小型高輝度硬 X 線源開発−（２）S−（２）S バンド線形加速器システム−
平野耕一郎1,A)、野村昌弘 A)、山崎良雄 A)、酒井いずみ B)、高野幹男 B) 、
奥木敏行 A)、明本光生 A)、早野仁司 A)、浦川順治 A)A)高エネルギー加速器開発機構〒305‑0801 茨城県つくば市大穂１−１B)

放射線医学総合研究所〒263-0024 千葉県稲毛区穴川 4 丁目 9−1

概要
高輝度硬 X 線生成とその利用の可能性を実証するため、小型電子蓄積リングと光蓄積装置[1]でレーザーコンプトン散乱により超高輝度硬 X 線源開発を計画している。この入射器として S バンド小型線形加速器を現在製作している。本報告では、マルチバンチ
フォトカソード RF 電子銃[2]及び２本の高加速勾配型加速管を用いたコンパクトな線形加速器で、電荷量2nC/bunch の 20 バンチビーム（2.8nsec bunch spacing）
をビームエネルギー200MeV まで加速して、0.3％のエネルギー拡がりにできる⊿ｆ方式によるマルチバンチエネルギー補正システムについて報告する。

1E-mail: khirano@post.kek.jp

１．はじめにS バンドリニアックは、RF 電子銃及びその高周波源、並びに、２本の加速管及びそれらに RF を供給する高周波源とで構成される。図１に S バンドリニア
ックの構成図を示す。クライストロン出力 RF パワ
85MW、パルス幅 4.5μsec を SLED で５倍以上に増幅させ、400MW 以上の約 1μsec の RF パルスを形成し、２分割して各加速管に供給する。S バンドリニアック
で電荷量 2nC/bunch の 20 バンチビームを 200MeV まで加速する場合、3％程度のエネルギー幅が生じる。
このエネルギー幅が小さいほど、トランスポート系の電磁石の小型化、放射化の低減、ビーム入射の高効率化を行うことができる。そこで、ビームエネルギーを補正するために、図２のように RF 電子銃から出力されるビームの周波数をメインの加速周波数2856MHz に対して⊿ｆ 1.35291MHz 変化させ、各バンチビームの加速位相をわずかずらし、20 バンチビームの後段ほど加速電場が強くなるようにする。これにより、RF パワを最大限利用した状態で、ビームを加速しながらビームローディングによるエネルギー拡がりを補正し、エネルギー幅を 0.3％に低減させる。

２．S
２．S バンドリニアック
S バンドリニアックの主な仕様を表 1 に示す。フォトカソード RF 電子銃は 1.6 セル空洞 BNL タイプである。フォトカソードに Cs2Te を使用し、励起光としてモードロック Nd:YVO4 レーザーの 4 倍高調波を使用する。加速管は 33MeV/m の平均高加速勾配で運転可能な長さ 3m の定加速勾配型進行波加速管を採用する。
S バンドクライストロン電源には、インバータ方式の直流電源からパルス変調器に電力を供給させ、パルストランスで 1:16 に昇圧させるコンパクトな電源システムを採用する。加速管、S バンドクライストロン、集束コイル及び立体回路の冷却には、30.0±0.1℃の恒温度冷却水を使用する。
表1S バンドリニアックの主な仕様
加速管 RF 周波数2856MHz

RF 電子銃 RF 周波数2857.35291MHz

加速管出口ビームエネルギー

200MeV

バンチ長6psec

バンチ間隔

2.8nsec

電荷量2nC/bunch

バンチ数

20

ビームマクロパルス幅

56nsec

最大繰り返し12.5pps

ビームパワ

100W

規格化エミッタンス

10πmm・mrad

クライストロン RF 出力電力

85MW

クライストロン電源パルス幅

7.5μsec

クライストロンＲＦパルス幅

4.5μsec

SLED 出力パルス幅

1μsec

３．タイミングシステム
３．タイミングシステム
電子蓄積リングを含めた S バンドリニアックのタ
イミングシステム[3]を図３に示す。シグナルジェネレータから基準信号 1428.67646MHz を出力し、2 逓倍した周波数 2857.35291MHz を RF 電子銃に用いる。
基準信号の 2 分周信号 714.33823MHz を電子蓄積リン グ の RF 周 波 数 と し て 用 い 、 4 分 周 信 号
357.16911MHz を RF 電子銃用レーザーの入力信号及びタイムディレイモジュール（TD4）のクロック信号として用いる。RF 電子銃用のクライストロンやキャビティ等は既存コンポーネントを利用することを考えているため、RF 電子銃の周波数は 2856MHz から1.5MHz 程度の離調範囲とした。RF 電子銃から出射される 2.8nsec 間隔の 20 バンチビームはミクロパル
ス幅 10psec のレーザーをミクロパルスの繰返し357.16911MHz、マクロパルス幅 56nsec でカソードに打ち込むことによって作り出される。電源ラインに同期させたライン同期モジュールの出力信号は TD4を用いて 357.16911MHz に同期をかけてジッターを低減させる。RF の繰返しは 12.5Hz に固定し、レーザーのマクロパルスを 12.5/2ｎ Hz (n=1〜3)の範囲内で変化させることによってビームの繰返しを調整する。
電子蓄積リングの Harmonic number が 66 の場合、Revolution frequency は 10.82331MHz である。この 8分周信号 1.35291MHz はライン同期モジュールから出力されるリニアック及びリングの各機器の同期信号として用いるため、リニアックで加速したビームは電子蓄積リングへ入射できる。1.35291MHz は４N分周器で 357.16911MHz を 264 分周させて作る。SSBジ ェ ネ レ ー タ [4] を 用 い 、 2857.35291MHz と1.35291MHz とを合成し て、加速 管の 加速周 波数2856MHz を作る。

４．ビームエネルギー拡がりの補正
４．ビームエネルギー拡がりの補正れる。ビーム入射タイミング調整によるエネルギー補正方法は容易であり、補正されたエネルギー幅は⊿ｆ方式の 1/5 以下になるが、200MeV 以上のビームエネルギーを得るにはクライストロン出力電力に十分な余裕がない。⊿ｆ方式の場合のエネルギーゲインはビーム入射タイミング調整の場合のエネルギーゲインより 1 割以上高い。このため、⊿ｆ方式によるエネルギー補正はパワを有効利用しながらエネルギーを補正できるシステムであるといえる。

SLED[5]は SLAC のリニアックのエネルギー増強に採用されたパルス圧縮法の一種である。 クライスト
ロン出力電力 85MW は、SLED 結合係数 4.5、SLEDのフィリングタイム 2.026μsec の時、t１=3.5μsec の間、SLED 空洞内に蓄積される。SLED 空洞から放出される RF 電力は 180°位相反転制御により 400MW以上に増幅され、その後減衰しながら出力される。
幅１μsec の右肩下がりの RF 電力は分配器で２分割され、加速管に投入される。加速管のエネルギーゲインは t１から加速管のフィリングタイム Ta までの間、 表 2 ビームエネルギー補正結果
図 4 のように増加して 4.33μsec (t２=t１+Ta) の時に最Pkly (MW)8560大となる。ここで、Q 値 13000、減衰定数 0.57 の特性を有する加速管のフィリングタイム Ta は 0.83μtbeam (μsec)
4.27 3.97 4.27 3.91sec である。加速管内の電界は郡速度の積分から求め⊿ｆ(MHz)0 1.35 0
0 1.35 0られる波の伝播時間を用いて与えられる。伝播時間を考慮すると、加速管内に不連続電界が発生する。
Vacc(MeV/structure) 122 118 107 102 99 86
この不連続電界の位置を考慮し、時間帯（t1<t<t2）間エネルギー幅(％) 3.3 0.22 0.04 3.9 0.33 0.04で加速管内の電界を加速管長 3m で積分して加速管[6]１本当たりのエネルギーゲイン を図 4 のように求めた。また、RF 電子銃から出力される幅 56nsec のマ５．まとめ
ルチバンチのビーム電流 714.3mA は一定として、過小型高輝度硬 X 線源の入射器として S バンド小型渡的なビームローディング[7]を求めた。
線形加速のシステム検討を行った。２本の高加速勾
Pkly=85MW 及び 60MW の場合、１本当たりのエ配型加速管を用い、電荷量 2nC/bunch の 20 バンチビ
ネルギーゲイン Vacc 及びビームの入射タイミングー ム （ 2.8nsec bunch spacing ） を 加 速 し た 場 合 、tbeam=4.27μsec 時のビームローディングを考慮した
1.35291MHz の⊿ｆ方式によるエネルギー補正を行
エネルギーゲインを図 4 に示す。このとき、f１と f2うと、ビームエネルギー200MeV 以上でエネルギー幅の周波数差⊿f＝1.35291MHz によって作られる図 20.3 ％が得られる。RF 電子銃から出力されたマルチに示す補正曲線を用いて、ビームローディングによバンチビームを安定に加速させることが課題である
るエネルギー拡がりを補正する。また、ビームの入ため、今後はビーム電流の安定化及び補正方法を含射タイミングを変化させ、エネルギーゲインの傾きめた検討が必要である。
を利用してビームエネルギーを補正する。これらのビームエネルギー補正結果を表２に示す。⊿ｆ方式
６．謝辞によるエネルギー補正を行う場合、クライストロン
出力電力が 60MW 以上あれば、加速管１本当たりのエ加速器のシステム検討に関し、KEK、ATF グループ
ネルギーゲイン 99MeV 以上で 0.3 ％以下のエネルギの方々の協力に感謝します。エネルギー補正方法にー幅が得られる。RFGUN を含めた加速器全体では、関し、早稲田大学の柏木先生に協力頂きました。ク
200MeV 以上のビームエネルギーが得られると推測さライストロン等の検討に協力頂いた KEK の福田茂樹先生及び松本利広先生に感謝します。この研究開発は放医研・先進小型加速器計画として進めているもので、本推進委員会のご理解に感謝する。

参考文献[1] 野村 他, “小型高輝度硬 X 線源開発−（３）小型電子蓄積リング及び光蓄積装置 ，第 27 回リニアック技術研究会,7P-6,2002.
[2] 山崎 他, “小型高輝度硬 X 線源開発−（１）マルチバ
ンチフォトカソード RF ガン ，第 27 回リニアック技術研究会,7P-51,2002.
[3] 内藤 他, “ATF のタイミングシステム ，第 21 回リニアック技術研究会,1996, pp.171-173.
[4] Edited by F.Hinode et. al., “ATF Accelerator Test Facility
Design and Study Report”, KEK Internal 95-4, June 1995
A, pp.4-39.
[5] 設楽 “高周波源”, OHO’90, 1990, Ⅲ8-10.
[6] Z. D. Farkas et. al., “SLED: A METHOD OF DOUBLING
SLAC’s ENERGY”, SLAC-PUB-1453, Jun 1974.
[7] 竹田 他“高周波源”, OHO’95, 1995, Ⅲ18-20.