21■研究紹介

広島大学電子周回装置における教育研究高 橋徹

広島大学大学院先端物質科学研究科
tohrut@hiroshima-u.ac.jp
2002 年 5 月 1 日
広島大学ベンチャービジネスラボラトリーには超高速電子周回装置という 150MeV の電子リングがあり，大学院先端物質科学研究科の光子物理学研究室が中心となって，電子線を利用した教育研究を行っている。この施設の運用開始から約 5 年が経過し，この間いくつかの実験が行われてきた。また，2001 年度の補正予算により念願の RF の設置が認められ，新たな展開が可能となった。そこでこの機会にこの電子線施設の現状を広く高エネルギー業界の方々に知っていいただきたいと考え，この小文を執筆した。

1. 建設の経緯

子リングを建設しパラメトリック X 線をはじめとしたい
ろいろな実験に電子線を使えるようにする，というアイデ

読者の方々は，ベンチャービジネスラボラトリー（VBL）

ィアである。通常は，放射光への入射は午前に 1 回だけなという施設について耳にしたことがあるだろうか。これはので，その時間を除いた 1 日のほとんどの時間はこの電子

1995 年度の補正予算によって，全国 11 の国立大学に設置線利用実験に費やすことができる。このような経緯により，された実験施設である。その名称からも推察できるように，

広島大学 VBL には放射光施設の入射器からの電子線を使この施設はベンチャービジネスにつながるような研究おう電子リングが設置された。正式名称を超高速電子周回装

よび，起業家精神をもつ学生の育成を目指して設立された

置，略称は REFER（Relativistic Electron Facility Forものである。このような設立の理念から，この施設はほと

Education and Research）と言う。

んどの大学において工学部系ものであり，私たちのような物理の研究者にはほとんど関係のないものとなっていると思われる。VBL を持つ国立大学に所属する方々でも，この存在をほとんど知らない方も多いのではないだろうか。

2. 装置の概要
超高速電子周回装置の配置概略を図 1 に示す。電子周回装置は，放射光の入射器である 150MeV マイクロトロンかしかし，広島大学では少し事情が異なっていた。VBLらの電子を周回させる周長約 13.8m の電子リングであり，設置と時を同じくして，理学部の有志を中心に 10 年以上現在のところ，10Hz または 20Hz で電子を入射することがにわたって設立の努力をしてきた放射光科学研究センタできる。付随する装置として，パラメトリック X 線用のーの設立が認められたのである。一方，物理学科の研究グ内部標的などを挿入するための真空容器，主にレーザーをループでは，旧核研の電子シンクロトロンを利用して，電入射する目的で設置した 0 度ビームラインがある。また電子と結晶の相互作用を利用した X 線（パラメトリック X子線引き出しラインも持っており，引き出し電子を用いた線）生成実験を積極的に行っており，成果を挙げつつあっ実験をすることも可能である。

た。このパラメトリク X 線は，可変波長の単色Ｘ線を生成できるという性質があり，新しい X 線源になりうる可能性が指摘されていた。これらのことから広島大学 VBL
では，｢放射光センターの電子線を利用してパラメトリッ
ク X 線などの新しい X 線源の開発を行う｣，という構想が持ち上がった。幸い，パラメトリック X 線の実験を行ってきた物理学科の遠藤一太（現先端物資科学研究科長）および牟田泰三理学部長（当時，現学長）らを中心とした努力が実り，このような加速器を使った新光源開発を広島大学 VBL のひとつの柱とすることなった。
周知のように，放射光施設の入射器は 1 日 1 回か 2 回の入射を行えばその入射器としての役目は終わりである。そこでこれを有効利用するために，放射光リングとは別に電図1

電子周回装置の配置

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残念ながら予算上の理由により，この装置の設置時には電子エネルギーの放射損失を補うための高周波加速空洞

3. 電子周回装置における実験を取り付けることはできなかった。装置中の電子の周回電1996 年度に運用を開始して以来，電子周回装置を利用流の時間変化を表したのが図 2 である。周回電流は入射後して実験を行ってきた。そのいくつかについて紹介する。

約 0.5ms の時点で大きく減少し，その後比較的なだらかに減少した後，約 2.5ms 後に消失している。電子のバンチ長

a. パラメトリック X 線２は約 0.5µs（150m）であるので，周回装置の周長より遥かパラメトリック X 線を使った X 線生成実験は，電子周に長い。したがって，電子ビームは装置中を DC 的に回っ回装置を設置する主な動機となったものである。白色の Xていると考えることができる。図 3 は周回中のバンチの位線を結晶に入射すると，特定の方向に単色 X 線が観測さ置を時間の関数として表したものである。これは 0 度ビー
ムラインから出てくるシンクロトロン放射を CCD カメラで観察することによってモニタしたものである１。電子にエネルギーを供給できないため，電子の軌道が時間とともにリングの内側（図の上方）に移動していることが分かる。

れることはブラッグ反射として良く知られている。この白色 X 線の代わりに相対論的な電子を入射する。すると，やはりブラッグ条件を満たす方向に単色 X 線が観測される。これがパラメトリック X 線である。観測される X 線のエネルギーは電子と結晶軸の角度により変化させることができるため，この方法を用いると可変波長の単色 X線を生成することができる。また生成 X 線のエネルギーは結晶格子で基本的に決まっており，電子のエネルギーの大小とは（それが相対論的でありさえすれば）無関係である。すなわち，放射光施設などに比べると遥かに小さな加速器で十分だということである。しかし X 線の生成効率はおよそ 10−5 /e であるので，X 線源としてはその強度が不十分である。それを克服するために，いくつかのアイディアが考えられているが，そのひとつがリングを周回する電子線に結晶を挿入することである。図 4 は電子周回装置

図2の内部標的に結晶を用いて得られた，パラメトリック X
ビーム電流の時間変化線のスペクトラムである。きれいな単色 X 線が得られていることが分かる。

図3

ビーム位置の時間依存性
図4

電子線の引き出しは，周回電子を削るアブソーバ，それを軌道の外側に蹴り出すキッカー電磁石および，最終的に電子を引き出しラインへ向けるセプタム電磁石からなっている。これにより，周回中の電子をリングから少しづつ引き出して使用することができる。2001 年 7 月に行ったビームサーベイ時において，引き出し電子の計数率はおよそ 20kHz，ビームサイズは水平方向約 17mm，垂直方向約6mm であった。

パラメトリック X 線のスペクトル

また X 線強度増倍の工夫のひとつとして，単結晶の多層膜からの X 線生成実験を行い，結晶の厚さが同じ場合でも，薄い結晶を多数重ねた方が X 線の強度が強いことが分かった。図 5 にその様子を示す。厚さが 160µm の結晶からよりも，16µm の結晶を 10 枚並べたほうが X 線の強度が強いことが分かる。今後はここで得られた X 線強度の絶対値を測定し，電子周回装置における多重回衝突の効果の実証などに進展させる予定である。

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真空容器を製作した。今後，その中に設置する光学系の試
験を経て新容器の電子周回装置への挿入を行う予定である。

図5多層膜からの X 線生成

b. レーザーコンプトン散乱３
パラメトリック X 線以外の X 線生成実験として電子とレーザーの後方散乱を用いた X 線生成実験も行っている。
電子周回装置の 150MeV 電子に 532nm の緑色レーザーを照射した場合，生成 X 線の最大エネルギーは約 800keV で

図6

レーザーコンプトン散乱実験のセットアップある。前述のパラメトリック X 線よりも，一桁高いエネルギーの X 線生成が可能である。われわれのグループでは，JLC における光子光子衝突反応の可能性を追求しており，レーザーコンプトン散乱も研究の過程から参入した。
電子周回装置における実験においても，その発展として，光子光子衝突型加速器のレーザーの光学系などのテストベンチとしての可能性を念頭においている。
図 6 は昨年度行った実験のセットアップである。使用したレーザーは波長 532nm，パルス幅約 6ns，パルス当たりのエネルギーは 600mJ である。前述したように，現在の電子周回装置では，電子の軌道が時間とともにドリフトしている。そのため，レーザーと電子を衝突されるためには，レーザーの入射位置とそのタイミングの両方を調整しなければならない。図 7 はレーザーの入射位置を決めた後に，図7そのタイミングを変化させた時の測定器の計数率である。

レーザー照射タイミングと計数率あるタイミングにおいて計数率が増え，その値がレーザー強度とともに変化していることが分かる。このことから，電子周回装置においても，レーザーコンプトン散乱の X線を捕らえることができたといえる。図 8 はこのようにして得られた X 線スペクトルである。約 800keV 付近にピークが得られている。しかし，そのピークの 800keV からのずれや，800keV より高いエネルギー領域におけるカウントの原因はまだつかめていない。何かレーザーに付随したバックグランドがあるようである。その正体の解明も次の実験の課題である。
また，次段階の実験として，レーザーパルスの再利用光学系による，X 線生成効率の上昇を計画している。この準備として，内部に光学素子を配置できるようにした新しい

図8

レーザーコンプトン散乱による X 線スペクトル24c. 結晶におけるコヒーレントな対生成４4. 測定器の試験

結晶軸にある角度を持って光子が入射されるとその角

これまで述べてきた物理の教育研究に加え，測定器のビ度に応じて特定のエネルギーの光子が散乱されるのがブームテストのための電子ビームを供給することも，装置のラッグ反射であった。この実験は終状態の光子を観測する利用形態して当然考えられることである。特に，この種の代わりに電子陽電子対を観測するものである。前述の 2 つ実験に非常に有用であった核研の ES がなくなってしまっの実験はその原理こそ違え，X 線生成を目的としたものでた今，その役割の一端を担うことができることも電子周回あった。この実験はそのような実用的側面は持っていない装置の使用方法として有益なものであろう。この観点からが，パラメトリック X 線から続く結晶と電子/光子の相互これまで 2 件のテスト実験が行われた。

作用の研究の一環である。
結晶軸にある角度をもって光子を入射した場合，入射光

a. JLC-CDC のビームテスト子のエネルギーがある条件を満たすと，対生成の断面積が増加する。このことは type-A のコヒーレント対生成とし

JLC の Central Drift Chamber（CDC）試作機の性能試て知られていた。今回実験を行ったのは，type-B と呼ば験を行った。主な目的は，CDC の 2 飛跡弁別性能を確かれる，光子が結晶軸に対して平行に入射した場合である。

めることである。この実験は電子周回装置初の学外の研究実験のセットアップを図 9 に示す。電子周回装置の内部標者との共同実験であり、KEK、農工大、近大からの参加的に白金を置き，それによって生成された制動放射を結晶者と共同で行った。ビームラインのセットアップは前述のへ導き，その下流に設置した電磁石とホドスコープからなコヒーレント対生成とまったく同じものを使った。この実るスペクトロメータで電子陽電子対のエネルギーを測定

験で得られた，CDC の位置分解能を図 11 に示す５。このしている。得られた電子陽電子対のエネルギーとその生成結果は，これまでこの試作機によって得られた結果とほぼ数の関係は図 10 の通りである。統計が十分ではないが，同程度のものである。2 飛跡弁別性能については，解析結対のエネルギーが 105MeV 付近にバンプがあるよう見え果待ちである。

る。現在これについてシミュレーションなどを用いて検討を行っているところである。

図9

コヒーレント対生成実験のセットアップ

図 11JLC-CDC 試作機の位置分解能

この実験は CDC 試作機の性能試験という側面の他，ビームチャンネルの使用可能性そのものも大きな興味の対象であった。前述したように現在の電子周回装置は，電子を 3ms の間周回させているだけなので，入射の頻度（この場合は 10Hz）でビームダンプを繰り返している。このことは，測定器に対してかなりバックグランドがあることを意味しており，測定器をうまくシールドして運転できるかどうかが問題となっていた。幸い，実験グループの努力によって，バックグランドもそれほど問題とならない程度に抑えることができ，図に示すような分解能を得ることが
図 10 対生成の発生効率と入射光子エネルギーの関係できた。これは，電子周回装置のテストビームとしての有効性の観点からみると非常に有益な結果である。

25b. 鉛タングステン結晶（PWO）の性能試験６鉛タングステン結晶は，高密度，高速，高放射線耐久性などから，カロリメータ材料として注目されている。また
エネルギー分解能も 100MeV から数 GeV の領域にわたって， 2%/ E (GeV) と期待されている。

（午前 10 時頃）から午後 6 時までである。またこの装置の責任者は遠藤一太（先端物質科学研究科）であり，日常の運転および機器の整備などは VBL の 2 名のポスドクによって行われている。
実験課題の採択はいわゆる PAC 制をとっており，申請があった課題については，PAC（2001 年度委員長，小方実験は， REFER の電子引き出しラインで行った。

厚・先端物質科学研究科）によって審査される。実験課題

150MeV の電子入射に対して得られたヒストグラムは図の申請についは，常時受け付けているが，年間計画をたて12 の通りである。実験データから得られたエネルギー分る都合上毎年 4 月末頃に一度申請の募集を行っている。運解能は 16%であった。今回使用した PWO 結晶はその断面転スケジュールの詳細やマシンタイムの割付けなど，日常が 20mm × 20mm （モリエール単位は 22mm ）であったたの運用の細部については，実験参加者と運転担当者からなめ，シャワーの漏れが大きく，エネルギー分解能を劣化さるユーザー会を組織しそこで決定している。2002 年度にせている。シミュレーションによるとエネルギーの収集効

ついては 4 月 17 日までに集まった 4 つの実験申請につい率は 77%，またエネルギー分解能は 13% となった。実験て PAC で審査が行われている段階である。との違いは，シミュレーションに考慮されていない発光量のゆらぎや PMT の分解能によると考えられている。

6. 今後の展望
電子周回装置の設置時より電子ビーム加速機構の必要性はわれわれも十分に承知していた。また実験のところでも述べたように，ビーム軌道が安定していないため，なかなか苦しい実験であったことも事実である。設置以来あらゆる機会において学内外の予算申請を繰り返してきたが，大学の設備としてはかなりの大型予算となるため，その獲得はなかなか困難であった。しかし幸いにも 2001 年度の第 2 次補正予算で広島大学 VBL に施設更新・改良の予算が付き，これを使って RF を設置することが可能となった。
またこれと同時に，電子線引き出しラインもエネルギー分散を打ち消すための改良を加えることが可能となった。こ図 12 150MeV 電子によるカロリメータのスペクトル
この実験は電子引き出しラインにおける測定器のテスト実験の可能性を示すことができたという意味で，電子周回装置の利用上，有意義な実験であった。本年度は，シャワーの漏れを補償するための PWO アレイによる再度のビームテスト，また前述のレーザーコンプトン散乱によるX 線をテストビームとした実験を計画している。

れらの工事は 2002 年 10 月中旬より行い 10 月末完了の予定である。その後文部科学省による放射線関連の変更承認を受け，2003 年初頭には，新しい電子周回装置による運転が開始される予定である。この改造により，電子寿命の増大と軌道の安定化が期待でき電子周回装置の使い勝手も非常に良くなると期待している。また電子線引き出しについても，より高品質の電子線を供給できるようになると期待している。
実験申請の様子であるが，現在は広島大学の物理系がそ5. 運転体制と状況の主なユーザーである。JLC-CDC 実験の時は，学内共同利用施設であることから旅費などの手当てはできず，電子周回装置における実験は，広大 VBL のプロジェクKEK，農工大，近大からすべて手弁当で来ていただいた。

トであるとともに，放射光科学研究センターの電子線利用

また現状の制度では学外のメンバーだけによる研究グル実験という形態をとっている。したがって，ユーザーが電ープの実験は困難であり，すべて学内利用者との共同研究子周回装置を使用して実験ができる時間は，放射光センタの形をとってきた。しかし，本年度より放射光科学研究セーの光源利用のそれと同じである。具体的には，夏季，年ンターが大学共同利用センターとなった。前述のように電末年始，学会の開催時期などの特別な時期を除くとユーザ

子周回装置における実験は放射光センターの電子線利用ータイムは毎週火曜日から金曜日の放射光リング入射後実験の形態をとっているため，これも原理的には共同利用施設となる。実際にどのような形で共同利用ができるかの26
詳細は明確になっていないが，学外のユーザーの利用も，より行いやすくなると思われる。

7. 終わりに参考文献─────────────────────
１尾崎弘武 1999 年度広島大学理学部物理学科卒業論文

２

K. Chouffani, M. Yu. Andreyashkin, I. Endo,J. Masuda, T. Takahashi, Y. Takashima

以上，広島大学の電子周回装置の現状と展望を述べてきNucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res. B173た。この施設の運用は，装置の設置から始まった初期の段階を経て，RF の設置など，次のステップへ向かおうとし

241–252 (2001).
３ているところである。この設備は加速器としては非常に小さいが，大学グループがその本拠地に持っているという点

木村勝 2001 年度広島大学大学院先端物質科学研究科
修士論文

４

では非常にユニークなものである。また大学にあるという

Y. Okazaki, M. Andreyashkin, K. Chouffani, I. Endo,
R. Hamatsu, M. Iinuma, H. Kojima,

性格上，その運用において，教育と言う側面を非常に重視している。この観点からみると，学生諸君が学部の卒業研

Yu. P. Kunashenko, M. Masuyama, T. Ohnishi,

究の段階から加速器の運転を実際に経験する機会を持つ

H. Okuno, Yu. L. Pivovarov, T. Takahashi,

ことができるというのは，この施設の非常に大きな利点でY. Takashima
Phys. Lett. A271 (2000), 110–114.

あると考えている。このようなことが可能なのは，全国を見渡してもそうは無い（たぶん無い）と思う。文末の参考

５

後藤隆一 2000 年度広島大学総合科学部卒業論文

文献を見ていただいても分かるように，主要な実験のかな

６

Y. Furuhashi, R. Kohara, T. Sugitate, K. Homma,りの部分が修士論文はもとより，卒業論文として行われてProc. the Seventh Workshop on Topics in Nuclear

いる。今後も施設を有効に利用した教育研究を続けて行き

Radiation Detection, Miyazaki University,たいと考えている。そのためには，われわれ広島大学の担November 2001

当者が努力を続けることが最重要であるのはもちろんであるが，高エネルギーコミュニティからのサポートも必要不可欠である。この機会にこの施設の存在を知っていただ
くとともに，使用について興味をお持ちの方は是非連絡をいただきたい。
連絡先は広島大学大学院先端物質科学研究科：
遠藤

一太 iendo@hiroshima-u.ac.jp

または，高橋徹 tohrut@hiroshima-u.ac.jpである。また，http://photon.adsm.hiroshima-u.ac.jp/
lab/vbl/vbl-ebeam.html
からは最近の情報を得ることができる。

謝辞
この装置の設置から運用に至るまでのすべての面にわ
たって広島大学放射光科学研究センター，広島大学ベンチャービジネスラボラトリーの関係各位には多大なご協力と支援をいただいている。お礼を申し上げる次第である。
運転整備については，歴代のポスドク，K. Chouffani（現Idaho State University），益田伸一（現 KEK），松門宏治（現光量子研），大垣智巳の各氏の努力無しにはなし得なかった。この機会に感謝したい。
またパラメトリック X 線実験において重要な役割を果たされた M. Yu. Andreyashkin 氏が 2001 年に急逝された。
この場を借りてご冥福をお祈りする。