Evaluation of 3.95MeV and 950keV X-ray source based on 9.3GHz X-band linac
Katsuhiro DOBASHI∗ , Mitsuru UESAKA, Ming JIN
Nuclear Professional School, School of Engineering University of Tokyo
22-2 Shirakata-shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki 319-1188, JAPAN
Joichi KUSANO, Naoki NAKAMURA, Masashi YAMAMOTO
Accuthera Inc.
2-7-6 Kurigi, Asaoku, Kawasaki-city, Kanagawa 215-0033, JAPANAbstract
X-ray source based on 9.3GHz X-band linac with magnetoron is under developing. 3.95 MeV X-ray source is aim tonon destructive testing (NDT) for concrete bridges.950 keV X-ray source is aim to NDT for plumbing of chemical plants.
NTD for steel bridge is also possible by our 950 keV X-ray source. The accelerating structures of new X-band linac arechanged to side coupled, because of the beam of ole 950 keV linac with axial coupling accelerating structure is not sostable. Stable and intense X-ray is generated by those X-ray sources.

9.3GHz X バンド 3.95MeV, 950keV ライナック X 線発生装置のビーム性能評価
1 . はじめに2.

昨今の社会的要請として大型構造物の複雑化・老朽化に伴い、そのメンテナンスが重要な課題となってきた。
橋梁や大型プラントなど人工物の寿命延長・保全・品質確保のため、構造物の亀裂や減肉検査、支柱等の腐食検査などには検査に伴う莫大な費用が発生している。
その最たる例として、鹿島石油化学コンビナートでは、配管の外面腐食が問題となっている。特に鹿島のコンビナートの場合は海が隣接し 、厳しい塩害のために他地域に比べて塔や配管の外面腐食が激しく、メンテナンス上の課題となっている。メンテナンスは塔や配管の内面の減肉量から寿命を予測し 、計画的に実施されているが、外面腐食に関しては、仮設足場の設置、保温材の撤去、プラントの停止など多大な費用が発生する。特に最近発生している外面腐食は保温材破損部での発生が5%程度であり、大半は外装健全部で発生している。このため、外観からは判断できない保温材下の腐食を感知できる非破壊検査技術の開発が強く求められている。

表 1 に両 X 線発生装置の主な仕様を示す。
電子ビームエネルギー
マグネトロン RF(peak)
最大繰り返し平均ビーム電流X 線強度∗ kdobashi@nuclear.jp

950 keV250 kW
550pps
120µA
50mGy/min

3.95MeV
1.5 MW
200pps80µA
2Gy/min

表 1: X 線発生装置仕様
図 1 に 3.95 MeV X 線発生装置の概略図を、図 2 に
950 keV X 線発生装置の概略図を示す。

また、道路等の橋梁においても、同様の問題が発生している。特に、高度経済性長期に建設されたコンクリー
ト製の橋梁においては内部の様子を把握できないために、内部鉄筋等の劣化が激しいにも係わらず見過ごされることが懸念されている。このため、厚さ 30cm 以上のコンクリート構造物の透視画像を得られるような高エネルギーの可搬型 X 線源の実用化が望まれている。
こういった状況を踏まえ、我々は 9.3GHz のマグネトロンを RF 源とした X バンド ライナックをベースとしたX 線発生装置を開発している。3.95 MeV X 線発生装置(3.95 MeV 機) は、主にコンクリート製の橋梁の非破壊検査を主眼に置いて開発を行っている、また、950 keV X線発生装置 (950 keV 機) は、 化学プラントでの配管の非破壊検査が主な目的であるが、鋼製橋梁の検査も可能であると考えている。

3.95 MEV、950 KEV X バンド ライナック
X 線発生装置装置

X!"# $ %X! " # $ %図 1: 3.95 MeV X 線発生装置
加速管及び X 線ターゲットは X 線ヘッド と呼ばれる筐体に納められている。RF ユニットにはマグネトロンとパルストランスが納められている。マグネトロンに印加する高圧電圧パルスは、制御ラック下部に納められている HV ユニットにより発生され、6 本の RG59 ケーブルを用いて RF ユニットに伝送される。RF は、RF ユニット内のマグネトロンで発生し 、フレキシブル導波管によって X 線ヘッド へとフィード される。

- 1305 -

500
2000

11 . 424GHz Kly . MOD

3 . 95MeV 950keV500 1000 500" #$5 0 mm!

840 1000

Mag . PS

980X!"#$ %図 2: 950 keV X 線発生装置

1800900

6MeV Linac

肝となる RF 源は、950 keV 機にはピーク RF パワー
250 kW の 9.3 GHz マグネトロンを採用した。3.95 MeV機にはピーク RF パワー 1.5 MW のマグネトロンを使用している。
制御ラックには、制御ユニットのほか HV 電源が設置されている。950 keV 機では HV 電源は 1 台であるが 、
図 3: 医療用小型ライナック室全体図
3.95 MeV 機では 2 台を並列に運転する。
冷却水は 、950 keV 機では制御ラックに納められたチラーにより供給される。このため、950 keV 機は、X線ヘッド、RF ユニット、制御ラックの三筐体で構成で ことを主な目的としている。6MeV 機も 1.5MW マグネ
きた。
トロンを RF 源とし 、主に医療応用を目指している。
3.95 MeV 機の冷却水は別筐体の小型チラーにより供0.95 MeV 機、3.95 MeV 機とも、2011 年 2 月末に医給され 、全体で四筐体となった。
療用小型ライナック室に搬入設置された。950 keV 機に
2.1 950 keV X バンド ライナック X 線発生装置一号機 ついては X 線発生装置として使用許可が降りている。
3.95 MeV 機は現在性能評価試験中 (本稿) である。
からの改良点図 4 に現在の医療用小型ライナック室の様子を示す。
我々はこれまでに、950 keV X バンド ライナック X 線
元々11.424GHz 機の伝磁石電源ラックが設置されてい発生装置 (950 keV 一号機) を一台製作し 、試験を行ってた場所に、950 KeV 機と 3.95 MeV 機が陣取っている。
きた。
950 keV 一号機は発振周波数 9.4 GHz 、ピーク RF パ
ワー 250 kW のマグネトロンを用い、加速空洞の構造は同軸カップリングであった。
11 . 424GHz
950 keV 一号機については、ビーム試験においてビーム強度が設計値よりも低く、ビームが適切に加速されていないことが分かった。夏井による数値解析 [1] の結果、ビームと空洞 RF とのカップリング異常によりビーム加速勾配や RF 位相が振動していると推測された。
解決策として、今回は、同軸カップリングではなくサ
3 . 95MeV
イド カップリングの加速空洞を採用することにした。
その他の改良点としては 、全体的に装置を小型集積
950keV化し 、屋外での使用に耐えられるように 3 個ないし 4 個の筐体としたこと、取扱い方法の簡素化、屋外での非破壊検査を想定したターゲットコリメーターの装着などがある。

2.2

医療用小型ライナック室

図 4: 医療用小型ライナック室の様子

地上階には 、、、及び 6MeV
9.3GHz ライナックが設置されている。0.95MeV 機は 250kW マグネトロンをRF 源とし 、主にプラント配管減肉検査 [?] の実験を行っている。また、3.95MeV 機は 1MW マグネトロンを RF源とし 、橋梁コンクリートの非破壊検査 [?] に応用する

尚、6MeV 機は 2010 年 2 月 8 日に、11.424GHz30MeV
機は 2009 年 3 月 9 日に放射線発生装置としての許認可が降りている。

- 1306 -3 . ビーム特性測定試験

3.3 ビームエネルギー測定

X 線強度の測定の前に 、まずはビームの特性を測定した。測定したのは、パルス内ビーム電流値、ビームエネルギー及びビームサイズ (プロファイル ) である。

ビームエネルギーの測定は一般的には偏向電磁石を用いるが 、今回は設置空間などの様々な条件を考慮し 、ビーム取り出し 窓から取り出したビームをアルミニウム板を積層したものに入射し 、アルミニウム内での電子の飛程を測ることにより行った。
アルミニウム板の厚さは 950keV 機と 3.95 MeV 機で50µm 、250µm のものを使い分け、16 枚積層し各々を絶縁した。各々のアルミニウム板にリード 線を取り付け電流を読み出す。電流値は CAMAC の 14bit16ch 電荷積分型 ADC により数値化した。
物質中の電子の飛程からエネルギーを評価するのは、飛程をど う評価するかという点で非常に難しい面がある。エラーがどの程度であるかも、議論の余地がある。
ビームエネルギーが 1 MeV ないし 4 MeV に達するのは法令に違反することになるので、これを下回る範囲で性能を満たす運転パラメーターを探すことが重要である。加速器のビームエネルギー設計値を概ね満たす運転パラメーターを確認することが出来たと考えている。

3.1 パルス内ビーム電流測定
パルス内ビーム電流値の測定は 、他とは絶縁されたターゲットからの電流を直接オシロスコープで観測することにより測定でき、ほぼ想定内のビーム波形であった。一号機で見られたような不安定性は観測されなかった。これにより、サイド カップリング型加速管の有効性が確かめられた。

3.2 ビームサイズ測定
ビームエネルギー及びビームサイズ (プロファイル )の測定にあたっては、本来装着されている X 線ターゲッ
ト及びターゲットコリメーターを取り外し 、ビーム取り出し 窓を持つビームスクリーンチェンバーを取り付けた。測定体系の概略を図 5 に示す。ビーム取り出し 窓はチタン製で 、スクリーンは所謂デマルケストを厚さ0.1mm まで研磨したものである。ビームスクリーンはビーム軸に対し 45 度傾けて設置され、手動によりビーム軸から移動させることができるようになっている。ス
クリーンをビーム軸から外した状態でビーム取り出し窓からビームを取り出すことが出来る。

ス クリーンビーム'り) し +! "#アルミニウ ム 8
9 :;C C Dカメラ
図 5: ビームエネルギー及びビームサイズ (プロファイル ) の測定のための体系
通常運転時は他と絶縁されたターゲットからの電流を測定することが出来るようになっているが、ターゲッ
トを取り外した関係で、ターゲット電流を測定することが出来なくなる。また、ビーム電流モニター (CT) を取り付けるスペースはなかった。
また、スクリーン及びビーム取り出し 窓の熱負荷の関係により、測定は数 pps 程度の低い繰り返しでの運転で測定した。
ビームプロファイルは、スクリーンの発光をテレセントリックレンズ付きの CCD カメラで撮影することにより測定した。
ビームサイズ (FWHM) は概ね数 mm であった。
しかしながら、950 kev 機においては、スクリーンの帯電および放電によると思われる発光が見られ、正しいビームサイズを評価するのは非常に困難であった。
スクリーンの帯電を防止するためにチタン等の薄膜を蒸着することが知られており、このような対策を施してから再度測定すべきと考える。

3.4

高繰り返し運転試験

両機は高い X 線線量を実現するために、200pps 以上の高い運転繰り返し周波数で運転される。
低い運転繰り返しの範囲では 、平均ビーム電流及びX 線線量は繰り返し周波数に比例するが、高い繰り返しでは比例するとは限らない。
考えられるのは、加速空洞の過熱によるデチューニン
グであるが、最も影響が大きいのは、空洞の発熱やビームがチェンバーに衝突することにより放出されるガ スによる真空の悪化である。真空の悪化は電子縦のエミッションの悪化に直結する。従って、実際に高繰り返し運転を行いビーム電流や X 線線量を測定して初めて目標性能を達成したといえる。
実際は、高繰り返し運転ではガス放出が多く、ビームを出しながら長時間のエージングを行う必要があった。
最終的には両機とも規定の運転繰り返し 周波数で目標とした X 線線量を発生することが出来た。

4 . まとめ
950keVX 線発生装置一号機の経験を踏まえ、加速管構造は、アキシャルカップリングからサイド カップリングに変更した。
両 X 線発生装置は東京大学大学院工学系研究科原子力専攻内のブランケット棟医療用小型ライナック室にてビーム発生試験が行われ、ビームエネルギーやビームププロファイル及び X 線発生量の評価も行い、X 線線量は設計値に達することを確認した。950keVX 線発生装
置一号機のようなビーム不安定性は無く、安定にビームが加速されており、サイトカップリングへの変更が効果的であったことが確認できた。

参考文献[1] 夏井拓也、修士学位論文、2007.

- 1307 -