これまでになく強く明るいX線を発生する新たな技術誕生へ

―毎秒1億回の電子ビーム・レーザー衝突でX線を作る―

平成27年4月27日
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(理事長 児玉敏雄。以下「原子力機構」という。)原子力科学研究部門量子ビーム応用研究センターの羽島良一研究主席、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構(機構長 山内正則。以下「KEK」という。)加速器研究施設の照沼信浩教授らの共同研究グループは、エネルギー回収型リニアック(ERL)^※1において電子ビームとレーザービームを微小スポットで、1秒間に1.625億回という非常に高い頻度で衝突させる(高繰り返しで衝突させる)ことで、エネルギーのそろったX線ビームの生成に成功しました。これにより、核セキュリティ分野におけるあらゆる核物質の非破壊検知・測定を可能にする大強度ガンマ線源^※2(目標強度 10¹³ ph/s)や、生体細胞の高分解能イメージングのための高輝度小型X線源^※3(目標ピーク輝度10¹⁹ ph/sec/mm2/mrad2/0.1%BW)といった、新たな計測・観察ツールとしての次世代光源へ道を開きました。

光速近くまで加速した電子ビームとレーザービームを衝突させることにより、任意のエネルギーのX線やガンマ線のビームを発生する方法は、レーザー・コンプトン散乱(LCS)^※4と呼ばれ、エネルギーが数keVから100 keVのX線領域では、大型放射光施設の性能に匹敵する高輝度の小型X線源に、また、エネルギーが1 MeV以上のガンマ線領域では、唯一のエネルギー可変の大強度ガンマ線源となり得るものです。しかしながら、電子とレーザーの衝突確率が小さいために、LCSによるX線～ガンマ線源の実用化には、電子ビームとレーザービームを高密度かつ高繰り返しで衝突させる技術が必要とされてきました。

研究グループは、ERLとレーザー蓄積装置^※5を用いることでLCS光源実用化の鍵となる電子ビームとレーザービームの高密度かつ高繰り返しの衝突が可能となることに注目し、これに必要な技術開発を進めてきました。ERLは収束サイズの小さな電子ビームを高繰り返しで加速できることから、LCSに最適の加速器です。KEKに建設されたコンパクトERL^※6(ERL試験加速器)にLCS実験のための装置を設置し、2015年2月～4月の実験において、最小30 μmの微小サイズ^※7で電子ビームとレーザービームを162.5 MHzの高繰り返しで衝突させることで、10 keV級の準単色^※8X線ビームの発生に成功しました。本成果によりLCSを使った高輝度、大強度のX線、ガンマ線発生を可能にする基盤技術を確かなものとしました。今後、コンパクトERLにおける電子ビーム電流値を目標値(10 mA)まで増加させることで、LCS光源として従来に無いX線強度が得られる見込みです。

本研究の成果は5月3日から開催される第5回国際粒子線加速器会議(米国リッチモンド)で発表される予定です。本研究の一部は文部科学省の「核セキュリティ強化等推進事業」「光・量子融合連携研究開発プログラム」によるものです。

【研究開発の背景】

蓄積リング型X線光源^※9やX線自由電子レーザー(XFEL)^※10が、X線を発生する放射光源として広く利用されています。一方で、これらの光源を補完する新型放射光源の研究開発が進められています。光速近くまで加速した電子ビームとレーザービームの衝突によりX線、ガンマ線を発生する現象(レーザー・コンプトン散乱)に基づく光源もそのひとつです。

(1) レーザー・コンプトン散乱によるX線、ガンマ線の発生
レーザー・コンプトン散乱(Laser Compton Scattering; LCS)とは、加速器で光速近くまで加速した電子とレーザー光を衝突させることで、電子によって散乱されたレーザー光が高いエネルギーのX線やガンマ線に変わる現象です。(図1参照)。レーザーは電子との散乱(逆コンプトン散乱)によって電子からエネルギーを得て、高エネルギーの光子、すなわちX線またはガンマ線に変換されます。なお、コンプトン散乱とは、1932年にアーサー・コンプトンによって発見された現象で、光が電子と散乱して光のエネルギーが変わる現象です。
LCSでは電子ビームのエネルギーやレーザーの波長を選ぶことで、発生するX線やガンマ線のエネルギーを自由に変えることができます。また、電子ビームの輝度と電流を大きくし、レーザービームの強度を上げることで、発生するX線、ガンマ線の輝度と強度を増大することができます。LCSに基づく光源は、散乱光子ビームのエネルギーが数keVから100 keVのX線領域では大型放射光施設に匹敵する小型光源として、また、エネルギーが1 MeV以上のガンマ線領域では唯一のエネルギー可変光源となり得るものです。

図1　レーザー・コンプトン散乱の原理。左から光速近くまで加速した高エネルギーの電子が飛来し、右から来たレーザーと衝突します。レーザーは電子との衝突によって反対方向に散乱され、電子からエネルギーを得てX線またはガンマ線となります。

(2)エネルギー可変ガンマ線ビームによる核物質の非破壊測定と検知
原子力機構では、原子炉使用済燃料中や、東京電力株式会社福島第一原子力発電所の溶融燃料に含まれる核物質の測定、貨物中に隠ぺいされた核物質の検知などへ、LCSガンマ線の応用を提案しています。このような核物質の非破壊分析と検知は、原子核共鳴蛍光散乱(Nuclear Resonance Fluorescence：NRF)というガンマ線と原子核の反応を利用します。NRFは、原子核が特定のエネルギーのガンマ線を吸収することで、一時的にエネルギーを保有した状態(このような状態を励起状態と呼び、励起状態になることを「励起する」と言う)になった後、同じエネルギーのガンマ線を放出して元にもどる現象(これを脱励起と呼ぶ)です。核種(原子核の種類。例えば、U-235や、Pu-239など)には、それぞれ異なる励起エネルギーを有する状態が存在しています(図2参照)。測定したい核種の励起エネルギーに等しいガンマ線を照射すると、その核種のみで原子核共鳴蛍光散乱が発生します。その場合、散乱ガンマ線のエネルギーを計測することにより非破壊であらゆる核種の測定や検知(図3参照)ができます。

このような核物質の非破壊検知と測定には、任意のエネルギーのガンマ線を大強度で発生できる装置が必要です。現在、蓄積リング加速器を用いたLCSガンマ線源として、兵庫県立大学のNewSUBARU、米国Duke大学のHIGSが稼働していますが、溶融燃料中の核物質の測定には、さらに1万倍以上強度の高いガンマ線源の開発が必要です。

図2　励起エネルギーと原子核共鳴蛍光散乱の概念図。Pu-239やU-235等の核種には固有の励起状態(エネルギーが高い状態)が存在しています。励起エネルギーに等しいガンマ線が照射されると、ガンマ線を吸収・放出する原子核共鳴蛍光散乱が起こります。測定対象以外の核種では、励起エネルギーと異なるため核共鳴蛍光散乱は起こりません。

図3　原子核共鳴蛍光散乱の測定法の概念図。測定対象物(例えば、炉心から取り出した後に容器に納められた溶融燃料デブリ)に含まれる核物質と核共鳴蛍光散乱(NRF)が起こり、NRF散乱ガンマ線が様々な角度に放出されます。この散乱ガンマ線を検出することでPu-239をはじめとしたあらゆる核物質を非破壊で測定します。

(3)高輝度小型X線光源
現在、広く利用されているX線源には、X線管^※11(医療用レントゲン装置、実験室X線回折装置など)と蓄積リング型X線光源(シンクロトロン放射光リング)があります。X線管は小型で使いやすい装置ですが、輝度が低いという欠点があります。放射光源加速器は、X線管に比べて10桁以上高い輝度を有していますが、大型の施設であり利用申請とその承認を経ないと利用ができない点で簡便性、機動性が十分にあるとは言えません。X線は、物質科学、生命科学を中心とした先端科学研究に欠かせない基盤ツールであり、高輝度X線を身近に使えるようにしたいという、研究者の要求は年々高まりつつあります。

このような要求に応えるため、シンクロトロン放射光に匹敵する高輝度のX線を小型の装置で実現するための技術開発が進んでいます。KEKでは、レーザー・コンプトン散乱に基づく高輝度小型X線光源を提案(図4参照)し、これに必要な基盤技術の開発を行っています。

図4：高輝度小型X線源の概念図

【研究成果の内容】

LCSにおける電子とレーザーの衝突確率は非常に小さく、このため、LCS光源の実用化には、電子ビームとレーザービームを高密度かつ高繰り返しで衝突させる技術が必要とされます。これまでのLCS光源では、リニアック(線形加速器)^※12や蓄積リング加速器^※13の電子ビームが用いられてきました。リニアックは電子ビームを微小サイズに収束させることができますが、パルス運転しかできず電子ビームとレーザービームの衝突実績は1 MHz程にとどまっています。蓄積リングは連続運転(100 MHz以上)が可能ですが、リニアックに比べて個々の電子パルスが時間方向に長く、衝突密度を高めて行くことに限界があります。

共同研究グループは、エネルギー回収型リニアック(ERL)とレーザー蓄積装置を用いること(図5、図6参照)で、LCS光源実用化の鍵となる電子ビームとレーザービームの高密度かつ高繰り返しの衝突が可能となることに注目し、これに必要な技術開発を進めてきました。ERL6)は超伝導加速器により加速した電子ビームを光の発生に利用した後に電子ビームを減速することで、電子ビームのエネルギーを再利用する装置です。エネルギーの再利用によって、高繰り返しで電子ビームを効率的に加速することができます。さらに、電子入射器に光陰極電子銃を用いることで高輝度高品質の電子ビームを生成することができ、LCS発生点において、電子ビームを微小スポットサイズに収束することができます。電子ビームの高繰り返し加速には、国際リニアコライダーなど将来の先端加速器に向けて研究開発が行われている超伝導加速器技術を利用しました。レーザー蓄積装置は、高反射率の鏡からなる光共振器であり、電子ビームラインと交差するように設置されます。レーザー発振器で作られるレーザーパルス列を光共振器に導入することで、レーザーパルスを重ね合わせてレーザー強度を高めることができます。

図5：エネルギー回収型リニアックとレーザー蓄積装置を用いたレーザー・コンプトン散乱X線／ガンマ線源の原理。電子入射器で発生した電子ビームは、超伝導加速器で加速された後、レーザー・コンプトンX線／ガンマ線発生に用いられる。さらにその後、電子ビームは再び超伝導加速器へ導かれる。この時に、電子が減速されるタイミングで超伝導加速器へ電子を入射することで、電子のエネルギーを回収し後続電子の加速に再利用することができる。減速された電子ビームは、ビームダンプへ捨てられる。

図6: レーザー蓄積装置。入射されたレーザーパルスは高反射率鏡で作られる閉軌道を周回する。この周回するレーザーパルスと新たなレーザーパルスの入射を精密に一致させ次々と重ねることで、蓄積されるレーザーパルスの強度を増すことができる。

LCS実験は、KEKつくばキャンパスに建設されたコンパクトERL(ERL試験加速器：図7参照)にて実施しました。研究グループは、2014年12月までにLCS実験のための装置の組み立てと設置を完了しました。2015年2月から4月までの実験において、最小30 μmの微小サイズで電子ビームとレーザービームを162.5 MHzの高繰り返しで衝突させLCSによるX線ビームの発生実験を試みたところ、エネルギー6.9 keVの準単色X線ビームの発生に成功しました(図8参照)。実験室の検出器(直径4.66 mm)に入射したX線の強度は最大で毎秒1200個であり、LCS発生点(衝突サイズ30μm)での強度に換算すると毎秒4.3×10⁷個となります。

この実験における電子ビーム電流は58 μAでしたが、コンパクトERLでは、今後、電子ビームを10 mAまで増やす予定です。10 mA運転時のLCS発生量を今回の実験結果から計算すると毎秒10⁹個となります。X線だけでなく高エネルギーのLCS線(ガンマ線)まで適用可能な技術であり、既存のLCSガンマ線源であるNewSUBARUを1000倍、HIGSを10倍上回る強度が得られることになります。

図7：高エネルギー加速器研究機構に建設されたコンパクトERL(ERL試験加速器)

図8：レーザー・コンプトン散乱で発生したX線のエネルギースペクトル。中心エネルギー 6.9 keV。図の横軸はX線エネルギー、縦軸はX線の光子数を示す。

研究グループは、さらに、LCSで発生したX線を使ったイメージング実験として、スズメバチのX線透過(図9参照)実験を行いました(2次元X線検出器としてリガク製、HyPix-3000を使用)。薄い翅(ハネ)を支える翅脈が見える他、体内の構造が良好なコントラストで観察できました。X線のエネルギーが揃っているため、画像の濃淡が観察試料の密度と一対一で対応していることから、試料組織を詳しく解析することができます。LCSを使えば、周長数100 mという放射光施設を用いることなく、潜在的には周長数10数mの実験施設でこのように鮮明な画像が得られることになり、大きな病院にMRIの装置が導入されているように、ダウンサイズした高輝度X源によるコンパクトな高精細診断装置が大学・病院などへ導入できる可能性が開かれます。共同研究グループは今後、電子ビームと蓄積レーザーそれぞれの改善を進め、LCS X線の強度を上げることで、より鮮明なイメージングを実現していきます。

図9：レーザー・コンプトン散乱で発生したX線(6.9 keV)で撮影したスズメバチの透過画像(2次元X線検出器として、リガク製 HyPix-3000を使用した)。薄い翅(ハネ)を支える翅脈が見える他、体内の構造が良好なコントラストで観察できる。X線のエネルギーが揃っているため、画像の濃淡が観察試料の密度と一対一で対応していることから、試料組織を詳しく解析することができる。

【成果の波及効果】

これまで、レーザー・コンプトン散乱に基づく多くのX線／ガンマ線源が開発され利用に供されてきました。しかしながら、発生できるX線／ガンマ線の強度は電子とレーザーの衝突密度と繰り返しで制限され、さらに、輝度、単色性は電子ビームの品質(角度発散とエネルギー広がり)で制限されていました。

今回の研究成果は、近年、著しい進化を見せている電子加速器、レーザーの技術を組み合わせることで、レーザー・コンプトン散乱X線／ガンマ線の性能を大きく高められる可能性を示したものです。

原子力機構では放射性廃棄物や使用済原子炉燃料に含まれる放射性核種(核物質)を非破壊分析する手段として大強度ガンマ線光源を利用した核共鳴蛍光散乱による核セキュリティ技術開発を進めています。KEKでは、生命科学研究、ナノ構造解析、創薬、医療診断・治療への利用を画期的に飛躍させる数keVから100 keVのX線領域の高輝度小型X線発生装置を目指した基盤技術開発を進めています。これらのX線／ガンマ線光源は、いずれもレーザー・コンプトン散乱に基づくものです。今回の研究成果は、これら次世代のレーザー・コンプトン散乱X線／ガンマ線源の実現に向けた大きな一歩となるものです。

【用語説明】

※1 エネルギー回収型リニアック
超伝導加速器を用いて電子を高周波加速し、高エネルギー電子ビームを放射光発生に利用した後、同一の加速器を「減速器」として動作させ、電子ビームエネルギーを高周波エネルギーとして回収し、後続電子の加速に再利用する技術である。高周波で動作する超伝導加速器では、電子を入射するタイミングを選ぶことで 加速、減速のどちらも可能であることを利用している。具体的には図10に示すように、電子入射器からの入射(1回目の入射)では、電子を高周波の山に合わせることで電子を加速し、LCS発生を終えて周回軌道を通ってきた電子の入射(2回目の入射)では、電子を高周波の谷に合わせることで電子を減速する。英語名 energy-recovery linac からERLともよばれる。本研究の対象であるLCS以外にも、シンクロトロンX線放射光、大出力自由電子レーザーとしても研究開発が行われている加速器である。

図10:　エネルギー回収の概念図。超伝導加速器の中には、高周波電場の波が走っている。電子が1回目に入射する場合には、波に乗って加速される位相で入射されエネルギーを得る。2回目に入射される場合には、波によって減速される位相で入射され、電子はエネルギーを失う。失われたエネルギーは超伝導加速器内部の電場に蓄積され、後続電子の加速に再利用される。

※2 大強度ガンマ線、3) 高輝度(小型)X線
可視光線や紫外線、赤外線などと同様に光(電磁波)の一種。光のエネルギーがおおむね1キロ電子ボルト(1 keV)以上の電磁波をX線、1メガ電子ボルト(1 MeV) 以上をガンマ線と呼ぶ。これらの電磁波はエネルギーが高いことから、物質を透過する能力が強く、イメージング、ガン治療、放射性滅菌等に利用されている。ちなみに可視光のエネルギーは1.7～3.3電子ボルト(1.7～3.3 eV)程度。
X線やガンマ線を含む光源の性能を表す指標として、強度と輝度がある。強度は、単位時間あたりの光子の発生数でありフラックスともいう。輝度は強度を光源のサイズと発散角で割った値である。高輝度の光源は小さい試料に多くの光を集光することができる。

※4 レーザー・コンプトン散乱
X線やガンマ線が物質に入射するとき、物質を構成する原子に含まれる電子で散乱され、進行方向とエネルギーを変える現象をコンプトン散乱という。コンプトン散乱を受けたX線、ガンマ線は、電子にエネルギーの一部を与えるので、散乱にともなってエネルギーが小さくなる(波長の長い光に変わる)。
光速近くまで加速した電子とレーザー光が衝突する場合にも同様の散乱現象が起こるが、このとき、レーザー光は電子からエネルギーを受け取り、大きなエネルギーを持った光、すなわち、X線やガンマ線に変わる。これをレーザー・コンプトン散乱(または、逆コンプトン散乱)という。
レーザー・コンプトン散乱の最初の実験は、メイマンによるルビーレーザーの発明(1960年)から間もない1965年に行われ、エネルギー6 GeV の電子ビームと波長694.3 nmのルビーレーザーの衝突散乱で0.85 GeVのガンマ線ビームを発生したものです。

※5 レーザー蓄積装置
反射率の高い鏡を組み合わせた光路に外部からレーザーを入射して、内部に蓄えられるレーザーの強度を高める装置。2枚の鏡の間を光が往復するタイプ、4枚の鏡で蝶ネクタイ状に光を往復するタイプなどがある。本研究では4枚鏡の装置を用いた。

※6 コンパクトERL
エネルギー回収型リニアック(ERL)は、高輝度かつ大電流の電子ビームを加速できることから、X線シンクロトロン放射光や自由電子レーザーなどへの応用が可能である。KEK、原子力機構などの共同チームは、将来のERL型光源に向けた技術開発の一環として、ERLの試験加速器としてコンパクトERLを完成し、運転を行いながら、ERLの基盤技術を高める研究を進めている。

※7 最小30 μmの微小サイズ
ここでは、電子ビーム、レーザービームともに、横方向(進行方向に垂直な平面)の分布を正規分布で近似した時、その標準偏差をサイズとして定義している。

※8 準単色X線
医療用レントゲンに用いられるX線管はエネルギーが100%広がっており白色X線と呼ばれる。シンクロトロン放射光を結晶分光器に通した時に得られるX線はエネルギー幅が0.1%以下となり単色X線と呼ばれる。エネルギー幅が0.1%-数%のX線を準単色X線と呼ぶ。

※9 蓄積リング型X線光源
光速近くまで加速した電子ビームを円形軌道を持ったリングに溜めこみ、軌道上に配した電磁石により電子が曲げられた時に接線方向に放射されるX線(シンクロトロン放射光)、永久磁石による交番磁場により電子が蛇行した時に放射されるX線(アンジュレータ放射)を利用する施設。国内では、国立研究開発法人理化学研究所のSPring-8(スプリングエイト)やKEKのフォトンファクトリーがその代表。

※10 X線自由電子レーザー
線形の加速器で発生する電子ビームを永久磁石による交番磁場に導き、放射されるX線の自己増幅作用によるレーザー発振を得る装置。国内では国立研究開発法人理化学研究所のSACLAがある。

※11 X線管
X線を発生するための真空管。陰極と陽極の間に高電圧(数万から数十万ボルト)を印加し、陰極から引き出した電子を加速し陽極ターゲットに衝突させることでX線を発生する。簡便にX線を発生することができるが、シンクロトロン放射に比べると輝度は低い。

※12 リニアック(線形加速器)
電子を直線的に高エネルギーまで加速する装置。蓄積リング加速器へ電子を入射するのに用いられる他、X線自由電子レーザーにも用いられている。

※13 蓄積リング加速器
光速近くまで加速した電子ビームを円形軌道を持ったリングに溜めこみ、電子を繰り返し周回させる装置。X線光源(シンクロトロン放射光)や高エネルギー物理実験に用いられている。

関連サイト

日本原子力研究機構　量子ビーム応用研究センター
高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設
ERL計画推進室
文部科学省　光・量子融合連携研究開発プログラム

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