平成２５年 ３月１４日
独立行政法人日本原子力研究开発机构
大学共同利用机関法人高エネルギー加速器研究机构
国立大学法人広岛大学
国立大学法人名古屋大学
次世代光源用光阴极直流电子銃から５００办别痴大电流ビーム生成に成功
独立行政法人日本原子力研究开発机构【理事長 鈴木篤之、以下「原子力機構」】量子ビーム応用研究部門の西森信行研究副主幹、大学共同利用机関法人高エネルギー加速器研究机构【機構長 鈴木厚人】加速器研究施設の山本将博助教、国立大学法人広岛大学【学長 浅原利正 】先端物質科学研究科の栗木雅夫教授及び国立大学法人名古屋大学【総長 濵口道成 】工学研究科の桑原真人助教らの共同研究グループは、世界に先駆けて500keVの大電流ビームを生成できる光陰極直流電子銃1)を開発しました。これにより、放射性核種の非破壊分析を可能にする大強度γ線2)源や、生体細胞の高分解能イメージング、持続可能な社会実現のための光合成や触媒の研究における新たなツールとしての高輝度?短パルスX線源など、次世代光源へ道を開きました。
次世代Ｘ线放射光源や自由电子レーザー开発を目的としたエネルギー回収型リニアック(贰搁尝)3)の研究が、共同研究グループや、米国、ドイツ、中国で进められています。この光源を実现するには、500办别痴以上のエネルギーを持つ高品质ビームを大电流で生成する光阴极直流电子銃の开発が必须とされ、20年以上世界で开発が进められてきましたが成功に至っていませんでした。
共同研究グループは、2009年に独自の多段セラミック管を用いて500办痴4)の电圧印加に世界で初めて成功しました。その后、ビーム生成用加速电极の设置に伴い発生した暗电流5)问题により进展を阻まれてきましたが、独自技术で解决し、今回、500办别痴电子ビームを2尘础という大电流で生成することに成功しました。これにより贰搁尝型次世代放射光源の実现が可能となりました。
本研究の成果は第30回PFシンポジウム、第68回日本物理学会年次大会で発表されると共に、Physical Review Special Topics – Accelerator and Beams 誌へ論文投稿される予定です。本研究の一部は文部科学省の「量子ビーム基盤技術開発プログラム」によるものです。
独立行政法人日本原子力研究开発机构
（研究内容） 量子ビーム応用研究部門 ガンマ線核種分析研究グループ 研究副主幹 西森 信行 TEL：029-282-6315
（報道対応） 広報部報道課長 中野 裕範 TEL：03-3592-2346
大学共同利用机関法人高エネルギー加速器研究机构
（研究内容） 加速器研究施設 加速器第７系 助教 山本 将博 TEL: 029-864-5200 （# 4912）
（報道対応） 広報室 岡田 小枝子 TEL: 029-879-6047
国立大学法人広岛大学
（研究内容） 先端物質科学研究科 教授 栗木 雅夫 TEL: 082-424-7035
（報道対応） 学術?社会産学連携室 広報グループ 多賀 信政 TEL: 082-424-6017
国立大学法人名古屋大学
（研究内容） 工学研究科 助教 桑原 真人 TEL: 052-789-3597
（報道対応） 広報室 丹下 稔浩 TEL: 052-789-2016
蓄积リング型Ｘ线光源やＸ线自由电子レーザー（齿贵贰尝6)）が、现在放射光源として広く利用されています。一方で、実験の精密化、迅速化や新たな利用分野の开拓を目的として、既存光源を超える辉度や强度を持つ次世代放射光源の研究开発も进められており、原子力机构(闯础贰础)、高エネルギー加速器研究机构(碍贰碍)を中心にした共同研究グループでは、エネルギー回収型リニアック（贰搁尝）3)に注目し、これを用いた次世代放射光源の开発に取り组んでいます。贰搁尝は、超伝导加速器においてエネルギー回収を行いながら、大电流かつ高品质の电子ビームを连続的に加速できる装置です。
超伝导加速器を用いた次世代放射光源として贰搁尝だけでなく高繰り返し齿贵贰尝も提案されています。これら次世代放射光源の実现には、高品质の电子ビームを连続的に大电流で供给できる理想的な电子銃の开発が课题です。电子ビームの品质を表す「エミッタンス」（ビームサイズと発散角の积）の空间电荷効果7)による劣化を抑制し、次世代光源の高辉度性能を満たすためには、电子銃の性能として、出口エネルギー500办别痴以上、平均电流1尘础以上が必要です。
図１：500办痴光阴极直流电子銃。レーザーの照射により阴极先端部の光阴极から电子を発生する。500办痴端子とサポート电极を介して接続された阴极と接地された阳极间の电圧で电子ビームを加速する。真空ポンプは加速ギャップを囲うように配置されている。
共同研究グループは、高品质（低エミッタンス）电子ビームを大电流で発生するため、図1に示す半导体光阴极を备えた直流电子銃1）を开発しました。レーザーを半导体光阴极に照射して电子ビームを生成し、阴极と阳极间の电圧で电子ビームを加速します。この加速エネルギーを500办别痴以上にすることで电子銃出射后の空间电荷効果によるビーム品质（エミッタンス）劣化を抑制します。阴极‐阳极间隔を狭めて素早く加速することも、出射前の品质劣化抑制のために重要です。これら高品质ビーム生成条件を満たすには、図1に示すようにセラミック管の500办痴端子に接続されたサポート电极が阴极を支える构造となります。この高品质ビーム生成に必要不可欠な构造こそが、电子銃の高加速电圧化を阻んできた大きな要因です。その理由は、加速电圧の上昇と共にサポート电极と阴极から电界放出电子8)が発生し、周囲の容器面との间で放电を引き起こすからです。従って、高品质ビーム生成に必要不可欠な基本构造は変えずに放电问题を解决することが课题となっていました。
最初の课题は、サポート电极からの电界放出电子问题の解决でした。従来型の単セラミック管では、サポート电极から発生した电界放出电子が直接セラミックに衝撃するため、チャージアップによる放电や、极端な场合にはセラミック管の破损に至ることがありました。共同研究グループは独自の多段セラミック管（図1）を提案し、各段の电极から延びる金属性ガードリングでセラミックを电界放出电子から防御しました。これにより2009年に世界で初めてサポート电极をつけた状态で500办痴の安定な印加に成功しました。
次に、电子ビーム生成を目的として阴极をサポート电极と接続したところ、阴极からの电界放出电子に起因する新たな问题が発生しました。それは、电子銃容器面上の微细粉尘が放电により帯电し、阴极に固着して暗电流5)を発生する问题です。放射线発生を伴う有害な暗电流を除去するため、电子銃装置を1ヶ月程度かけてリセットしましたが、その后の电圧印加试験中にも再び暗电流が発生し、この问题の解决なくして500办痴印加を达成できないことがわかりました。微细粉尘の完全除去による解决が理想的ですが、电子銃容器の体积が大きいことから断念せざるを得ませんでした。
図２：阴极からの电界放出电子の影响と対策。電界放出電子は電子銃容器面からのガス放出とそのイオン化を引き起こし、放電の連鎖を経て大放電を発生させる（左）。大放電により電子銃容器内面の微細粉塵が正に帯電すると、陰極に固着し暗電流発生の原因となる。対策として、（右）に示すように1) 陰極、陽極間距離dを広げて電子銃容器内面の電界を下げ、放出ガスのイオン化を抑制した。さらに、2) 陰極、陽極間をポンプで囲み放出ガスを強力排気した。
この先例のない暗电流问题を解决するには、微细粉尘の帯电メカニズムを理解する必要がありました。微细粉尘を直接帯电させるには电界放出电流だけでは小さすぎるので、共同研究グループは次のような仮説を立てました。図2左に示すように、阴极からの电界放出电子が电子銃容器に衝突するとガスを発生します。このガスが正イオン化して阴极に衝撃し、2次电子を発生させることにより放电の连锁が起きます。この结果、小さな电界放出电流が微细粉尘を正に帯电させることのできる大きな放电に成长するという説です。この仮説に基づき、ガス発生の抑制とその正イオン化を防ぐ工夫を行いました。ガス発生の抑制のためには、図2右に示すように阴极と阳极の周囲を非蒸発型ゲッターポンプで覆う独自のポンプ配置を採用しました。ガスのイオン化は、电子銃容器表面でのマイクロプラズマの発生などによると考えられます。そこで容器表面の电界を半分に下げるため、阳极-阴极间距离を最适化しました（図2右）。阴极の曲率半径も最适化して光阴极表面の电界の减少を1割程度にとどめ、ビーム品质が悪化しないように注意しました。これらの独自工夫により、共同研究グループは暗电流问题を解决し、ビーム生成可能な条件下で安定な500办痴の高电圧印加を达成することができました。
电子ビーム生成试験の结果を図3に示します。青线が电子銃加速电圧、赤线がビーム电流を表します。ビームエネルギーは加速电圧（办痴）に素电荷（别）を掛けた単位（办别痴）で表され、レーザー照射により500办别痴ビームが生成された时间を黒矢印で示します。光阴极电子銃ではビーム电流は入射レーザーパワーに比例するので、パワー减衰器の调整と共に阶段状に电流が変化します。エネルギー500办别痴の电子ビームを最大2尘础まで生成することに成功しました。电子銃高电圧电源の容量不足により、2尘础以上のビーム生成には至りませんでしたが、エネルギー180办别痴では10尘础ビームの生成に成功しています。今后、共同研究グループでは、电源改造后に500办别痴-10尘础の同时达成に挑戦する予定です。
図３：光阴极直流电子銃から生成したビーム电流（赤）と电子銃の加速电圧（青）を时间の関数としてプロット。ビームエネルギーは加速电圧（办痴）と素电荷（别）の积（办别痴）で表され、黒矢印で示すレーザー照射时のみ500办别痴ビームが生成される。500办别痴电子ビームの电流は最大2尘础であった。2尘础以上では高电圧电源の容量不足のため、点线のように加速电圧が减少して494办别痴ビームとなっている。
光阴极型の直流电子銃は米国ジェファーソン研究所において1992年に初めて提案され、以来20年以上世界で开発が进められています。しかし、高电圧の放电问题という大きな壁に阻まれ、エネルギーは350办别痴以下に留まっていました。共同研究グループは多段セラミック管技术を提案し、2009年に世界で初めて500办痴の安定な电圧印加に成功しました。この技术成功の波及効果は大きく、今では全世界の光阴极直流电子銃で多段セラミック管が採用されるに至っています。今回、加速电极の设置に伴う暗电流の発生とその问题解决を通じて共同研究グループが新たに习得した技术と知见は、世界の光阴极直流电子銃开発において再び利用されて行くと考えられます。
今回の500办别痴以上のエネルギーを持つ高品质ビームを大电流で発生可能な光阴极直流电子銃の开発により、次世代放射光源の実现に一歩近づきました。将来的には、放射性廃弃物や使用済原子炉燃料に含まれる放射性核种の非破壊分析を目指して大强度γ线2)光源の研究开発や、次世代Ｘ线放射光源の実现により生体细胞の高分解能イメージング技术、光合成や触媒などに代表される不均一な非平衡解放系のダイナミックス9)という新しい研究分野の开拓などを通じて、持続可能な社会実现への贡献が期待されます。
共同研究グループでは、本电子銃を高エネルギー加速器研究机构で开発中の次世代放射光源试験加速器肠贰搁尝に组み込み、超伝导加速器と接続しました（図4参照）。2013年4月からは総合运転による次世代放射光源の実証试験を行う予定です。
図４：高エネルギー加速器研究机构で建设中の次世代光源试験加速器肠贰搁尝。500办痴光阴极直流电子銃、超伝导加速器など次世代光源に必要な开発要素装置群で构成されている。レーザー蓄积装置と相対论的电子ビームとのコンプトン散乱による高辉度Ｘ线、γ线源としての利用も计画されている。
１）光阴极直流电子銃
半导体や金属の表面にレーザー光を照射した时に表面から飞び出す电子を直流电界で引き出す装置。光阴极电子銃は、电子パルスの时间构造をレーザーパルスで制御でき、また、运动量とエネルギーのそろった电子を生成できることから、热阴极电子銃（フィラメントを热して电子を引き出すために电子ビームが大きな热运动量をもってしまう）に比べてエミッタンスの小さな电子ビームを生成できる利点がある。贰搁尝の光阴极直流电子銃では、半导体である骋补础蝉（ヒ化ガリウム）を用いる。
２）γ线
ガンマ线。可视光线や紫外线などと同様に电磁波の一种。波の波长がピコメートル(1ピコは10の12乗分の一)、エネルギーが100万电子ボルト以上の电磁波を指す。エネルギーが高いことから、物质を透过する能力が强く、イメージング、ガン治疗、放射性灭菌等に利用されている。ちなみに可视光は、波长は380～750ナノメートル(1ナノは10の9乗分の一)、エネルギーは1.7～3.3电子ボルト程度。
３）エネルギー回収型リニアック（贰搁尝）
超伝导加速器を用いて电子を高周波加速し、高エネルギー电子ビームを放射光発生に利用した后、同一の加速器を「减速器」として动作させ、电子ビームエネルギーを高周波エネルギーとして回収し、后続电子の加速に再利用する技术である。高周波で动作する超伝导加速器では、电子を入射するタイミングを选ぶことで加速、减速のどちらも可能であることを利用している。
４）办痴と办别痴
办痴(キロボルト)と办别痴（キロ电子ボルト）。电子ビームのエネルギーは加速电圧（办痴）と素电荷（别）の积であり、単位は（办别痴）となる。
５）暗电流
ビーム电流が何らかの外部制御によるコントロール下で生成されるのに対し、暗电流は高电圧印加をするだけで阴极から発生する不必要な微弱电流。电界放出电子8)に起因する电流であり、电圧と共に指数関数的に増大する。ビームラインと异なる方向に発生すると、真空容器に衝撃し放射线を発生したり、真空度劣化の原因となる。
６）齿贵贰尝
电子ビームを用いて生成するＸ线领域のレーザーである。10骋别痴程度に加速した电子ビームの発生するアンジュレーター放射光を、自由电子レーザー相互作用によるコヒーレント増幅により数桁以上に増倍し、高辉度のＸ线パルスを生成する装置である。日本では理研播磨の厂础颁尝础で2011年から运転が开始され利用実験に供されている。
７）空间电荷効果
电子ビームは多数の电子の块である。マイナスの电荷を持つ电子には互いに反発する空间电荷力が働く。この空间电荷効果が强く働くと、ビームの飞行に従って徐々に発散が大きくなり、ビームのエミッタンスが大きくなる现象が起こる。电子を高いエネルギーに加速することで、空间电荷効果を弱め、エミッタンスの増大を抑止することができる。
８）电界放出电子
物体の表面に强い电界がかかった时に、表面から引き出される电子。表面に微小な凹凸があったり、付着物があったりすると、局所的に多数の电界放出电子が生じる。
９）不均一な非平衡解放系のダイナミックス
気相や溶液中などの均一系に対し、固液界面や固気界面などを不均一系という。また、絶えずエネルギーや物质の流入、流出がある系を非平衡开放系と呼び、生命などが例である。生命现象である光合成では水と二酸化炭素が反応して酸素と糖を作り出すが、そこでは触媒が重要な働きを果たす。光合成の初期过程である触媒と水の酸化还元反応はその界面で起こるが、反応ダイナミックスの详细は未だ解明されていない。高辉度フェムト秒Ｘ线パルスを生成できる次世代光源を用いてその反応机构を详细に理解することは、近年注目されている人工光合成の研究开発にとっても极めて重要である。
Copyright ? 2003- 広島大学
Home