小型・高品質電子ビーム発生装置マイクロトロン
長谷川大祐、山田廣成㈱光子発生技術研究所（http://www.photon-production.co.jp/）
１．はじめに弊社が開発した最大エネルギー20MeV のマイク㈱光子発生技術研究所は「みらくる」という名のロトロンは発生電流値が最大 150mA であり、卓上型放射光発生装置を製造・販売する会社です。 400Hz の繰り返し運転を長時間行っても問題が有「みらくる」は赤外線、軟Ｘ線、硬Ｘ線といったりません。電子蓄積リングの入射器としては幅様々な光を発生する低エネルギー電子を用いた1μs のパルスビームを発生します。またエネルギ

完全円形で世界最小の電子蓄積リングです。蓄積ー分散が１％以下と低いのが特長です。2MeV のリング内の電子軌道中に極微小ターゲットを置マイクロトロンならば、500mA の発生が可能です。

き、高輝度のＸ線を発生します。ターゲットのサ大きさは、10MeV ならば、外径 60cm と小型です。

イズでＸ線の焦点サイズが決まるため、高エネル

このマイクロトロンの特長を活かし、滅菌・殺ギーＸ線を用いて極めて精細なＸ線画像を撮る

菌用に平均出力 50 kW、電子エネルギー10 MeV、ことができます。原子力発電所や工場のプラント

パルス幅 5μs、繰り返し 10kHz の電子線照射装置

施設の配管を数μm という高精度でＸ線非破壊検を提供します。冷却能力を上げる必要が有ります

査することが可能です。

が、加速空洞のＱ値が非常に大きいことと、加速この「みらくる」の入射加速器に用いている電効率が高いことにより、それほど大きな熱の発生子線加速器がマイクロトロンです。弊社のマイクは無いと考えられます。本稿では、弊社マイクロロトロンは小型かつ高性能な電子線加速器です。 トロンの加速原理とその特長、他の電子線照射装マイクロトロン型の加速器は、図 1 に示すように、 置との比較を述べます。
電子銃で発生した電子を一様な磁場中で周回させながら、加速空洞を通過する毎に一定エネルギ２．マイクロトロンーを追加して行く加速装置です。加速された電子

弊社のマイクロトロンのラインナップは 1～20

は、所定のエネルギーに達すると、磁気遮蔽されMeV です。エネルギー分散が 1 % 以下で最大ビた取出し管から装置外部へ取り出されます。

ーム電流が 100 mA 以上と高輝度です。エネルギ
ー分散が低いために、集束磁石により 100μm 程度の焦点サイズが容易に達成できます。さらに
20 MeV、100 mA の装置であっても装置外径が 1.3m と従来の装置に比べ小型です。6～10 MeV タイ
プでは磁石外径が僅か 65 cm、1 MeV タイプでは25 cm 四方です。従来のマイクロトロンをご存知の方には、100 mA 以上のビームを出すのは不可能だと思われるかも知れませんが、次のような従来のマイクロトロンには無かった特長を持っているためにそれが可能となりました。
２．１

図１ 電子銃内蔵型マイクロトロンの概略イメージ。電子は一様磁場中を周回し、加速空洞で加速され、所定のエネルギーに到達すると取出し管から出力される。

電子銃内蔵型マイクロトロンの特長

弊社のマイクロトロンは Kapitza 型と呼ばれるもので、電子を加速する加速空洞に電子銃を内1蔵しているのが特長です。いわゆる RF 電子銃と波加速空洞で加速する装置です。図１に示したよなっており、電子銃から引き出されるビームのエうに、周回する各軌道は加速空洞の位置で接するミッタンスとエネルギー分散を低く抑えること円軌道になります。電子の周回運動と加速高周波ができます。加速空洞で発生する 1MV という高いが同期するためには、n ターン目の周回運動の周加速電圧で、電子を一挙に引き出すために、非常期 Tn が高周波の周期 Trf の整数倍である必要があにエミッタンスの低い電子ビームが生成されまります。n ターン目での質量を mn とすると、周す。LaB６を 2000 度に加熱して引き出すエミッシ

期 Tn は、ョン電流値は、1A 以上を容易に達成できます。

Tn = 2πmn/eB0となり、上記の条件 Tn = nTrf から、磁場がかかっている加速空洞内で折り返して出てくる 1MeV 電子の電流値は、500mA です。そのnTrf = 2πmn/eB0

後電子は、周期的に加速空洞を通過し、4MeV でとなります。加速空洞で１回あたりに加速されるは 150mA まで減衰しますが、それ以上の減衰は有エネルギーをΔE とすると、このときの電子の質りません。20MeV でも 150mA を取り出すことがで量変化はΔm = ΔE/c2 なので、きます。この結果、ビームのエネルギー分散は 1 %mn = nΔmとなり、以下で、加速効率は 35 % を達成します。
磁場中を周回しながら電子を加速するため、磁Trf = 2πΔm/eB0

場の調整で加速位相の同期を容易にとることがの関係が得られます。

出来ます。言い換えれば、弊社マイクロトロンは実際に弊社のマイクロトロンでは、図１のようライナックにおけるプリバンチャ・加速管・α電な単一の加速空洞を用いるので、１回に加速でき磁石をひとまとめにしたようなハイブリッドなるエネルギーは電子の静止エネルギー0.511 MeV加速器といえます。極めてシンプルな構造で、電またはその２倍の 1 MeV にしています。RF 電場子エネルギーの選別を行い、選別された電子のみで引き出すことの出来る最大電流値は、を加速します。従来のマイクロトロンでは、空洞Child-Langmuir の空間電荷制限電流式の外部にある電子銃で電子を発生して加速する

jsc = 2.33 x 10-6 (V3/2/d2)
で決まりますので、電流密度 30 A/cm2 のビーム方法が取られていました。入射の共鳴条件を作るために、磁場を強くすることが出来ませんでした。 を引き出すためには 500 kV 以上の電圧が必要とそのため従来の 20 MeV のマイクロトロンでは装なります。従って、我々のマイクロトロンでは、置直径が 3 m 近くあり、ビーム電流も 10mA 程度

電子銃の集束力と十分な引き出し電流を得るたでした。それに比べて Kapitza 型マイクロトロン

めに、加速電圧を 1 MeV に選んでいます。これ

では電子銃を空洞に内蔵しているので、装置の小が電子銃内蔵型マイクロトロンで低エミッタン型化とビームの高輝度化が達成されます。さらに、 スの大電流電子ビームを発生できる理由です。従従来の Kapitza 型が 80mA 程度の電流値を発生し来の静電型電子銃では、電子の引き出しに、500ていたのに対して、独自の工夫を凝らしたことにkV 以上の負の高電圧をかけますので、電子銃をより、120～150mA まで向上させることができま

高圧で浮かせなければならないというやっかいした。弊社のマイクロトロンは、高エネルギーリな問題もあります。電子銃を加速空洞に内蔵してニアックの前段加速器としても有意義です。

いるマイクロトロンではその必要がありません。

２．２

我々のマイクロトロンが軽量小型であるもう一マイクロトロンの動作原理

マイクロトロンは、時間的に一定で一様な磁場つの理由がここにあります。負の高電圧が必要有

B0 中を電子が周回しながら、一定周波数 f0 の高周りませんから、実に使い勝手の良い、メンテがし2やすい装置になっています。

子は位相φとエネルギーE がφs と Es のまわりを振２．３動することになります。すなわち、同期位相から加速位相の安定性外れた電子も同期電子のエネルギーからあまり電子銃を出た後、電子は磁場中を周回しながらかけ離れることなく安定に加速されることにな

加速空洞を通過する毎にΔE = eVsinφります。そのためマイクロトロンは、ライナックで加速されます。ここでφは高周波電圧の位相でに比べて低エネルギー分散でありながら加速効す。各ターンの中心軌道に沿って加速する同期位率が高くなるのです。

相をφs とすると、同期位相にあるときのエネルギ

さらには、加速空洞がライナックと異なり１セー増加率はルですから、高いＱ値を有する加速空洞の製作がΔEs = eVsinφs

容易だということも重要です。空洞を作るのに特となります。上式で周回する電子が加速空洞を通殊技能を必要としません。共振周波数の調整も至過すると、次に空洞を通過する位相はφs になり、って簡単です。マイクロトロンは、大量生産に向加速と同期します。一方、同期位相より進んでいいた装置であると言うことができます。

る（φ < φs）電子の運動を考えると、空洞を通過するとき受けるエネルギーΔE は同期する電子が３．マイクロトロン型電子線照射装置

受け取るΔEs より大きいので、同期する電子のエこの様に弊社のマイクロトロンは小型で高性能

ネルギーEs より大きくなります（図２(a)参照）。

な電子線加速器ですから、10 MeV で 50 kW の電磁場が時間的に一定で一様なので、エネルギーの流を発生することにさして問題はありません。単高い電子は大きな半径の軌道をとるので、次に空に加速空洞の冷却効率を上げるだけだと考えて洞へ到達するときには位相がφs に近づきます。位下さい。ライナックからの類推でマイクロトロン相がφs を越えるとΔE < ΔEs となりますが、エネルを評価するのは危険です。また、電子線照射装置

ギーが E < Es となると再び位相φが進みはじめまとして 50kW は不十分だと考える方がいるかも知す。図２(b)に示すような位相とエネルギーの関れません。ところが、装置が小型であるために、係をφ − E 平面に描くと、同期条件から外れた電図３に示すように、必要に応じていくらでもマイクロトロンを追加するという解が生まれます。複(a)数台をタンデムに並べて電子照射サービスを行えば、照射荷物の増減に応じて、稼働するマイクロトロンの数を変えて、経費の削減が出来ます。
あるいは、照射サービスを休むことなく、一台ずつメンテを行うことが可能となりますから、大変(b)効率の良い経営ができると考えられます。
現在利用されている滅菌・殺菌用の電子線照射装置にはロードトロン、静電型、あるいはライナックがあります。ロードトロンはビーム出力が最大 200 kW あり大出力ですが、装置本体部の外径が 3 m と大きいため照射施設も大きな物となります。一方、我々のマイクロトロンは 1/5 程の 65 cm

図２ (a)位相安定性の原理と(b)φ-Ｅ平面での軌跡。と小型なので、既存施設の更新を行うのに建家の増改築は不要です。静電型電子線照射装置は電子3エネルギーの上限が 5 MeV であることと、装置本

４．おわりに体が大きくなります。高圧部に電子銃があるため、加速器に対する産業界のニーズは小型化だけ電子銃や加速管のメンテナンスは面倒な作業とでなく高品質・高性能へと移っています。弊社がなります。弊社のマイクロトロンでは電子銃の交提供するマイクロトロンはこのニーズに充分応換が極めて容易です。カセットを取り替えるだけえられる性能を持っていると確信します。国内のの方式になります。ライナックは、構成がシンプ

いくつかの電子線照射施設では装置が老朽化しルなために、従来から産業や医療の分野で広く用ており置き換えが必要な時期に来ていると聞きいられてきましたが、電子を直線的に加速し、エますが、弊社は国内メーカーとして高エネルギーネルギーの選別をしませんので低エネルギー電電子線加速器を提供できる数少ない企業です。大偏向磁石

１０ＭｅＶマイクロトロン

スキャンニングホーン

照射室
図３ マイクロトロンをタンデムに置いた電子線照射ラインのイメージ図。

子も同時に加速することとなり、加速効率は５％手加速器メーカーが加速器事業から撤退して久以下となります。またライナックが電子エネルギ

しく、日本の加速器技術の衰退が懸念される中で、ーと共に長くなるのに対して、円軌道で加速する新しい技術で一歩を踏み出した㈱光子発生技術

マイクロトロンは高エネルギーでも小型に収め研究所に皆様のご指導ご鞭撻のほどよろしくおる事が出来、高エネルギーほど有利になります。

願い申し上げます。

以上の様に、当社のマイクロトロンは、小回り長谷川のきく大パワー装置であり、各地に分散して照射

大祐㈱光子発生技術研究所

サービスセンターを開設するのに適しています。
各地に分散したサービスは荷物の輸送経費を削

山田

主任研究員

廣成

立命館大学理工学部・教授減できるところから、今後の大きなトレンドにな放射光生命科学研究センター長ると思われます。

㈱光子発生技術研究所・ＣＴＯ

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