Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 WEOM07

レーザー・コンプトン散乱による高輝度ガンマ線の実現とその利用
GENERATION AND APPLICATIONS OF LASER COMPTON SCATTEREDGAMMA-RAY BEAMS
羽島良一#、沢村勝、永井良治、西森信行、早川岳人、静間俊行、Cristopher T. Angell
Ryoichi Hajima, Masaru Sawamura, Ryoji Nagai, Nobuyuki Nishimori,Takeihito Hayakawa, Toshiyuki Shizuma, Cristopher T. Angell
Japan Atomic Energy Agency

Abstract

Generation of energy-tunable narrow-bandwidth gamma-rays via Laser Compton Scattering (LCS) is of great interestfor scientific studies and applications of “MeV” photons which interact with nuclei. We are developing technologies
relevant to generation of high-brightness LCS gamma-ray beams. One of the promising applications of such gammarays is the nondestructive detection and assay of nuclides which are necessary for nuclear security and safeguards. We
summarize R&D status of LCS gamma-ray sources and overview future applications.

1.

相対論的電子ビームとレーザービームの衝突により、高エネルギーの光子（X 線、ガンマ線）を発生
す る 手 法 は 、 レ ー ザ ー ・ コ ン プ ト ン 散 乱 （ LaserCompton Scattering; LCS）として知られている[1]。最初の LCS 実験は、レーザーの発明から間もない1965 年に報告されている。ルビーレーザーと 6 GeV
電子蓄積リングを用いて最大 0.85 GeV の光子発生を確認したものであった [2] 。以来、電子加速器、レーザーの技術が進歩するのに伴って、LCS の技術が発展し、現在では、Duke 大学 HIγS[3]、兵庫県立大学 NewSUBARU[4]のように、LCS-ガンマ線を定常的にユーザに供給する施設が運転されている。さらに、ヨーロッパ（EU）のプロジェクトとして、ペタワットレーザーと LCS ガンマ線を併設した施設である ELI-NP [5]がルーマニアに建設されるなど、LCSガンマ線への期待が高まっている。本稿では、高輝度 LCS ガンマ線源としてわれわれが提案する、エネル ギー 回収 型リ ニア ック（ Energy-Recovery Linac;ERL）に基づく LCS ガンマ線源の特徴、技術開発の現状、核物質の非破壊測定を中心とした利用の展望について述べる。

2.

レーザー・コンプトン散乱（LCS）によるガンマ線発生

相対論的電子ビーム（エネルギー＝Ee ）とレーザービーム（光子エネルギー＝EL ）の衝突散乱＝
レーザー・コンプトン散乱の様子を Fig. 1 に示す。
散乱後の光子エネルギーは、電子およびレーザーのエネルギー、散乱の幾何学的条件により一意に決まり、そのエネルギーは式（１）で与えられる。

___________________________________________#

𝐸𝐸𝛾𝛾 =

はじめに

hajima.ryoichi@jaea.go.jp

𝐸𝐸𝐿𝐿 (1 − 𝛽𝛽 cos 𝜃𝜃1 )(1)
1 − 𝛽𝛽 cos 𝜃𝜃 + (𝐸𝐸𝐿𝐿 /𝐸𝐸𝑒𝑒 )(1 − cos 𝜃𝜃2 )Figure 1: Principle of laser Compton scattering.
Ｘ線領域では、シンクロトロン放射光（アンジュレータ放射光）と分光器を組み合わせることで、単色かつエネルギー可変の光子ビームの発生が可能であるが、発生可能な光子エネルギーは、おおむね100 keV 以下に限られる。1 MeV 以上のエネルギーをもつ光子（ガンマ線）を発生可能な光源として、歴史的には原子炉中性子の捕獲ガンマ線や制動放射ガンマ線が用いられてきた。捕獲ガンマ線は用いる原子核反応ごとに決まったエネルギーのガンマ線しか得られない、また、制動放射は輝度の低い白色ガンマ線である。ガンマ線領域の結晶分光器は、X 線用の分光器に比べてアクセプタンスが小さい（アクセプタンスは、エネルギーにほぼ反比例する）ために、制動放射と組み合わせて単色化をおこなう場合、わずかなスループットしか得られず実用的でない。
これに対して、LCS では、式（１）からわかるように、散乱角（θ）と散乱光子のエネルギーが相関を持つことから、散乱光子のビーム軸上にコリメータ（スリット）を挿入することで、エネルギーの揃った光子ビーム（準単色ビーム）を得ることができる。
以上のような背景のもと、エネルギー可変かつ準- 79 -

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単色のガンマ線を実用的に発生できる唯一の光源が Si 結晶（111）面で回折する時のアクセプタンス
LCS ガンマ線源であり、これまで、主に原子核物理 （Darwin curve の幅）は 26 µrad である。アンジュ研究のために建設され、運転されてきた。国内では レータ放射の角度広がりはこの値よりも小く、アン
産総研の TERAS（0.8-GeV 電子蓄積リング）[6]、兵 ジュレータ放射光は分光器のスループットを損なわ
庫県立大学の NewSUBARU（1.5-GeV 電子蓄積リン ないだけの輝度を有している [8]。結晶回折のアクセグ） [4]、国外では米国 Duke 大学の HIγS（1.2-GeV プタンスは、光子エネルギーにほぼ反比例するので、電子蓄積リング） [3]がその代表である。残念ながら、 ILL の結晶分光器のアクセプタンスは 2 MeV で 10TERAS は東日本大震災の後にシャットダウンして nrad と非常に小さな値である。これまでの LCS ガ
しまったが、NewSUBARU、HIγS は、定常的に運転 ンマ線源は輝度が不十分であったため、結晶分光器され、ガンマ線ビームをユーザに供給している。と組み合わせた利用は行われず、もっぱら、コリメータによる単色化が行われてきた。
3. LCS ガンマ線のフラックス、輝度、エLCS ガンマ線はコリメータで単色化することができるが、その単色度には限界がある。単色性を損な
ネルギー幅う要因としては、電子ビームとレーザービームが完LCS 光源のフラックス（Ｆ）は、電子とレーザー 全に単色でなくエネルギー広がりをもっていること、の衝突密度と頻度、コンプトン散乱の断面積で決ま 衝突点において電子とレーザーが有限の角度広がりり、次式で表される。
を持つために生じる衝突角度と散乱角度の混合がある。これらの効果を含んだ LCS ガンマ線のエネル
𝜎𝜎𝑐𝑐 𝑓𝑓𝑁𝑁𝑒𝑒 𝑁𝑁𝐿𝐿
ギー広がりは次式で表される[9]。
𝐹𝐹 =(2)2𝜋𝜋(𝜎𝜎𝑒𝑒2 + 𝜎𝜎𝐿𝐿2 )∆𝐸𝐸𝛾𝛾
ここで、σc はコンプトン散乱の断面積、f は衝突頻𝐸𝐸𝛾𝛾度、Ne、NL はパルスあたりの電子数とレーザー光子
4Δ𝐸𝐸𝑒𝑒 2𝜀𝜀𝑛𝑛 4Δ𝜈𝜈 2𝑀𝑀2 𝜆𝜆数、 σe、 σL は電子とレーザーの衝突サイズ（rms）= �(𝛾𝛾𝛾𝛾)2 + 4 �� +� � +� � +�
� (4)
𝐸𝐸𝑒𝑒
𝜎𝜎𝑒𝑒
4𝜋𝜋𝜎𝜎𝐿𝐿𝜈𝜈である。簡単のため、正面衝突（ θ1=π）を仮定した。
発生ガンマ線のフラックスを大きくするためには、大電流の電子ビームが必要であることから、これま ここで、 γは電子の相対論因子、 θはコリメータの開での LCS ガンマ線源では、電子蓄積リングが利用さ 口、∆ν/ν はレーザー光子のエネルギー広がり（帯れてきた。しかしながら、電子蓄積リングに基づく 域）、M2 はレーザーの集光性能の指標（単一の横LCS ガンマ線源は、その性能に原理的な限界がある。 モードで M2=1）、λはレーザーの波長である。
これは、電子ビームのエミッタンスの限界、量子励電子蓄積リングでは、レーザーとの衝突散乱によ起にともなう電子ビームのエネルギー広がりの限界 る電子の反跳（量子励起）が周回ごとに蓄積する効に由来するものである。
果が加わることで、電子のエネルギー広がりが大きLCS で発生するガンマ線の輝度は、シンクロトロ くなることが知られており、これによるガンマ線エン放射光 X 線と同様に、単位面積、単位立体角、単 ネルギーの広がりも無視できない。HIγS では、通常、位エネルギー幅あたりの発生光子フラックスとして 5%（FWHM）程度の準単色ガンマ線が利用されて定義できる。この輝度は、電子ビームとレーザー、 いる。
それぞれのサイズと角度広がりに依存するが、通常一方、ERL-LCS では電子ビームパラメータとして、のパラメータでは、レーザーのエミッタンス（波長 規格化 rms エミッタンス εn=1 mm-mrad、衝突点ので決まる角度発散）は電子ビームの規格化エミッタ ビ ー ム サ イ ズ σe=20 µm 、 エ ネ ル ギ ー 広 が りンスよりも十分小さいので、LCS ガンマ線の輝度 ∆Ee/Ee=0.03%（rms）を仮定すると、エミッタンスの（B）は電子ビームの規格化エミッタンスに支配さ 効果で生じるエネルギー広がり（右辺第３項）はれ、次式のようにあらわされる。
0.25%（rms）、電子のエネルギー広がりの寄与（右辺第２項）は 0.06%（rms）と求められ、狭帯域の𝐹𝐹レーザーと組み合わせれば、エネルギー幅 0.5%以下
𝐵𝐵(ph/mm2 mrad2 s 0.1%BW) ≈ 2 × 0.1%(3)𝜀𝜀𝑛𝑛の狭帯域 LCS ガンマ線生成が可能であることがわかる。
シリコンやゲルマニウムを使った結晶分光器を用いれば、1 MeV 以上のガンマ線についても X 線と同 4.
ERL に基づく LCS ガンマ線源の提案
様に単色化することができ、フランスのラウエ・ラ
前節で示した加速器に課せられる条件をまとめる
ンジュヴァン研究所（ILL）では原子炉中性子捕獲と、LCS ガンマ線のフラックスを大きくするには大-5-6ガンマ線（数百 keV-6 MeV）を 10 -10 のエネル
電流が必要、高輝度と単色性の向上には電子ビームギー分解能で単色化するための結晶分光器が開発さのエミッタンスと電子のエネルギー広がりを小さく[7]れている 。このような分光器のスループットは、する必要があることがわかる。このような条件を満結晶のアクセプタンスに入射するガンマ線のフラッたす加速器として、ERL は最適な装置である[10]。わクス、すなわち、輝度に左右される。10-keV X 線をれわれは、ERL に基づく LCS ガンマ線源が、従来- 80 -

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PASJ2015 WEOM07の装置をはるかに上回るフラックス、1013/s、を実現 ガンマ線を用いるため数 cm 程度の金属遮蔽や数十し、核物質の非破壊測定をはじめとした様々な分野 cm 程度の水遮蔽を含んだ非破壊測定が可能であるに応用できることを提案してきた[11,12]。
こと、化学形態によらずに核種分析が可能であるこFigure ２に ERL-LCS ガンマ線源の概念図を示す。 となどの利点がある。
ERL は LCS 発生に使われた電子のエネルギーを回収し、このエネルギーを新しい電子の加速に再利用することで、大電流と低エミッタンスを両立する。
LCS のフラックス増大には、衝突点におけるレーザー光子の密度も大きくしなければならないが、このために、レーザー蓄積装置を用いる。レーザー蓄積（laser enhancement cavity）は、高反射率の鏡で構成される光共振器である。外部のモードロックレー
ザーで発生したパルス列をレーザー蓄積装置に入射
Figure 3: Principle of nondestructive assay using
する時、レーザーの繰り返しと光共振器の往復時間
nuclear resonance fluorescence with mono-energeticを精密に一致させれば、レーザーパルス列を重ね合
gamma-ray beams.
わせて大強度に蓄積することができる。レーザー共振器の設計と制御方法を工夫することで、増倍率
このような非破壊測定は、例えば、貨物中に隠ぺ（入射レーザーパワーと蓄積レーザーパワーの比）
いされた核物質の港湾における検査、使用済燃料中[13]が 1000 を超える装置も実現している 。に含まれる Pu-239 などの核物質を測定し、これら核物質が核兵器に転用されていないことの確認（保障措置）など、広く応用できる。
2010 年核セキュリティサミットにおける日本の公約（ナショナルステートメント）に沿った予算措置
として、われわれは、平成 23 年度から 26 年度まで「レーザー・コンプトン散乱 NDA 技術開発」の補助金交付をうけ、核セキュリティを目的とた LCS ガ
ンマ線の発生と利用に関連した技術開発を行った。
このプログラムは、(1)大強度 LCS 発生のための基盤技術、(2)高レベルの放射能を有する試料にも適用
Figure 2: A schematic view of Compton gamma-ray
可能な測定手法の開発（評価用のシミュレーション
source utilizing an energy-recovery linac (ERL).
技術を含む）から構成された。
大強度 LCS 発生のための基盤技術として、KEK
5. 核セキュリティ技術としての LCS ガン の協力のもとコンパクト ERL（ cERL） におけるLCS 発生実験を行った。cERL の周回軌道、LCS 関
マ線連装置（レーザー蓄積装置、LCS ビームライン、米国オバマ大統領のイニシアティブにより、2010 LCS 実験室など）の建設と整備を行った後、平成 26
年から隔年で核セキュリティサミットが開催されて 年 3 月に LCS 発生実験を行い、20 MeV 電子ビームいる。2010 年 4 月に開催された第 1 回のサミットで と 1064 nm レーザーの衝突散乱により 7 keV の X
は、事前協議において日本のコミットメントが求め 線発生に成功した[14,15]。ERL とレーザー蓄積装置のられることとなり、それまでに米国では実施されて 組み合わせは、将来の高輝度ガンマ線源と同じ構成おらず、日本として世界最先端の技術で貢献できる であることから、本実験の成果によって大強度 LCSテーマのひとつとして、われわれグループが提案し 発生のための基盤技術が確立したといってよい。
ていた、大強度単色ガンマ線を使った核共鳴蛍光散
高レベルの放射能を有する試料にも適用可能な測乱（Nuclear Resonance Fluorescence: NRF）を利用す 定手法として、われわれは、共鳴透過法に着目した。
る非破壊測定（NDA: Non-Destructive Assay）技術 Figure 4 に共鳴透過法の概念を示す。共鳴透過法での基礎開発が取り上げられることとなった。
は、入射ガンマ線の測定対象物中における共鳴吸収NRF は、原子核とガンマ線の反応の一種であり、 量（特定同位体固有のエネルギーでの核共鳴蛍光反ガンマ線を共鳴的に吸収した原子核が、その直後に、 応量）を、計測したい物質（例えば、プルトニム吸収ガンマ線と同じエネルギーのガンマ線を放出す 239 を計測した場合には、プルトニウム 239）を既る現象である（Fig. ３参照）。原子核の共鳴状態は 知量含んだ試料（witness plate、あるいはノッチフォ
核種に固有のエネルギー準位をもつので、この共鳴 イル）からの共鳴散乱の減少量として測定する。
散乱ガンマ線（NRF）を測定することで、核種を同定したうえで、その核種を非破壊で検知、または定量することができる[11]。
この手法は、安定同位体、不安定同位体のいずれも測定可能であること、透過力の大きな 2-5MeV の- 81 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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直線偏光、円偏向のガンマ線を発生することができる。直線偏光ガンマ線と核共鳴蛍光散乱を組み合わせることで、原子核の微細構造を探ることができる。
直線偏光ガンマ線を入射した時、NRF で放出されるガンマ線の角度分布に非対称性が現れる場合がある。
このような非対称性の測定は、原子核の励起状態のパリティを決める上で非常に強力な手段であり、直線偏光ガンマ線を用いた研究は、TERAS や HIγS においてなされてきたが、今後も原子核物理の重要な研究テーマである。
宇宙で MeV 領域のガンマ線が直接的な役割を果
Figure 4: Nondestructive measurement of a specific
たしている例として、超新星爆発における光核反応
nuclide in a sample by collecting nuclear resonanceによる元素の生成があげられる。太陽より 8 倍以上
fluorescence gamma-ray scattered from a witness plate
大きな質量を持つ恒星は、その寿命の最後に超新星
placed downstream of a sample.
爆発と呼ばれる大爆発を引き起こしてその進化を終えるが、その超新星爆発において様々な元素が合成
この手法では、測定対象物を直接計測しないため、されることがわかっており、元素合成の過程にはガ測定対象物が多量の放射性同位体を含んでいる（非ンマ線が関与する光核反応も含まれる。大強度の常に強いバックグランド・ガンマ線を有する）場合LCS ガンマ線が実現すれば、これまで測定されていであっても非常に有効である。また、原理的に内部ない核種を含めて、光核反応断面積のデータを整備構造に関係なく、測定したい同位体の計測することすることができ、超新星爆発における元素合成の精ができるので複雑な構造を有する測定対象物の定量密なモデル化がはじめて可能になる。
的な測定にも適している。
その他、超新星爆発のニュートリノ元素合成過程
われわれは、共鳴透過法の実証として、Duke 大とニュートリノ・原子核相互作用、直線偏光ガンマ学 HIγS において、TMI-2 キャニスターに収納され線による（γ, n）反応、円偏光ガンマ線によるパリた Pu の測定を模擬する実験をおこなった。TMI-2
ティ非保存の物理、Delbrück 散乱の精密測定によるキャニスターは、米国スリーマイル島原子力発電所
QED の非線形効果の検証など、LCS ガンマ線を利事故の廃止措置において、原子炉から取り出した溶用した基礎科学の研究テーマが多数提案されている
融燃料などの高放射能物質の収納に用いられた容器 [19,20]。
であり、構造体、遮蔽体としてステンレスやコンクリートを含んでいる。実験では、Pu の模擬物質とし6. まとめて Al を、U の模擬物質として Pb を用いて共鳴透過加速器、レーザーの技術が進歩するにしたがって、法による測定を試み、Al の測定が定量的に正しく行[16]
これら技術の組み合わせとして、レーザー・コンプえることを確認した 。
NRF を用いた核種の非破壊測定において、測定時 トン散乱ガンマ線源（LCS ガンマ線源）の性能向上
間の短縮、測定精度の向上には、ERL-LCS からの大 が可能になりつつある。とくに、エネルギー回収型フラックスかつ狭帯域のガンマ線が本質的に有用で リニアック（ERL）に基づく LCS ガンマ線源は、原ある。NRF の共鳴幅は 1 eV 程度であり、この共鳴 理的に、高フラックス、高輝度、狭帯域のガンマ線幅に含まれない入射ガンマ線は、すべて、バックグ の発生が可能であることから、核種の非破壊測定をラウンドの原因となるからである。また、エネル
はじめとした産業利用、光核反応研究などの基礎科
ギー幅 1%以下の狭帯域ガンマ線を用いれば、コ学に大きく貢献することが期待されている。われわヒーレント散乱（バックグラウンド）と NRF を識別して測定できる手法としてわれわれが考案した れは、ERL-LCS における大強度 LCS 発生の実証試
験をコンパクト ERL にて行った。また、LCS ガン「分岐 NRF 法[17]」が適用できるようになる。
マ線の特長を生かした核種の非破壊測定手法の提案
われわれは、共鳴透過法の測定時間の短縮、測定精度の向上を目指して、共鳴透過法を改良した「積 と実証実験を行った。
分共鳴透過法[18]」を考案し、その原理実証も行った。 今後は、LCS ガンマ線を一層効率的に発生する技
福島第一原子力発電所の廃止措置において想定され 術として、超伝導加速器として従来の楕円空洞に代ている溶融燃料の取り出しに合わせて、Pu-239 など わるスポーク空洞の開発、FFAG 型を含む多重周回の核物質の非破壊測定に適用できる技術として提案 ERL の検討などを進めていく予定である。
している。
本研究の一部は、核セキュリティ強化等推進事業費補助金、量子ビーム基盤技術開発プログラム、
5. LCS ガンマ線の基礎科学への応用光・量子融合連携研究開発プログラムの支援を受け
LCS ガンマ線は、前節で紹介した核物質の非破壊 た。これらプログラムの実施にあたっては、JAEA測定といった産業利用の他にも、基礎科学において の瀬谷道夫氏、森道昭氏、KEK の浦川順治教授、照も有用なプローブとなる。
沼信浩教授に協力いただいた。cERL の実験では、LCS では、入射レーザーの偏光を制御することで、- 82 -

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KEK の河田洋教授、小林幸則教授をはじめとしたcERL 建設チームに大きな力添えをいただいた。あらためて感謝を申し上げる。

[20] 早川岳人, 藤原守, “レーザー・コンプトン散乱γ線ビームによる原子核研究の新しい潮流”, 原子核研究(2015).

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