May. 2012

高輝度光子ビーム源開発室
ニュース
Quantum Beam Technology Program supported by MEXT

8

Vol.

X 線検出器

４枚ミラー平面光共振器

電子ビームダンプ
電子銃用レーザー

共振器用レーザー

12cell 加速管

LUCX（Laser Undulator Compact X-ray source）の普及型イメージ。
LUCX での秋の実験計画の詳細は本ニュース記事を参照して下さい。

3.6cell フォトカソード
RF 電子銃

高輝度光子ビーム源開発室ニュース Vol.8 をお開発しています先端基盤技術を融合した付加価値

送り致します。ニュース Vol.8 の記事として、高の高い普及型装置の案作成も重要な課題になってエネルギー加速器研究機構・加速器研究施設、渡います。今年度の目標は、最先端加速器技術と最邉謙氏らに「L-band フォトカソード高周波電子

先端レーザー技術の融合による安定逆コンプトン

銃からのビーム取り出し試験」、福田将史氏と早散乱高輝度 X 線生成技術の性能確認です。ニュ

稲田大学理工・学術院・理工学研究所、坂上和之

ース Vol.9 は開発レーザー装置の性能および実用

氏に「LUCX におけるＸ線数増強のためのアップ化と本光子ビーム源を使った利用実験に関する報

グレード計画」の記事をお願いしました。

告を行う予定です。ご期待下さい。

今年度は本受託事業の最終年度ですので、現在

高輝度光子ビーム源開発室ニュース■ L-band フォトカソード高周波電子銃からのビーム取り出し試験
渡邉 謙 早野仁司 松本利広 福田将史 浦川順冶
栗木雅夫 飯島北斗 広島大学 先端物質科学研究科
坂上和之 早稲田大学 理工学術院 理工学研究所
倉本綾佳

Mathieu Omet

総合研究大学院大学

高エネルギー加速器研究機構

加速器研究施設

高エネルギー加速器科学研究科

序文

バンチあたりの電荷量 41pC の電子ビームをビー「超伝導加速器による次世代小型高輝度光子ビ

ムダンプまで輸送することに成功した。

ーム源の開発」プログラムとして KEK-STF（超伝今回、その中の入射部の状況について、RF 電子

導リニアック試験棟）に建設を進めている量子ビ

銃の RF プロセス状況から 3 月末に達成した 1ms マーム実験用ビームラインが 2012 年 2 月末に完成

ルチバンチビームの取り出しまでの内容を報告する。

し、ビーム運転が可能な状態となった。ビームラ

詳細なビームパラメータは高輝度光子ビーム源

イン下流に設置される予定の衝突用レーザー装置

開発室ニュース vol. 7 November 2011 に記載されは、20% ビームパワーの放射線発生装置検査運転ているので、そちらを参照して頂きたい。

後にインストールされる予定である。
2012 年 2 月 23 日に所内の放射線安全検査をパ

RF 電子銃の RF プロセス・Cs2Te 成膜と暗電流評価

スし、翌週の 2 月 27 日から試験運転を開始した。

STF にインストールされている電子銃は L-band

同日夜、フォトカソード高周波電子銃（以下、RF 電

銅製 1.5 セル RF 電子銃である [1]。運転周波数は子銃）からのビーム取り出しに成功した。3 月 7 日の1300MHz であり、入射部の構成を図１に示す。RF段階で 1ms ビームの取り出し（162450 Bunches,

電子銃上流にフォトカソード蒸着チェンバーがあ

10 ~ 20 pC/bunch）に成功した。当初はパルス内

り、その脇にキセノンランプを光源とした量子効率のバンチ電荷量を一定にできなかったが、調整を測定装置が設置されている。カソード蒸着チェンバ

続けた結果、3 月 23 日の段階で 1ms 内のバンチ

ーと電子銃は真空ベローで接続されており、カソー

電荷がほぼ一様な flat beam（162450 Bunches, 30

ド蒸着後にロードロックシステムで真空中のカソー~ 40 pC/bunch）の取り出しに成功した。

ドヘッドは電子銃へと輸送され、電子銃にセットさ

4 月 12 日に L-band 9-cell 超伝導加速空洞 2 台れる。運転の前後に量子効率の測定が可能である。

を用いたキャプチャーモジュール前後のゲート弁を

カソードヘッドにはモリブデン（以下、Mo）を使

開け、電子銃から取り出した電子ビームを 40MeV用している。電子銃直下にファラデーカップとアまで加速した。翌日の4月13日15:31に28 バンチ、

ルミナ蛍光板（t=1mm）を用いたプロファイルモ

プロファイルモニター

超伝導加速器空洞モジュール（PRM-02）
ゲート弁

ファラデーカップ

ソレノイド電磁石

電子ビーム
シケイン電磁石©Rey. Hori

RF 電子銃

カソード蒸着チェンバー2

図 1 ： 入射部の構成 （イメージ図）

高輝度光子ビーム源開発室ニュース

表１
Date2010 年 4 月～ 6 月
2011 年 1 月～ 2 月
2011 年 9 月～ 10 月
2012 年 1 月～ 2 月
2012 年 3 月 21 日
2012 年 3 月 24 日

Max Power
1.7MW
1ms
5Hz
1.7MW
1ms
5Hz
4.0MW
1ms
5Hz
4.0MW
1ms
5Hz
3.5MW
1ms
5Hz
3.8MW
800 µs5Hz

STF L-band RF 電子銃の暗電流の推移
Process 時間
100 hours

Dark Current
269 µA @ 30 MV/m

15 hours

13 µA @ 30 MV/m

60 hours

194 µA @ 40 MV/m
7 µA@30MV/m

13 hours

64 µA @ 40 MV/m
2.7 µA@30MV/m

2.5 hours

76 µA @ 40 MV/m

2 hours

130 µA @ 40 MV/mOther
Dummy Cathode Plug.
Mo（膜無し）1.7 MW: 30.4 MV/m
Dummy Cathode Plug.
Mo（膜無し）エタノール洗浄後
Dummy Cathode Plug.
Mo（膜無し）Dummy Cathode Plug.
Mo（表面追研磨）
4 MW: 46.7 MV/mVer. 3 Cathode Plug.
Mo（表面追研磨）
3 MW: 40.4 MV/mVer. 3 Cathode Plug.
Mo+Cs2Te

ニターが設置され、暗電流の測定、ビームプロフ

ビームテストではこの Ver.3 ヘッドを使用していァイルの測定が可能である。以下の暗電流値は全る。トリップレートについては現在評価中である。

てこのファラデーカップで測定されたものである。

Cs2Te 成膜前後の暗電流特性を図 2 に示す。まRF 電子銃の高周波入力運転は 2010 年 4 月からた、超伝導加速空洞モジュールの下に設置されて開始され、クライストロン出力の増強、電子銃内いる放射線モニターの値も併記する。暗電流は成のエタノール洗浄、カソードブロック表面の研磨

膜前後で約 1.4 倍増加した。これは図 3 の写真に効果などを調べた。2012 年 3 月、Cs2Te 蒸着、表
面電界強度
（Epk）40MV/m という条件で、RF 印加
時に 130µA 程度の暗電流が発生していた。表１に RF プロセスと暗電流測定の履歴をまとめる。
2010 年 4 月～ 6 月に行った 1 回目のプロセスでは、
暗電流はカソード表面の電界強度が 30MV/m で269µA あり、目標ビーム電流である 10mA に対して 2.7% の量であった。その後、銅製加速空洞内の洗浄方法を開発する為、試験片を用いた洗浄試験を行った。結果、エタノールを用いた洗浄方法が簡便かつ少ないリスクで有効であることが分かった。2010 年 12 月に加速空洞本体のエタノー
ル洗浄を実施した。その後に行った 2 回目のプロ

図 2 ： 最近の暗電流の様子（青 ： Mo のみ、 赤 ： Cs2Te あり）

セスは、短時間の RF プロセスで暗電流は当初の値に比べて 1/20 まで減少した [2]。2011 年 9 月～
2012 年 2 月に行ったプロセスでは、クライスト
ロンを最大 5MW の高出力のものに変更し、かつ機械研磨にてカソード表面粗さの改善を行った。
結果、Cs2Te を蒸着していない Mo のみの状態では、30MV/m で 2.7µA の暗電流となり、当初と比較して 1/100 まで減少させることに成功した。また、カソード付近の放電によるトリップレートを下げるために、エッジ部の曲率を大きくしたカソードヘッド（Ver.3. と呼んでいる）
を製作した。以下、

図 3 ： カソード表面の様子

3

高輝度光子ビーム源開発室ニュース

示すように、Cs がカソード面全体に蒸着されているためと考えている。暗電流をより抑えるために、ビーム生成に必要な中心部のみに光電面を成膜することが必要であり、蒸着領域を制限するマスクを製作中である。ビーム電流から評価した量子効率（Quantum Efficiency; QE）を図 4 に示す。現状、運転中の QE は ~2.5% であり、UV レーザー出力を 25％まで下げた状態で、バンチあたり 450 pCの電子ビームが生成されている。62pC の取り出
しにはレーザー出力を 1% まで下げて運転する必要がある。成膜時、蒸着槽で評価している量子効率は Xe ランプ光源を分光した 266nm の UV 光に

図 4 ： ビーム電流から評価した量子効率（32 Bunches/Pulse）

より行っているが、Xe ランプによる測定時の QEの値に対して運転中の QE は 3 倍ほど大きい。Xe
ランプ光のパワー較正が課題である。
2012 年 3 月 21 日から 4 月 2 日にかけて運転終了後に Cs2Te の量子効率を Xe ランプ光源で測定した。その推移を図 5 に示す。運転前後で QE が回復する傾向が見られた。ビーム運転の際、バンチ当たり約 0.4µJ の UV 光を 1ms、5Hz という高いレートでカソードへ照射しており、化学的ある
いは熱的効果による QE 回復の可能性を示唆している。蒸着槽および RF 電子銃内の典型的な真空
圧力は、5 × 10-7 Pa 以下であり、保管後 QE の低

図 5 ： 運転中の量子効率の変化（2012 年 3 月 21 日～ 4 月 2 日）

下が見られた。今後継続してビーム生成や保管時における量子効率の変化を測定する。

・電子銃からのビーム取り出し

X 線生成実験では、X 線検出のために暗電流に2012 年 2 月 27 日、RF 電子銃からのビーム取よるバックグラウンドを極力減らす必要性から、

り出し試験を開始し、すぐにビーム信号を捉え充分に暗電流が低く抑制できる 33MV/m（2MW

た。初ビームの様子を図 6 に示す。ビーム電流

入力、暗電流 20µA 未満）での運転を考えている。

は 200pC/bunch で 35 bunches/pulse である。レ

図 6 ： 初ビームの様子 （PRM-02、 ICT-01、 BPM-01 からの信号）

4高輝度光子ビーム源開発室ニュース

ーザー on、off により電流モニター（ICT-01）、ビ

次にビーム生成の均一度を確認するため、1ms

ーム位置モニター（BPM-01）の信号に明瞭な変化の UV パルストレインをカソードに当てた状態で、があったことから、ビーム生成が確認された。そ50µs の RF パルスを時間的にスキャンし（Shortの後、3 月末にかけて入射部の調整を行い、3 月

RF Pulse Scan）、UV レーザーの強度に対するバ

7 日 の 段 階 で 1ms ビ ー ム の 取 り 出 し（162450

ンチあたりの電荷量を測定した。Short RF Pulse

Bunches, 10 ~ 20 pC）に成功、UV レーザーの調

Scan の模式図と UV レーザーの強度分布の例を図整などを経て 3 月 23 日の段階で 1ms flat beam

8 に示す。また、RF 電子銃の RF 位相スキャンを（162450 Bunches, 30 ~ 40 pC）の取り出しに成功行い、180 deg 付近に固定した状態で RF のタイ[3]した（図 7） 。この段階でパルス内の位相や振幅

ミングをシフトさせて Short RF Pulse Scan を行っなどを制御する RF のフィードバックが実装された。

た。図 9 にそれぞれの測定結果を示す。QE に相図 7 ： 1ms Flat Beam の様子（30 ～ 40pC/Pulse）、 青 ： BPM の信号、 赤 ： UV レーザーのゲート信号

図 8 ： UV レーザー 1ms、 Short RF Pulse （50µs） によるスキャンの模式図と波長変換前後におけるガンレーザーの強度プロファイル

図 9 ： RF 電子銃の Phase Scan と Short Pulse Scan の測定結果

5

高輝度光子ビーム源開発室ニュース

図 10 ： フィードバック有り無しにおける暗電流の変化 （D.C. ： 暗電流、 Pf ： 入力パワー、 Pb ： 反射パワー）

当する UV レーザーの強度と取り出された電荷量

ビームのエミッタンスをできる限り小さくするの比を見ると、パルスの先頭を除きほぼ均一にな必要がある。そのためには、できる限り高い電界っており、ビーム生成が 1ms という長いパルスに強度で RF 電子銃を運転する必要がある。現在の対して、問題なく行われていることを示している。

導波管を含めた RF 電子銃システムで、パルス幅

図 10 は RF 電子銃へ供給する RF のフィードバ

1ms、2.5MW 付近まで安定に動作することが確認

ック有り無しにおける暗電流のプロファイルであされた。今後は投入可能なパワーの上限である、る。暗電流の強度プロファイルが一定となってお

1ms 以上、4MW の投入の実現を目指し更なる試り、フィードバックが正常に働いていることわか験と改良が必要である。加えて、現在、RF 電子

る。ただし、電界が安定するのは 100µs 以降であ銃トリップ時におけるリカバリーの時間を短縮するため、1ms ビームを安定に出すためには、1.1ms

るために、チラーの改造も行っている。改造案は以上の RF パルス幅が必要であり、その条件でのすでに固まっており、5 月中旬に改造を行う予定

RF プロセスを行う必要が出てきた。

である。

2012 年 4 月 12 日、L-band 9-cell 超伝導加速空洞 2 台 [4] が納められているキャプチャーモジュー
ルへと接続されたゲート弁を開け、ビームダンプ
まで 40MeV の電子ビームの輸送を開始した。少ないバンチ数で調整を行い、徐々にバンチ数を増やしていき、6 月に予定されている放射線安全検査に必要な 20% ビームパワー以上の安定運転を目指す。また、高輝度の X-ray 生成に向け、電子

参考文献[1] H. Sugiyama et al.,“L-band Photocathode RF gun at KEKSTF”, 2011 J.Phys: Conf.Ser.298 012015[2] M. Kuriki et al., “RF Processing of L-band RF gun For KEKSTF”, MOPC014, IPAC2011.
[3] http://lcdev.kek.jp/LCoffice/OfficeAdmin/[4] http://accl.kek.jp/topics/topics101209.html■ LUCX におけるＸ線数増強のためのアップグレード計画
福田 将史
坂上 和之

高エネルギー加速器研究機構
早稲田大学

理工学術院

加速器研究施設

理工学研究所

序文
LUCX（Laser Undulator Compact X-ray source）っている。これは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である。

では、レーザーコンプトン散乱（Laser Compton

ここでのＸ線源の開発は量子ビーム基盤技術

Scattering: LCS）を 利 用 し た X 線 源 の 開 発 を 行

開発計画の一部であり、常電導加速器による LCS

6

高輝度光子ビーム源開発室ニュースを利用したＸ線源の開発、および今年度に行う超ノイズの影響が減るため、さらに鮮明な画像を撮

伝導加速器での LCS によるＸ線生成実験のためることができると期待される。

の技術開発を担当している。この加速器では今ま

このためにビームラインの改修、および新しいでにレーザー光共振器を用いたＸ線生成実験を行

光共振器の導入を計画している。加速器側ではってきており、電子ビームとレーザーの衝突技術

装置全体の小型化に向けた開発として、新しくや、そのためのモニター開発、Ｘ線検出器の開発

3.6cell RF 電子銃、12cell ブースターを導入し加を行ってきた。また最終年度では、さらに加速器

速器部分の小型化を試みる。また、Ｘ線生成部でやレーザー光共振器のアップグレードを行い、常は、現在使用している 2 枚ミラーの光共振器の電導加速器でのＸ線イメージングのためのＸ線源

代わりに、新たに 4 枚ミラー平面光共振器を導の開発を行う。

入する。これらの改修により生成Ｘ線数を 1000

現在の小型電子加速器はフォトカソード RF 電子倍以上にすることを目標としている。このよう

銃、加速管、Ｘ線生成部から成り、この RF 電子に LUCX では、常電導加速器でのＸ線イメージン

銃で生成したマルチバンチ電子ビームは、その下グのためのＸ線源の開発を最終年度に予定してい流の加速管で 30~40MeV まで加速され、Ｘ線生る。本稿では、そのためのアップグレード計画に成部にあるレーザー光共振器内のレーザーパルス

ついて報告する。

と衝突し、LCS によってＸ線を生成する（図 1 上）。
昨年秋、この加速器において LCS によるＸ線

新ビームライン
新ビームラインへの改修はＸ線数を増強する為

イメージング試験を行い、IC や魚の骨などのＸ[1]線イメージの取得に成功した 。また吸収イメー

および加速器を小型化するために行う。Ｘ線増強

ジの他に屈折コントラストによるイメージも取得のため、新しいレーザー共振器を導入することで、できた。これはＸ線源のサイズが小さく品質の高15 倍にレーザーパルスエネルギーを上げる。まいＸ線が生成できていることを示している。

た電子ビームはバンチ数を 10 倍の 1000 バンチにすることを目指す。さらにシケイン取り外しによ現在の目標はＸ線数を増やして、この時間を8短縮することである。今回の撮影では合計 10 個

りエミッタンスの向上を図る。そして加速器の小のＸ線を照射しており、1 回のマルチバンチ電子型化のため、3.6cell RF 電子銃および 12cell ブー

4ビームとの衝突でのＸ線生成数が 10 個と低いた

スターへの交換およびシケインの取り外しによりめ、撮影に 2 時間ほどかかっている。生成Ｘ線

加速器部分のサイズを現在の 5.7m から 2.5m ま

数を増やすことで、この時間を短縮し、最終的にでと約半分に小型化する。これで 30MeV までビは１回の衝突で X 線イメージを取れるようにすーム加速することを目指す。

るのが、今回の目標である。またＸ線数が増える

新しいビームラインの加速部分は 3.6cell フォト

ことで信号とノイズの比（S/N 比）が大きくなり、

カソード RF 電子銃、12cell ブースターで構成さアップグレード前

2枚ミラー光共振器

Q
B

Q

1.6cell
rf-gunQ
12cell booster

3.6cell
rf-gunB
Q

Q

Q

e- beam

衝突点

アップグレード後

B

Q

B

Chicane3m S-band accelerator

B

B

Q

Q

4枚ミラー平面光共振器

Q: 四極電磁石 B: 偏向電磁石1m

図 1 ： アップグレード前後のビームライン

7高輝度光子ビーム源開発室ニュース

電子ビーム

図 2 ： アップグレード後のビームラインの 3Dれ、その下流のＸ線生成部に 4 枚ミラー平面光共振器を設置する。このビームラインが図 1 下及び
図 2 である。この RF 電子銃で電子ビームを生成
し 10MeV まで加速、その後の 12cell ブースター

RF Input
Waveguide

Cathode plug

CathodeCs2Te

でさらに 30MeV まで加速する。そして、光共振器内のレーザーパルスと電子ビームを衝突させて

e- beamLCS によりＸ線を生成する。電子ビームは直後のUV laser(266nm)偏向電磁石で曲げられ、Ｘ線のみを Be 窓を通し
Tunerて大気中に取り出す。
このビームライン改修での変更部分は RF 電子
銃および加速管の交換、シケインの取り外し、4100mm

図 3 ： 3.6cell RF 電子銃

枚ミラー平面光共振器の導入である。ここからはこれら各部分について説明していく。
・3.6cell フォトカソード RF 電子銃
セル数を増やすことでエネルギーを上げるた
め、1.6cell RF 電子銃を 3.6cell RF 電子銃に交換する。これでビームエネルギーを 5MeV から 10MeVまで引き上げる。これにより下流の 12cell ブース
ターのエネルギー利得である 20MeV と合わせて目標である 30MeV のビームを生成することができる。LCS で生成するＸ線は電子ビームのエネル
ギーに依存しており、目標の 15keV のＸ線を生成するには 30MeV の電子ビームが必要となる。
図 3、図 4 が 3.6cell フォトカソード RF 電子銃
であり、表 1 がそのパラメータである。空洞は滑らかなカーブで構成されており、ここに高周波を満たすことで加速電界を作り出す。この内部の

8

図 4 ： 3.6cell RF 電子銃の写真
表 1 ： 3.6cell RF 電子銃のパラメータ
Frequency (π-mode)
Q value
Coupling βFilling time
R/Q
Mode separation (π-2π/3)2856 MHz
15000
0.99
0.84µs395Ω
2.8 MHz高輝度光子ビーム源開発室ニュース

カソードに紫外レーザーパルス光を照射すること

このブースターの空洞は 12cell あるため、12で光電効果により電子ビームを生成し、その後個のモードがあり、加速に使用する π モードとの空洞で 10MeV まで加速する。電子ビームはレ

他のモードの差を広げるため、アイリス部の直ーザーパルスと同じ時間構造で生成されるため、径を広げ、厚さを薄くしている。こうすることで1000 パルスのレーザーパルス列を照射すること

Mode separation を広げている。2 次元高周波電で 1000 バンチのマルチバンチビームを生成する

場計算コード Superfish[2] で計算した各モードのことが出来る。バンチ長もレーザーのパルス長と周波数は図 6 のようになっており、π モードと隣のほぼ同じになる。このようにフォトカソード RF

10π/11 との差は 1MHz となっている。エラーバ

電子銃を用いることで、容易にマルチバンチを生ーはピークから 3dB 下がった時の周波数を示して成でき、さらにバンチャーも不要なため装置をコおり、この周波数差で充分離れているのが分かる。

ンパクトにすることができる。
カソードには半導体である Cs2Te を蒸着してある。これは入射したレーザーパワーに対してどのくらい電子が生成できるかを示す量子効率が銅な

RF Input
Waveguide

どの金属より 2 桁以上高く、同じレーザーパワー
でより高い電荷量の電子を生成できる。マルチバ
ンチビームを生成する際には入射するレーザーパルス増幅の負担を減らすことができる。ただし、放電やそれによるガス放出などにより劣化して量子効率が下がることもある。場合によってはカソードを交換する必要が出て来る。このため、図 3のカソードプラグの部分は引きだして新しいもの

100mm

図 5 ： 12cell ブースターに交換できるようになっている。
この 3.6cell 電子銃への交換は、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、現在ビーム試験を行っている。これまでに 9.6MeV の電子ビーム生成に成功しており、このときのカソード上の電界強度は 96MV/m にな

表 2 ： 12cell ブースターのパラメータ
Frequency (π-mode)
Q value
Coupling β
ZshuntR/Q2856 MHz
19000
1.0
57MΩ/m2.8 Ωっている。まだ放電頻度が 10 分に 1 回と高いため、
エージングを行いながらビーム調整を行っている。
・12cell ブースター
3m の進行波型の S-band 加速管から約 1m の
12cell ブースターへ交換し、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20MeV であり、入射ビームは 10MeV であるので、
加速後 30MeV のビームとなる。
図 5 が 12cell ブースターであり、表 2 がそのパラメータである。空洞の構造は今までの技術の蓄積を元にしており、3.6cell RF 電子銃とほぼ同じものになっている。中央部分のセルから高周波を入力し、空洞内に充填されている高周波電界により電子ビームを加速する。内部の電界分布の対称性を良くするため、電子銃と違い入力ポートは 2
つのダブルフィードになっている。

図 6 ： Superfish で計算した各モードの周波数9高輝度光子ビーム源開発室ニュース

・4 枚ミラー平面光共振器
新たに導入する４枚ミラー平面光共振器は、光共振器内に蓄積できるパワーを制限していたミラーダメージを避けるため、共振器長を伸ばしてミ
ラー上のサイズを広げる構成になっている。今までの光共振器ではミラーのダメージ閾値で蓄積するパワーが制限されていた。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。

図 7 ： 12cell ブースターの周波数測定時の写真

この光共振器は各々 2 枚の凹面ミラーと平面ミ
このブースターは製作中であり、夏までの完成

ラーで構成されており、同一平面上にこれら 4 枚を予定している。現在は空洞の加工中であり、図のミラーを配置している。図 8 が 4 枚ミラー平面

7 の写真は加工途中の空洞を組み上げて周波数を光共振器であり、表 3 はそのパラメータである。

測定している様子である。今後は最終調整加工、共振器を大型化したため、この周長は 7560mm

ロウ付け、外装品の溶接と進めていく。

に伸び、10 個のパルスが共振器内に蓄積される。

・シケインの取り外し

ミラーの反射率は入射部のミラーが 99.7%、他はRF 電子銃下流のシケインを取り除き、スペー

99.99% で、Finesse は 2000、増大率は 1000 倍とスの短縮およびエミッタンスの向上を図る。これなっている。これらの値は低めに抑え、安定性重は RF 電子銃内のカソードへ紫外レーザー光を正視の設計となっている。これは光共振器へ入射す面から（カソードに垂直に）入射するために設けるレーザー光を増幅するバーストモードを使用すられた。ただし、シケインを作るため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し、ビームライン上に設置した穴空きのミラーで側面から入射したレーザー光を反射し、カソードへ入射する。電子ビーム
はこのミラーの穴を通過する。レーザー光の入射角度は正面入射の時と比べて約 1°の角度が付く。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。

図 8 ： 4 枚ミラー平面光共振器

表 3 ： 4 枚ミラー平面光共振器のパラメータ10

周長

Waist (2σ)(H × V)

ミラー上のサイズ (2σ)(H × V)

Curvature

凹面間距離

7.56m

109μm × 50μm

2.92mm × 6.4mm

ρ=1.89m × 2, Flat × 2

1.8928235m

波長

パルスエネルギー

Finesse

反射角 = 衝突角

パルス長1064nm6mJ/pulse

2000 (with Burst)

6deg

7ps

高輝度光子ビーム源開発室ニュース

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 420mm から 1893mmと長くなったことで、ミラー上のレーザーサイズ（２σ）は 1.1mmφ から 2.92mm × 6.40mm(H×V)と面積が 15.4 倍になり、その分、ミラー表面を

衝突点のビームサイズ: (σx, σy) = (33μm, 33μm)
衝突点

破壊せず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。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、その分パワーロスで反射率が下がるのと同じになるためである。設計上、蓄積

図 9 ： SAD で計算した電子ビームのオプティクス

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 6mJ/pulse となる予定である。

の電子ビームサイズ (1σ) は 33μm となっている。

衝 突 点 で の ウ ェ ス ト サ イ ズ（2σ）は 110μm×

その他の場所でもビームサイズは 3mm 以内にな50μm(H × V) となっており、偏平になっている。
STF で使用する光共振器のように平面ミラーをわずっているのが分かる。
またＸ線数増大のため、電子ビームのバンチ数は[3]

かに歪ませることで、これは丸くできる 。今回は製

前回実験時の 100 バンチから 1000 バンチへ増や作期間が限られているので、偏平のままとしている。

す。これには加速電界を作る高周波のパルス幅を電子ビームとの衝突角度は 20°から 6°となり、

4μs まで伸ばす必要があり、3.6cell RF 電子銃の方より正面衝突に近づけている。これにより、約３は現在そのためのエージングを進めている。表 4 に倍のＸ線数の増加が見込める。

アップグレード後の電子ビームのパラメータを示す。

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

X 線生成

3 軸の位置を調整できるムーバー架台上に乗って今回のアップグレードでＸ線数を前回実験時のおり、下流側の２枚のミラーにはそれぞれ 3 軸の約 450 倍にすることを目標としている。電子ビ

位置および 3 軸の角度が調整できるヘキサポッドームを 1000 バンチにすることで 10 倍、レーザに乗っている。これらを調整することでレーザー

ー光共振器に蓄積するパワー増加で 15 倍、衝突の位置を調整できるようになっている。

角度を 6°へと正面衝突に近づけることで約 3 倍・新ビームラインでの電子ビームのパラメータのＸ線数増加を見込んでいる。予想Ｘ線数は表[4]

Strategic Accelerator Design(SAD) により新ビ

3、表 4 に出ている電子ビームおよびレーザーのームラインでの電子ビームの光学系を計算した。衝パラメータを用いて、モンテカルロシミュレー

突点で電子ビームを絞り、ビームロスを防ぐため

ションコードである CAIN(Conglomérat d'ABEL et

ビームライン全体でのビームサイズを 3mm 以下にd'Interactions Non-linéaires)[6] を使って計算した。

抑えることを目標に計算した。初期値の Twiss パラ

Ｘ線イメージング用の検出器に入る予想Ｘ線数

メータは General Particle Tracer(GPT)[5] で計算したは 1.7 × 107 photons/train となり、エネルギー幅ものを使用している。仮定している Emittance は(FWHM) は 15keV を 中 心 と し て 10% と な っ た。

5π mm mrad でビームエネルギーは30MeV である。

LCSで生成された全Ｘ線数は1.6×108 photons/train

図 9 が計算したオプティクスであり、衝突点でとなる。これらの数は 1000 バンチのマルチバン

表 4 ： 電子ビームのパラメータ
エネルギー

ビーム強度

バンチ数

ビームサイズ (1σ)(H × V)

バンチ長

繰り返し

バンチ間隔

30MeV

0.4nC/bunch

1000 bunches

33μm × 33μm

10ps

12.5Hz2.8ns

11

高輝度光子ビーム源開発室ニュース

チ電子ビームのトレインと衝突したときに生成される数である。図 10 が CAIN で計算したＸ線のエ
ネルギー分布である。検出器は衝突点から約 2.4m
下流の位置に設置してあり、20mmφ の鉛コリメータがその直前にある。よって 4.2mrad 以内に入るＸ線数を検出器に入る数とした。図 10 の青線
が 4.2mrad 以内に入るＸ線のエネルギー分布で、この結果から最大 16keV、エネルギー幅 (FWHM)
が 10% とした。前回と同じＸ線イメージを撮る
場合、合計で 108photons のＸ線を照射したので、
このＸ線数であれば 10 ショットで撮影可能とな

図 10 ：CAIN で計算したＸ線のエネルギー分布。 赤線は生成Ｘ
線の全てのエネルギー分布、 青線は 4.2mrad 以内のものだけ取り出した時のエネルギー分布

り、前回の 10000 ショットから比べると 1/1000になる。さらに、実際ミラー破壊が起こったときになる予定である。3.6cell RF 電子銃は既にインのレーザーパルスエネルギーは約 2mJ/pulse と前ストールされ、現在ビーム試験中である。今後

回実験時の 0.4mJ/pulse の 5 倍なので、この分さ1000 バンチのマルチバンチビーム生成を目指す。

らにレーザー強度を上げられる可能性がある。S/

また、12cell ブースターは製作中で夏前に完成予N 比が大きくなり、ノイズの影響が減ることも合定である。そして 4 枚ミラー平面光共振器は現在わせて考慮すれば、1 ショットのＸ線照射で撮影設計中である。それぞれ秋には準備が出来る予定

することも期待できる。

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線数を達成すれば、より空間分解能の高い検出器もまとめと今後
Ｘ線数を増強することで、より鮮明な画像を取得し、そして最終的には 1 ショットで撮影できる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。

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計画しており、アップグレード後の予想Ｘ線数は、イメージング用の検出器に入る数で 1.7 × 107photons/train となる。この時のＸ線のエネルギーは 15keV、エネ
ルギー幅は 10%(FWHM) となる。電子ビームの繰り返しを 12.5Hz とすると、2.1 × 108photons/sec
・10%BW となる。このＸ線数になれば 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は秋

参考文献[1] 坂上和之 , 福田将史 , 高輝度光子ビーム源開発室ニュース
Vol.7.
[2] J. H. Billen, L. M. Young, “POISSON/SUPERFISH” ,. LAUR-96-1834.
[3] H. Shimizu et al., Proceedings of IPAC2011, pp1470 1472.
[4] K. Hirata (CERN Report No. 88-04, 1988), SAD: http://accphysics.kek.jp/SAD/.
[5] M.J. de Loos, S.B. van der Geer, Proceedings of EPAC
1996, p. 1241, GPT: http://www.pulsar.nl/gpt/index.html.
[6] P. Chen et. al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 355,
107(1995), CAIN: http://lcdev.kek.jp/~yokoya/CAIN/.

Acknowledgments

This News is supported by Quantum Beam Technology Program of the Ministry of Education,
Science, Sports, Culture and Technology of Japan (MEXT).

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