子銃で生成したマルチバンチ電子ビームは，その下流の加速管で30 〜 40 MeV まで加速され，X 線生成部にあるレーザー
光共振器内のレーザーパルスと衝突し，LCS によってX 線を生成する（図 1）．
昨年秋，この加速器において LCS による X 線イメー
ジング試験を行い，IC や魚の骨などの X 線イメージの取得に成功した 2）．また吸収イメージの他に屈折コン
トラストによるイメージも取得できた．これは X 線源のサイズが小さく空間コヒーレンスの高い X 線が生成できていることを示している．
現在の目標は X 線強度を上げ，この撮影時間を短縮

1. は じ め に高エネルギー加速器研究機構（KEK）内にある小型電子加速器（LUCX）では，電子ビームとレーザー光の逆コンプトン散乱（レーザーコンプトン散乱（Laser
Compton Scattering: LCS）を利用した X 線源の開発を行っている．この X 線源の開発は量子ビーム基盤技術
開発計画の一部であり，常伝導の小型電子加速器による LCS を利用した X 線源の開発，および今年度行う
超伝導加速器での LCS による X 線生成実験 1）のための技術開発を担当している．ここでは今までにレーザー光共振器を用いた LCS による X 線生成実験を行ってきており，電子ビームとレーザーの衝突技術や，そのためのモニター開発，X 線検出器の開発などを行っている．さらに最終年度では，加速器やレーザー光共振＊「小型高輝度光子ビーム発生装置開発プロジェクト」文部科学省 平成 20 年度「光・量子科学研究拠点に向けた基盤技術開発」「量子ビーム基盤技術開発プログラム」より＊1
高エネルギー加速器研究機構 KEK, High Energy Accelerator Research Organization（E-mail: mfukuda@post.kek.jp）＊2
早稲田大学 理工学術院 Research Institute for Science and Engineering, Waseda University
1

J. Particle Accelerator Society of Japan, Vol. 9, No. 3, 2012

1

福田

将史，他

図 1 KEK 小型電子加速器（LUCX）のビームライン．

することである．昨年秋の X 線イメージング試験では
2. これまでのＸ線イメージング試験結果
1 つのイメージを撮影するのに合計で 10 8 個の X 線光子を照射したが，1 回のマルチバンチ電子ビームとの前章で少し触れたように昨年秋に X 線イメージング
4
衝突での生成 X 線の光子数が 10 個と低いため，撮影試験を行った．この試験では魚の骨の屈折コントラスに 2 時間ほどかかっていた．生成 X 線の光子数を増やトイメージを取得することに成功し，生成した X 線源すことにより，この時間を短縮し，最終的には 1 回ののサイズが小さく，空間コヒーレンスが高いことが確
衝突による LCS X 線でイメージを撮影できるようにす
認できた．
この章では，
その試験結果について報告する．
るのが目標である．
2.1 ビームラインの構成
また生成 X 線の増強により，信号とノイズの比（S/N
ビームラインの構成は図 1 上のようになっている．
1.6
cell RF 電子銃で生成したマルチバンチ電子ビームを下比）が大きくなりノイズの影響が減る，そして，より解像度の高い検出器を使用できるようになることか
流の S-band 3 m 進行波加速管で 30 〜 40 MeV まで加ら，さらに鮮明な画像を撮影することができると期待速する．その後の四極電磁石により，電子ビームを衝される．
突点で集束する．その衝突点には 2 枚ミラー光共振器
このためのアップグレードとしてビームラインの改が設置してあり，その内部に蓄積しているレーザーパ
修，および新しい光共振器の導入を計画している．加ルスと電子ビームを衝突させて LCS により X 線を生
速器側では装置全体の小型化に向けた開発として，新成する．このときの電子ビームとレーザーパルスの衝
しく 3.6 cell RF 電子銃，12 cell ブースターを導入し加突角度は 20°である．衝突後，電子ビームと X 線は下速器部分の小型化を試みる．また，X 線生成部では， 流の偏向電磁石で分離し，電子ビームの方はダンプへ
現在使用している 2 枚ミラーの光共振器の代わりに， 捨てられ，X 線は Be 窓を通じて大気に取り出す．
図 2 は衝突点に設置している 2 枚ミラー光共振器と新たに 4 枚ミラー平面光共振器を導入する．これらのその光学系である．光源である 357 MHz モードロック
改修により生成 X 線の光子数を約 450 倍にする予定でレーザーから出たレーザーパルス列を LD 励起光増幅
ある．最終的な目標は X 線強度を今の 1000 倍以上に器で増幅し，光共振器へ入射する．光共振器長は 42 cm
して 1 ショットでの X 線イメージ撮影をすることである．LUCX では，上記を最終目標として常伝導加速器 （往復 2.8 ns）であり，ちょうどパルス列の間隔（2.8ns）の半分となっているため，共振器内を往復していでの X 線イメージングのための X 線源の開発を進めてるレーザーパルスに入射パルスが次々と積み重なるよいく．
うになっている．これで高いピークパワーを持つレー
本稿では，まず第 2 章でアップグレード前に行ったザーパルスを作り出す．また，マルチバンチ電子ビー
X 線イメージングの結果について報告し，第 3 章で現ムのパルス間隔もレーザーと同じになっているため，
在行っている生成 X 線の光子数を 450 倍にするためのマルチバンチビームとの衝突も可能となっている．
アップグレードについては報告する．
さらに LD 光増幅器では図 3 のように電子ビームと2

J. Particle Accelerator Society of Japan, Vol. 9, No. 3, 20122

KEK におけるレーザーコンプトン散乱を用いた小型Ｘ線源の開発の現状とアップグレード計画

図 2 2 枚ミラー光共振器．

図 4 S.G. のマスタークロックに同期するシステム（上）とレーザーマスターシステム（下）.

ただし，光共振器長で基準周波数が決まるため，共振器の調整により周波数が若干変わる．これに合わせて RF 電子銃の共振周波数を合わせる必要がある．ク
ライストロンは RF 電子銃よりもずっとバンド幅が広いので，特に調整はしていない．このときの実験では周波数が 2856 MHz から +240 kHz ずれたが加速器運転に問題は出なかった．
このレーザーマスターシステムを導入することで，さらに Finesse を上げることが可能となる．また，共振器用ミラーに径の大きなものを使用できる可能性がある．ミラー位置はピエゾ素子を用いて調整している
が，ミラーの大型化で質量が増すことにより制御が難しくなる．しかし，このレーザーマスターシステムでは共振器そのものにレーザーや加速器を同期させるため，この制御が不要になる．これによりミラー上のレー
ザーサイズを大きくできるので，問題であるダメージ
閾値によるレーザー蓄積パワー制限を回避できることが期待される．

図 3 バーストモードの概念図．

の衝突タイミング付近で増幅して，さらにレーザーパ
ルスのパワーを上げる（バーストモード）ことで，生成 X 線の増強を図っている．

2.2 レーザーマスターシステム
加速器と衝突用レーザーの同期システムとしてモードロックレーザー発振器をマスタークロックとしたタ
イミングシステム（図 4 下）を導入し，レーザー共振器の安定運転を達成した．レーザー共振器は共振器内で 1000 回以上光を同じ位相で重ね合わせるため，ナノメートル以下のミラーの制御精度が要求される 3）．また，Signal Generator（S.G.）のクロックに同期させる
フィードバックシステム（図 4 上）を導入したが動作が不安定であった．本レーザーマスターシステムによって光共振器動作の安定性は飛躍的に向上するとともに，電子ビームもこれまで通りのエネルギーやビームカレ
ントの安定性を保てることを確認した．実際に 8 時間の実験で一度もレーザーの蓄積フィードバックが外れることはなかった．

2.3 X 線イメージング用検出器
X 線イメージング用の検出器の構成は，蛍光板付き
Micro-Channel Plate（MCP），Image Intensiﬁer，CCD
カメラとなっている．これは以下の理由によるもので，まず MCP を使用したのは今までの実験の経験から高エネルギー成分のノイズには感度が低く，これを切り分けることができるからである．また MCP では X 線を電子に変換し増幅するため，微小な光でも観測可能となり，さらに電子を蛍光面に当て，蛍光をミラーで反射することで，CCD カメラをノイズの多いビームラ
3

J. Particle Accelerator Society of Japan, Vol. 9, No. 3, 2012

3

福田

将史，他

図 5 X 線イメージング用検出器．
表1

電子ビームのパラメータ

Energy30 MeV

Bunch charge

0.4 nC

Number of bunches

100

Beam size at the collision
point（1σ）

200 μm ×53 μm

Bunch length（FWHM）

10 ps

Bunch spacing

2.8 ns表2レーザーのパラメータ

図 6 屈折コントラストの概念図．

Energy1.17 eV（1064 nm）

Intensity

0.4 mJ/pulse

Waist size（1σ）

30 μm ×30 μm

Pulse length（FWHM）

7 ps

においては吸収差が小さく，コントラストが付きにくいことが知られている．図 6（B）は屈折コントラストの概念図を示している．こちらでは境界での屈折率差を用いてコントラストを増幅しており，エッジを強調することができる．この屈折コントラスト像を取得するためには光源点が小さく，空間的にコヒーレントな
X 線が要求されるので，屈折コントラスト像から，空間コヒーレンスの高い X 線が生成できているかを確認することができる．
本システムでは試料を設置できる場所が 2 箇所
（図 5）あり，それぞれに試料を置いて X 線イメージを撮影した．最初に，試料と検出器の距離を 370 mm（A）にし吸収コントラストのイメージを撮影する．次に，その距離を 670 mm（B）に拡げてイメージを撮影しコント
ラストの増幅があれば，屈折コントラストを確認できたことになる．
図 7 が LCS により生成された X 線で撮影した魚の骨のイメージで，それぞれ試料から検出器までの距離
は（A）370 mm，（B）670 mm であった．明らかに右像（B）の方がくっきりコントラストのついた像になっているのが分かる．このラインプロファイルを取ったものが図 8 であり，コントラストの増強が確認できる．
また，矢印で図示している位置において特に屈折コン
トラスト特有のエッジが強調されている形状が確認できる．これらはコントラスト増強ができていることをインの軸線から避けられるためである．さらに Image
Intensiﬁer を使うことで，高速の Gate をかけて時間的にノイズを切り分けられることができる．図 5 が検出器の構成図とその写真である．

2.4 X 線イメージング試験
イメージング試験時の生成 X 線の光子数は 1.7 ×
4
10 photons/train であった．
（電子ビームは 100 バンチのバンチ列であり，このバンチ列のかたまりを Trainと呼んでいる．
）また X 線のエネルギーは 15 keV, エ
ネルギー幅は約 15%となっている．このときの電子
ビームパラメータ，およびレーザーパラメータを表 1，2 に示す．
このX線を用いてイメージング試験を行った．
X 線イメージは吸収および屈折コントラスト像の 2種類を撮影した．これは生成した X 線の空間コヒーレ
ンスを確かめるためである．X 線の吸収の差によって像を取得する場合，生体を構成する元素などの軽元素
4J. Particle Accelerator Society of Japan, Vol. 9, No. 3, 2012

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KEK におけるレーザーコンプトン散乱を用いた小型Ｘ線源の開発の現状とアップグレード計画

図 7 撮影した X 線イメージ．

図 9 新ビームライン．

加速管として 3.6 cell RF 電子銃，12 cell ブースターを導入する．また，バンチ数を 10 倍の 1000 バンチまで増やす．レーザー側では，4 枚ミラー平面光共振器を新たに導入し，蓄積パワーの増やし，電子ビームとの衝突角度を 7.5°に浅くする．このアップグレードにより生成 X 線の光子数を 1.7 × 10 7 photons/train にまで増やす．

3.1 新ビームライン
新ビームライン（図 1 下，図 9）の構成は，基本的には以前と同じだが，電子銃，加速管をそれぞれ 3.6 cell
RF 電子銃および 12 cell ブースターへ交換する．さらに RF 電子銃へのレーザー入射方式を変更してシケインを取り外し，加速器部分のサイズを現在の 5.7 m から 2.9 m へ約半分に小型化する．ビーム加速部である
12 cell ブースターの下流に X 線生成のための 4 枚ミ
ラ ー 平 面 光 共 振 器 を 設 置 す る． こ の RF 電 子 銃 で10 MeV のマルチバンチ電子ビームを生成し，その後の 12 cell ブースターでさらに 30 MeV まで加速する．
そして，電子ビームはブースター空洞下流の四極電磁石によって光共振器内の衝突点で集束されレーザーパ
ルスとの LCS により X 線を生成する．この生成 X 線と電子ビームは直後の偏向電磁石で分離され，X 線のみを Be 窓を通して大気中に取り出す．
ここからは，ビームライン改修の各変更部分について説明していく．

図 8 X 線イメージのラインプロファイル．

示すとともに，前述の通り今回生成している LCS X 線の線源サイズが小さく，高い空間コヒーレンスを持っていることを示している．
以上のように，我々は X 線イメージを取得することに成功した．ただし，撮影には合計 10 8 個の X 線を照射したが，X 線強度が低く，この撮影に 2 時間がかかった．
そこで，この X 線強度を上げるためのアップグレード
を現在行っている．次章でその内容について説明する．

3.2 3.6 cell フォトカソード RF 電子銃
本計画において LCS で生成する X 線の目標エネル
ギーは 15 keV である．生成 X 線のエネルギーは電子ビームのエネルギーとレーザーの波長（1064 nm）で決まり，
15 keV の X 線を生成するには 30 MeV の電子ビー
ムが必要となる．1.6 cell からセル数を増やした 3.6 cell
RF 電子銃 4）を導入することにより，ビームエネルギーを 5 MeV から 10 MeV まで引き上げる．これにより下流 の 12 cell ブ ー ス タ ー の エ ネ ル ギ ー 利 得 で あ る

3. アップグレード計画について
ここでは現在行っているアップグレードについて説明する．これにより，生成 X 線の増強，加速器部分の小型化を目指す．加速器側では，新しい電子銃および
5J. Particle Accelerator Society of Japan, Vol. 9, No. 3, 2012

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福田

将史，他

表4

表 3 3.6 cell RF 電子銃のパラメータ

12 cell ブースターのパラメータ

Frequency（π-mode）

2856 MHz

Frequency（π-mode）

2856 MHzQ-value

15000

Qvalue17800

Coupling （β）

0.99

Coupling β

1.1

R/Q

395 Ω

Mode separation（π-10π/11）

1 MHz

Mode separation（π-2π/3）

2.8 MHz図 11 12 cell ブースター．
図 10 3.6 cell RF 電子銃．

3.3 RF 電子銃へのレーザー入射方式変更

20 MeV と合わせて 30 MeV のビームを生成することができる．
図 10 と表 3 に 3.6 cell フォトカソード RF 電子銃の構造とそのパラメータを示す．空洞形状は基本的に現行の 1.6 cell のものと同じで，滑らかなカーブで構成され，端板にはロードロック方式により着脱可能な
Mo カソードプラグを装着している．このプラグ表面には Cs2Te を蒸着しており，これに紫外レーザーパル
ス光（波長 266 nm）を照射することで光電効果により電子ビームを生成する．この電子銃では 10 MeV まで
電子ビームを加速する．
3.6 cell RF 電子銃では 1.6 cell のものと比べてアイ
リス部小さくし，さらに導波管のカップリングホールを拡げている．このカップリングホールはレーストラッ
ク型をしており，直線部分を 1.36 mm 伸ばして穴を広げることで，カップリングβが 1 になるように調整している．アイリス部は全体的に 300 μm 削っており，
これにより 2/3πとπモードの周波数間隔を 2.8 MHzまで拡げている．これは，3.6 cell では存在するモード
が 4 つに増えたため，そのままだと各モードの間隔が1.6 cell の時より近くなるからである．
この 3.6 cell 電子銃への交換は，昨年の X 線イメー
ジング実験終了後に先行して行われた．昨年末にインストールし，すでにビーム試験を行っている．これまでに 9.6 MeV の電子ビーム生成に成功しており，この時のカソード上の電界強度は 96 MV/m になっている．
まだ放電頻度が高いため，エージングを行いつつビー
ム調整を行っていく．
6

J. Particle Accelerator Society of Japan, Vol. 9, No. 3, 2012

RF 電子銃へ正面からレーザー光を入射するためのシケインを取り除き，省スペース化およびエミッタン
ス向上を図る．シケインは RF 電子銃内のカソードへ
紫外レーザー光を正面から（カソードに垂直に）入射するために設けられたが，スペースを取ること，またこれによるエミッタンスの増大が見られたため，これを取り外すことにした．
これに伴い紫外レーザー光の入射光路も変更する．
真空中のビームライン上に 20 mm φの穴空きアルミミラーを設置し，側面から入射したレーザー光を反射し，カソードへ約 1°の角度で入射する．電子ビームはこのミラーの穴を通過する．これにより，カソードに照射されるレーザー光の形状は角度方向にわずかに広がることになるが，この影響はほぼ無視できると考えている．またミラーはアルミ板の表面を鏡面加工したものを使用するため，チャージアップの問題も避けられる．

3.4 12 cell ブースター
3 m の S-band 進行波型加速管から 82 cm の定在波型
12 cell ブースター 4）へ交換することで，加速器部分を小型化する．ここで電子ビームのエネルギー利得は 20
MeV であり，入射ビームエネルギーが 10 MeV である
ので，加速後に 30 MeV のビームを得られる．
表 4 がそのパラメー
図 11 が 12 cell ブースターであり，タである．空洞の構造は今までの技術の蓄積を基にしており，3.6 cell RF 電子銃と基本的には同じものになっている．RF 入力セルは加速管中央部に位置し，ここから高周波を入力する．内部の電界分布の対称性を良6KEK におけるレーザーコンプトン散乱を用いた小型Ｘ線源の開発の現状とアップグレード計画

表5

図 12 12 cell ブースターのモードの周波数．左が計算値，
右が測定結果．

電子ビームのパラメータ

Energy30 MeV

Bunch charge

0.4 nC

Number of bunches

1000

Beam size at the collision
point（1σ）

33μm ×33μm

Bunch length（FWHM）

10 ps

Bunch spacing

2.8 nsえることを目標に計算した．RF 電子銃出口での Twiss
パラメータは General Particle Tracer（GPT）7）で計算したものを使用している．仮定している Emittance は
RF 電子銃出口で 5π mm mrad である．また，ビーム
エネルギーは RF 電子銃出口で 10 MeV，12 cell ブース
ターで加速後に 30 MeV としている．
図 13 が計算したオプティクスであり，衝突点での電子ビームサイズ（1σ）は 33 μm となっている．その他の場所でもビームサイズは 3 mm 以内になっているのが分かる．
また X 線強度増大のため，電子ビームのバンチ数は
前回実験時の 100 バンチから 1000 バンチへ増やす．これには加速電界を作る高周波のパルス幅を 4 μs まで伸ばす必要があり，3.6 cell RF 電子銃の方は現在そのためのエージングを進めている．表 5 にアップグレー
ド後の電子ビームのパラメータを示す．

図 13 アップグレード後のビームラインのオプティクス．

くするため，RF 入力ポートはダブルフィードになっている．
このブースターの空洞は 12 cell あるため，12 個のモードがあり，加速に使用するπモードと他のモードの差を広げるため，3.6 cell RF 電子銃よりもさらにア
イリス全体を削って，アイリス部の直径を広げ，厚さを薄くしている．こうすることで Mode separation を広げている．2 次元高周波電場計算コード Superﬁsh5）で計算した各モードの周波数は図 12 左のようになっており，πモードと隣の 10π/11 との差は 1 MHz となっている．エラーバーはピークから 3 dB 下がった時の周波数を示しており，この周波数差で充分離れているのが分かる．
このブースターは 7 月に完成しビームラインへ導入している．現在，RF エージングを開始したところである．図 11 の写真は導入された 12 cell ブースターである．今後は RF エージングを進めて 2012 年秋にはビーム試験を行う予定である．

3.6 4 枚ミラー平面光共振器
新たに導入する光共振器は 4 枚のミラーを平面上に配置した構成となっている 8）．今までの光共振器ではミラーの誘電多層膜のダメージ閾値により蓄積するパ
ワーが制限されていた．そのため共振器長を伸ばし，ミラー上のレーザーサイズを広げる構成としている．
また，4 枚ミラー光共振器は 2 枚ミラーのものと比べてミラーの位置に対する許容誤差が広く，共振器長を伸ばす今回の場合には，アライメントに対して有利になるので，こちらを選択している．
この光共振器は各々 2 枚の凹面ミラーと平面ミラーで構成されており，同一平面上にこれら 4 枚のミラーを配置している．図 14 が 4 枚ミラー平面光共振器であり，表 6 はそのパラメータである．共振器を大型化したため，この周長は 7560 mm に伸び，9 個のパルスが共振器内に蓄積される．ミラーの反射率は入射部のミラーが 99.7%，他は 99.99%で，Finesse は 1000，増大
率は 500 倍となっている．これらの値は低めに抑え，安定性重視の設計となっている．これは光共振器へ入射するレーザー光を増幅するバーストモードを使用す

3.5 新ビームラインでの電子ビームのパラメータ
Strategic Accelerator Design（SAD）6）により新ビー
ムラインでの電子ビームの光学系を計算した．衝突点
で電子ビームを絞ること，またビームロスを防ぐため
ビームライン全体でのビームサイズを 3 mm 以下に抑7

J. Particle Accelerator Society of Japan, Vol. 9, No. 3, 2012

7

福田

将史，他

図 14 4 枚ミラー平面光共振器．

表6

図 15 X 線のエネルギー分布．

レーザーのパラメータ

Energy1.17 eV（1064 nm）

Intensity

6 mJ/pulse

Waist size（1σ）

55μm ×25μm

Pulse length

7 ps

角度が調整できるヘキサポッドに載せる．これらを調整することでレーザーの位置を調整できるようになっている．また衝突点にはアルミナ蛍光板のスクリーンが挿入できるようになっており，これで電子ビームとレーザーの位置を確認して合わせることができる．その後，X 線の信号を見ながら，レーザーの位置をさらに微調整する．

3.7 X 線生成

るため，こちらでレーザーパワーを上げることができるためである．
凹面ミラー間の距離が 420 mm から 1893 mm と長くなったことで，ミラー上のレーザーサイズ（2σ）は1.1 mmφから 2.92 mm × 6.40 mm（H × V）と面積が15.4 倍になり，その分，ミラー表面を破壊せずに蓄積できるパワーも増える．また，ミラーの直径も以前の2 倍の 2 インチのものを使用する．この理由は，今までの 1 インチミラーでは全部を使っても 99.7%しか入らず，その分のパワーロスは反射率が下がるのと同じことになるためである．設計上，蓄積されるレーザー
パルスのエネルギーは前回 X 線実験時の 15 倍の 6 mJ/
pulse となる予定である．
衝突点でのウェストサイズ（1σ）は 55 μm × 25 μm（H × V）となっており，偏平になっている．これは平面ミラーをわずかに歪ませることで丸くできる 9）．今
回は製作期間が限られているので，扁平のままとしている．
電子ビームとの衝突角度は 20°から 7.5°となり，より正面衝突に近づけている．これにより，約 3 倍の X
線強度の増加が見込める．
電子ビームとの衝突位置調整はレーザー光の位置を動かして調整する．上流側の 2 枚のミラーは 3 軸の位置を調整できるムーバー架台上に載っており，下流側の 2 枚のミラーにはそれぞれ 3 軸の位置および 3 軸の8

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今回のアップグレードで X 線強度を前回実験時の約450 倍にすることを目標としている．電子ビームを1000 バンチにすることで 10 倍，レーザー光共振器に蓄積するパワー増加で 15 倍，衝突角度を 7.5°へと正面衝突に近づけることで約 3 倍の X 線強度の増加を見込んでいる．予想される X 線光子数はモンテカルロシ
ミ ュ レ ー シ ョ ン コ ー ド で あ る CAIN （Conglomérat
d'ABEL et d'Interactions Non-linéaires）10）を使って計算した．この計算には表 5，6 に出ている電子ビームおよびレーザーのパラメータを使用している．
この計算から X 線イメージング用の検出器に入る X
線光子数は 1.7 × 10 7 photons/train となり，この時のX 線の平均エネルギーは 15 keV，エネルギー幅は 10%（FWHM）となる．LCS で生成された全 X 線光子数は1.6 × 108 photons/train と な る． こ れ ら の 光 子 数 は1000 バンチのマルチバンチ電子ビームとレーザーの衝突により生成される数である．検出器は衝突点から約2.4 m 下流の位置に設置してあり，20 mm φの鉛コリメータがその直前にある．よって散乱角度が 4.2 mrad以内の X 線光子数を検出器に入射する光子数とした．
図 15 が CAIN で計算した X 線のエネルギー分布である．
（2）の線が 4.2 mrad 以内に入る X 線のエネルギー分布である．前回と同じ X 線イメージを撮る場合，合計で10 8 photons の X 線を照射することになるので，この8

KEK におけるレーザーコンプトン散乱を用いた小型Ｘ線源の開発の現状とアップグレード計画

X 線強度であれば 10 ショットで撮影可能となり，前回の 10000 ショットから比較すると 1/1000 になる．さらに，実際ミラー破壊が起こったときのミラー表面上のレーザー光のパワー密度は現在の設計の 5 倍なので，この分さらにレーザー強度を上げられる可能性がある．
S/N 比が大きくなり，ノイズの影響が減ることも合わ
せて考慮すれば，1 ショットの X 線照射で撮影できることも期待できる．

すれば，より空間分解能の高い検出器も使用できるよ
うになるため，非常に鮮明な画像を得ることが出来ると期待される．

参考文献
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accelerator at KEK , Proceedings of the 9th Annual
Meeting of Par ticle Accelerator Society of Japan,
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Laser-Compton Scattering X-ray at KEK , AIP Conf.
Proc. 1466, 272（2012）.
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storage technique in an optical super-cavity for acompact X-ray source based on laser-Compton
scattering , Nucl. Instr um. Meth., A637（2011）
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5） J. H. Billen , L. M. Young , POISSON/SUPERFISH ,LA-UR-96-1834.
6） K. Hirata（CERN Repor t No. 88-04, 1988）, SAD:
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7） M.J. de Loos, S.B. van der Geer, Proceedings of EPAC
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8） K. Sakaue, et al., Upgrade plan of Laser Undulator
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9） H. Shimizu et al., Stable Planner Type Four-mirror
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D e v e l o p m e n t o f Q u a n t u m B e a m Te c h n o l o g y
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CAIN/.

4. まとめと今後
我々の常伝導加速器と光共振器を用いたレーザーコ
ンプトン X 線源開発（LUCX）グループでは，X 線強度を増強することで，より鮮明な画像を取得し，そして最終的には 1 ショットで X 線像が撮影できることを目標としている．現在，加速器およびレーザー光共振器のアップグレードを行っており，アップグレード後の予想 X 線光子数は，イメージング用の検出器に入る数で 1.7 × 10 7 photons/train となる．この時の X 線の
平 均 エ ネ ル ギ ー は 15 keV， エ ネ ル ギ ー 幅 は 10 %（FWHM）となる．電子ビームの繰り返しを 12.5 Hz とすると，2.1 × 10 8 photons/sec・10% BW となる．この X 線光子数になれば 10 ショットの照射で前回と同じ画像が撮れるようになる．
アップグレードに伴うビームライン改修を現在行っている．3.6 cell RF 電子銃は既にインストールされ，ビーム試験も行っている．今後 1000 バンチのマルチバ
ンチビーム生成を目指す．また，12 cell ブースターは製作が終了し，現在，RF エージングを始めたところである．そして 4 枚ミラー平面光共振器は現在製作中である．それぞれ 2012 年秋には準備が出来る予定であり，新ビームラインへの改修後に，X 線イメージング
実験を再び行う予定である．目標の X 線光子数を達成

9J. Particle Accelerator Society of Japan, Vol. 9, No. 3, 20129