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

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

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―

【発表のポイント】

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100keV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1MeV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ERL6)(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30μmの微小サイズ7)で電子ビームとレーザービームを162.5MHzの高繰り返しで衝突させることで、10keV級の準単色8)X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(10mA)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。

参考部門・拠点: 量子ビーム応用研究センター

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