Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

150-MeV マイクロトロンにおけるレーザー・コンプトン散乱ガンマ線の発生
GENERATION OF LASER COMPTON SCATTERED GAMMA-RAYS
FROM A 150-MEV MICROTRON
羽島良一#, A), 早川岳人 A), 静間俊行 A), C.T. Angell A), 神門正城 B) , 大東出 C) , 大垣英明 C)
Ryoichi Hajima #, A), Takehito Hayakawa A), Toshiyuki Shizuma A), Cristopher T. Angell A), Masaki Kando B),
Izuru Daito C), Hideaki Ohgaki C)
A)Quantum Beam Science Directorate, JAEA (Tokai)B)
Quantum Beam Science Directorate, JAEA (Kansai)C)
Institute of Advanced Energy, Kyoto UniversityAbstract
We have developed a laser Compton scattered gamma-ray source based on a 150-MeV racetrack microtron at Japan
Atomic Energy Agency. The microtron equipped with a photocathode RF gun accelerates a single bunch of electrons tocollide with a laser pulse from a Nd:YAG laser. We have employed laser pulse compression by stimulated Brillouinscattering to obtain high-flux gamma-rays, > 105 ph/s. The gamma-ray source is a prototype of commercial machine fornuclear security applications, non-destructive detection of nuclear material hidden in a ship cargo. Design andperformance of the gamma-ray source are presented.

1.

はじめに雑音として検出する。核物質の隠ぺいが疑われるコンテナは、後段のガンマ線システムに導かれ、核物質の有無を詳細に検査される。

2010 年以来、国際核セキュリティサミットが隔年で開催されるようになるなど、国際的に核テロの脅威が高まっている中、国境をまたいだ核物質の移動を防ぐための技術が求められている。とりわけ、米国向けの貨物については、米国が定める法律に従って、全コンテナの輸出前の検査が必要とされている（ただし、実用的な検査技術が確立するまでは、法の執行は猶予されている）。
貨物に隠ぺいされた核物質の検知は、核物質が放出する放射線を外部から検知する方法（パッシブ法）、外部線源からの放射線を貨物に照射して隠ぺいされた核物質の反応を調べる方法（アクティブ法）に大別される。また、測定する放射線の種類によって、ガンマ線法、中性子法がある。
Co-60 のような放射性物質は、ダーティボムの原 Figure 1: Conceptual design of the inspection system for
料となるが、このようなガンマ線放出核種は、一般 nuclear material.
的な放射線検出器を用いて貨物を開封せずに検知が可能である（パッシブ、ガンマ線法）。しかしながガンマ線による核物質の検知は、原子核共鳴蛍光
ら、U-235 のように核爆弾の原料となるものであり 散乱（Nuclear Resonance Fluorescence; NRF）の原理ながらガンマ線や中性子を放出しない核種について に基づいており、測定すべき同位体（核物質）に固は、アクティブ法による検知システムが必要となる。 有の励起準位に同調したエネルギーのガンマ線を外
われわれは、港湾等に設置し貨物コンテナ中の核 部から入射し、共鳴散乱ガンマ線を測定することで物質検知を目的として、外部線源として中性子とガ 検知を行う。入射ガンマ線は、レーザーと高エネルンマ線を用いたシステムを提案し、この実現に必要 ギー電子の衝突散乱である、レーザー・コンプトンな 技 術 開 発 を 進 め て い る 。 本 シ ス テ ム の 概 要 を 散乱（Laser Compton Scattering; LCS）によって発生Fig. 1 に示す[1]。牽引車に積載された貨物コンテナ させる[2]。
は、まず、D-D 中性子源を用いた前置スクリーニン
本システムのガンマ線源は、運転が容易で小型のグ装置に導かれる。ここでは、パルス中性子を入射 必要があるため、電子加速器としてマイクロトロンした時の核物質からの反応を、遅延中性子、中性子 を 採 用 す る こ と と し 、 JAEA 関 西 光 科 学 研 究 所(JAEA-KPSI)に設置されている 150-MeV マイクロト___________________________________________#
hajima.ryoichi@jaea.go.jp
ロン（Fig.2）を用いて、ガンマ線源の研究開発と核- 396 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

物質検知の実証実験を進めている。
150-MeV マイクトロンにて発生可能なガンマ線エネルギーは、レーザー波長 1μm で約 400 keV であり、レーザーの二次高調波を用いても約 800 keV にとどまる。実用機における U-235 の共鳴エネルギー
1.733 MeV の発生には、220 MeV 以上の電子エネルギーが必要である。しかしながら、ガンマ線発生部（LCS）の設計、レーザーと加速器の運転は、実用機と 150-MeV マイクロトロンは共通であり、JAEAKPSI における実験で、実用機の設計製作に必要な知見は得られると考えている。なお、220-MeV マイクロトロンの設計は別途行っている[3]。

2.

150-MeV マイクロトロンにおける LCS実験

2.1

150-MeV レーストラック・マイクロトロン

LCS ガンマ線発生実験は、JAEA-KPSI に設置されている 150-MeV レーストラック・マイクロトロンを用いて実施している。本装置は、住友重機械工業の製品である。一般的なマイクロトロンが熱電子銃を備えマルチバンチで運転されるのに対して、本装置は、光陰極 RF 電子銃を備えており、シングルバンチ用に設計されている。主な運転パラメータは、
バンチ電荷 60 pC、バンチ長 10 ps (rms)、規格化エ
ミッタンス 35π mm-mrad、繰り返し 10Hz などである[4]。

ぎる[5]。このため、SBS によるパルス圧縮が必要となる。

Figure 3: Layout of laser Compton scattering.
SBS は、レーザーを媒質に入射した時に媒質に励起される音響振動（フォノン）によってレーザーが散乱される現象であり、後方散乱されたレーザーのパルス長は、媒質中のフォノンの寿命に依存するため、適切な媒質を選ぶことで、レーザーパルスを圧縮することが可能になる。本実験では、フロリナート（3M、FC-40）を使用し、8 ns の入射レーザーパルスが 200 ps に圧縮できるように設計した（Fig.4）[6]。

Figure 4: The laser system for -ray generation
Figure 2: The 150-MeV racetrack microtron.

2.3

ガンマ線測定システム

核物質検知の実用機において U-235 の検知を行う
場合、ガンマ線源のエネルギー、フラックスは、2.2 LCS 用レーザーシステム
1.733 MeV、3x105 ph/s を設計値としている。150LCS によるガンマ線発生用のレーザーシステムに MeV マイクロトロンにおける実験では、ガンマ線エついても、加速器と同様に、運転調整が容易であり、 ネルギーは 400 keV であり、フラックス 1x105 ph/s堅牢な設計であることが望まれる。われわれは、市 を目標とした。実験では、ガンマ線フラックスを二販の Nd:YAG レーザー（ Continuum 社 製、 Power 種類の測定手法で確認した。LCS ガンマ線を直接測Light 9010）をベースとし、誘導ブリルアン散乱 定する方法（直接法）、ビーム軸上に設置された Al（Stimulated Brillouin Scattering; SBS）によるパルス 板からの散乱ガンマ線の測定（散乱法）である。
圧縮装置を組み合わせたシステムを採用した。
直接法では，ビーム軸 0 度方向に設置した LYSO
ガンマ線発生部の模式図を Fig.3 に示す。電子と シンチレータ（20×20 mm2、厚さ 5 mm）を用いてレーザーは 1.5 度の角度で、ほぼ正面から衝突する。 ガンマ線フラックスの測定を行った。LYSO シンチ
Nd:YAG レーザーのパルス長は 8 ns であり、電子バ レータは，結晶と光電子増倍管（PMT）との間にンチと効率的な衝突散乱を行うには、パルスが長す Neutral Density（ND）フィルターを挿入することに- 397 -

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よりシンチレーション光を減光し、ショットあたり 例えば、Ag-107(325 keV)、Ag-109(311 keV)がある。のガンマ線によるエネルギー損失が最大 3.7 GeV ま このような核種からなる試料にガンマ線を照射し、で測定できるよう調整した。
散乱ガンマ線を測定することで、特定の核種（同位一方、散乱法では，ビーム軸上に設置した Al 板 体）の非破壊検知の実証実験を行う。ここでは、ガ（厚さ 3 mm，回転角 45 度）からの散乱ガンマ線を、 ンマ線検出器として、京都大学が開発したシンチGSO 検出器（20×20×50 mm，設置角は 90 度と レータアレイ、LaBr3(Ce)を用いる予定である[8]。こ135 度）で測定した。測定されたガンマ線収量を， の検出器は、産業利用に必要な堅牢性と信頼性を備Al 板の厚さ、立体角、および GSO 結晶サイズ等を えたものである。
また、新たに出力の大きな Nd:YAG レーザーの導もとにモンテカルロシミュレーション（EGS5）により見積もった検出確率で除することにより、発生 入を進めている。3 J のレーザーパルスを発生する装置であり、ガンマ線発生量のさらなる増大が見込ガンマ線フラックスを導出した。
まれる。
2.4 ガンマ発生実験結果
港湾等に設置する実用機のための 220 MeV のレー実験では、まず、二種類の測定法によるガンマ線 ストラック・マイクロトロンの設計についても、住フラックスの比較を行い、測定の妥当性を確認した。 友重機械工業の協力を得て進めている[3]。
レ ー ザ ー パ ル ス エ ネ ル ギ ー 178 mJ の 時 、 3000ショットの平均を行い発生ガンマ線フラックスを求めたところ、直接法で(6.3 ± 1.5) x 103 ph/shot、散乱法で (5.58 ± 0.24) x 103 ph/shot となった。二種類の測定結果が統計誤差の範囲で一致していることから、測定は妥当であると判断した。Fig.5 は、直接法により得られたガンマ線エネルギーのヒストグラムである[7]。
Figure 6: Conceptual design of a 1.7-MeV -ray source
based on a 220-MeV racetrack microtron and afrequency-doubled Nd:YAG laser

4.

Figure 5: Histogram of -ray photon statistics obtained
from the direct method. The number of photons per shotis (6.3 ± 1.5) x 103 ph/shot. The hatching area is ahistogram without the laser pulse injection as a
background signal.
次に、レーザーパルスエネルギーを変えながら、ガンマ線フラックスの測定を行った。ガンマ線フラックスは、レーザーパルスエネルギーにほぼ比例することを確認し、レーザーパルスエネルギー700 mJ に対して発生ガンマ線フラックス 1.2x104
ph/shot を得た。10 Hz の運転では 1.2x105 ph/s となり、ガンマ線フラックスの目標値を達成した。

3.

今後の予定

LCS ガンマ線の発生を実証できたので、次の段階として、模擬物質の検知実験を予定している。
400 keV 近傍に共鳴エネルギーを持つ核種として、まとめ港湾等に設置し貨物コンテナ中に隠ぺいされた核物質を非破壊で検知するシステムの実用化を目指して、マイクロトロン電子加速器と Nd:YAG レーザーを用いたレーザー・コンプトン散乱ガンマ線源の開発を進めている。電子とレーザーの衝突点の最適化、
SBS に よ る レ ー ザ ー パ ル ス 圧 縮 技 術 を 完 成 し 、1.2x104 ph/shot のガンマ線発生に成功した。10 Hzの運転時に 1.2x105 ph/s が得られる値である。今後
は、レーザー装置のアップグレード、模擬物質の非破壊検知実験などを予定しており、実用機の製作に必要な技術とノウハウの獲得を目指している。
本研究は、社会システム改革と研究開発の一体的推進（文部科学省補助金事業）、安全安心な社会のための犯罪・テロ対策技術等を実用化するプログラム「ガンマ線による核物質非破壊検知システム」の支援による行われている。

参考文献[1] H. Ohgaki et al., Proc. 2010 IEEE Int. Conf. onTechnologies for Homeland Security, 525 (2010).
[2] R. Hajima et al., J. Nucl. Sci. Tech. 45, 441 (2008).
[3] T. Hori et al., Proc. Part. Acc. Soc. Jpn (2013) (in Japanese)[4] M. Kando et al., Proc. PAC-1999, 3702 (1999).
[5] R. Hajima et al., Proc. IPAC-2011, 3663 (2011).
[6] I. Daito et al., Proc. IPAC-2012, 4124 (2012)[7] I. Daito et al., J. Plasma Fusion Res., 88, 553 (2012) (inJapanese).
[8] M. Omer et al., Proc. IEEE-NSS-2011, 1627 (2011).

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