加速器の先端応用的 ～次世代X線イメージング～

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1 加速器の先端応用的 ～次世代X線イメージング～
日本大学量子科学研究所 電子線利用研究施設（LEBRA） 早川　恭史 2006年10月 5日

2 放射線（粒子線） 加速器 放射線と加速器 高エネルギー粒子の総称 荷電粒子（電子, 陽子, イオン・・・） 中性粒子（光子, 中性子）
荷電粒子を電場で加速する装置 一種の放射線発生装置 加速粒子 電子, 陽子, 陽電子, イオン・・・ 加速器のタイプ 直線加速器, 円形加速器　（高周波加速） 静電加速器

3 X線は波長の短い電磁波（高エネルギーの光子）
放射線の一種 X線は波長の短い電磁波（高エネルギーの光子） Photon Factory (KEK) のサイト( )より引用

4 X線 γ線 X線の定義 (原子中の)電子の状態変化によって生ずる 電磁放射（ 特性X線, 制動放射 ） 原子核の状態変化によって生ずる
電磁放射　（原子核の遷移, 原子核反応） 慣例としてエネルギーで区別する場合が多い 特に1MeV以上をγ線 100keV以下程度をX線

5 1895年 X線の発見（レントゲン） （放電管の研究） 1896年 ウラン放射能の発見（ベクレル）
1896年 ウラン放射能の発見（ベクレル） 1908年 計数管の発明（ラザフォード, ガイガー） （測定技術の進歩） 1931年 サイクロトロンの発明（ローレンス , リヴィングストン） 1932年 高電圧加速器の発明（コッククロフト, ウォルトン）

6 何故X線を使うのか？ X線を用いるメリット 透過力が高い 特に短波長（高エネルギー）のX線は物質を 透過しやすい
物質を構成する元素の種類でコントラストが つきやすい （レントゲン写真, ラジオグラフィ） 波長が短い 原子レベルの微細な構造を見ることが できる　（X線回折実験） （見えるサイズの限界～光の波長）

7 一般的なX線源 X線管（放電管の延長） 静電加速した電子（<100keV）を金属ターゲット に照射（特性X線, 制動放射） 回転陽極（ローター）による高強度化 （研究, 医療, 非破壊検査, etc …） 低エネルギー加速器 によるX線源

8 加速器を用いたX線源 小型電子加速器 電子線形加速器（リニアック）やベータトロンから の電子ビーム（> 1 MeV）をターゲットに照射 ⇒ 制動放射 　（医療, 癌治療, 大型非破壊検査） 大型放射光施設 シンクロトロンで発生する制動放射を利用 偏向電磁石：　白色, アンジュレータ：　準単色　 ⇒ 波長選択可能, 高輝度　（研究）

9 特性X線 原子の内殻軌道に空位がある とき、外側の軌道電子が遷移 して光子を放出する 最も内側のK殻（重い元素の 場合はL殻）が空いていないと 光子のエネルギーが数keV 以上にならない 輝線スペクトル（単色）のX線が得られる （等方的に放射）

10 高エネルギーの荷電粒子が外場（磁場, クーロン場） によって加速度運動（減速, 曲がる）をする時、運動の 接線方向に電磁波を放射する
制動放射 観測者には電荷の振動 つまり 交流電流として見える （電気双極子放射） 高エネルギーの荷電粒子が外場（磁場, クーロン場） によって加速度運動（減速, 曲がる）をする時、運動の 接線方向に電磁波を放射する 指向性のある白色X線が得られる

11 （高輝度、指向性が良い、波長選択可能・・・）
シンクロトロン放射 円形加速器中で電子ビームが磁石の磁場によって 偏向をうけるときに発生する制動放射 指向性　　～1/γ 放射パワー　∝ γ4 / ρ ( ρ: 曲率半径 ) 臨界周波数（波長） ωc = 3cγ3 / 2ρ 直線偏光 接線方向に放射 ビーム加速という観点からは厄介者 ↓ 光源（線源）として見てみると、 メリットがいっぱい！ （高輝度、指向性が良い、波長選択可能・・・） E: 電子エネルギー γ = E/mec2 相対論ローレンツ因子 電子のエネルギーが高くなるほど、 短波長＆ハイパワーの放射が起こる

12 加速器のエネルギーと臨界波長 電子エネルギーを上げる ほうが効率が良い （施設の大型化 GeV領域） 短波長高輝度化するには
電子エネルギー → 大 あるいは 曲率半径 → 小 電子エネルギーを上げる ほうが効率が良い （施設の大型化　GeV領域）

13 第2世代光源（PhotonFactory@KEK）
X線源の進歩 第4世代光源（ERL? XFEL?） シンクロトロン放射

14 大型放射光施設 大型のシンクロトロン蓄積リング を用いることにより、 高輝度、単色（波長選択）、 複数光（X線）ビームライン を実現
第2世代 Photon Factory （日本） 第3世代 SPring-8 （日本） APS （米国） ESRF （フランス） 兵庫県播磨　SPring-8 　 予算規模は1000億円レベル ⇒　国家プロジェクトにならざるを得ない

15 放射光施設のビームライン 複数の光、X線ビームライン を並列に運用可能 用途に合わせて、光源 を選択できる （波長、光源の質は様々）

16 偏向電磁石放射 加速器で用いられる光源・線源 電子が曲がるときに接線 方向にシンクロトロン放射 赤外～（軟）X線の準白色 光源となる
一般に曲率半径は大きい 　　⇒　短波長化は難しい SPring-8のサイト 　

17 アンジュレータ放射 ウィグラー放射 加速器で用いられる光源・線源
日本大学電子線利用施設 近赤外用（0.8~6μm）アンジュレータ 磁石を交互に並べたアンジュレータ（挿入光源）により、電子は（正弦的な）蛇行運動 　　　　　　　　↓ シンクロトロン放射が準単色化する（一種のドップラー効果） 特定の波長の輝度が飛躍的に向上 SPring-8のサイト 　 （アンジュレータに比べて）大き目の蛇行を 数回起こしてやる 白色スペクトルが短波長にシフト （フーリエ高周波成分が増える） ウィグラー放射

18 Ｘ線イメージング（レントゲン写真）の原理
I = I0 exp ( -m x ) 吸収により線量は 指数関数で減少 吸収係数 × 厚さ （ Ｘ線が透過する物質の密度に比例 ）

19 Ｘ線イメージング（レントゲン写真）の原理
物質を透過する際の吸収の 　強さが「影」として見える 　（非破壊検査への応用） 吸収の強さは物質の種類や 　厚さに依存 　（内部構造のイメージ化） 試料物体内部の密度の 　積分情報が得られる レントゲンによる初のＸ線像 （1896年） 1901年に最初のノーベル賞 吸収コントラストイメージング

20 Ｘ線源は白色制動Ｘ線が一般的 ⇒ Ｘ線吸収の元素依存性が使えない （吸収特性は実効的、経験則的に決定）
従来のレントゲン写真の問題点 Ｘ線源は白色制動Ｘ線が一般的 　⇒ Ｘ線吸収の元素依存性が使えない 　　　（吸収特性は実効的、経験則的に決定） Ｘ線吸収を検出原理としている 　⇒ 吸収の弱い軽元素物質（生体軟組織）は 　　　コントラストが得にくい（見えにくい） 照射する線量が結果的に多くなる Ｘ線吸収によって引き起こされるダメージが問題！

21 Ｘ線吸収端のふるまい Cu (K-edge: 8.981keV) Zn (K-edge: 9.661keV)

22 吸収端を利用した元素同定イメージング 恐竜の卵の化石 エネルギー可変単色Ｘ線のメリット Sr（K吸収端：16.1keV）が存在

23 光の屈折による可視化 透明な物体は目に見えるか？ 屈折により吸収に頼らなくても見える！

24 X線位相コントラストイメージング 位相コントラスト（差）イメージング X線がサンプルを透過する際に
R. Fitzgerald: Phys. Today 53 (2000) 23 位相コントラスト（差）イメージング X線がサンプルを透過する際に 受ける位相シフトによって、僅かな構造を検出するイメージング手法 軽元素物質に対して高感度 X線の吸収によるダメージが小 　（吸収に頼らない） 試料物体の密度の微分情報が 　得られる 医療応用に大きな期待！

25 透過力の高いＸ線で高コントラストが得られる！ しかしながら・・・ 空間コヒーレンスに優れたX線源が必要！！
高エネ研（ＫＥＫ）：　安藤正海教授 他　　　乳頭腺管ガン 回折強調型位相コントラスト イメージング（暗視野法） 通常の吸収コントラスト像 透過力の高いＸ線で高コントラストが得られる！ しかしながら・・・ 空間コヒーレンスに優れたX線源が必要！！

26 伝播コヒーレンス（空間コヒーレンスが良い状態）
コヒーレントなX線源（現状） 放射光自体のコヒーレンシーは良くない（カオス光源） 第3世代 放射光 厳しいコリメーション（点光源化）＆単色化 距離が離れると・・・・・　届いたX線の波面が平面波的に揃ってる！ 　　　　　　　伝播コヒーレンス（空間コヒーレンスが良い状態） レーザのような光源レベルのコヒーレンスをもつ X線源は（地球上には）まだ存在しない

27 ERL（エネルギー回収型リニアック）放射光
新しいコヒーレントX線源 ERL（エネルギー回収型リニアック）放射光 電子ビームは1回で使い捨て （常に新鮮なビーム） エミッタンス向上（点光源化） ⇒ 空間コヒーレンス↑

28 SASE－FELによるX線源(XFEL)
共振器を用いる代わりに 非常に長いアンジュレータ （場合によっては複数直列） を用いると、実効的には 同じような働きになる 数m 数10m～数100m？ 自己増殖自発放射光（SASE）タイプのFEL 鏡が不要 → X線領域でも可能　（XFEL）

29 日本大学電子線利用研究施設（LEBRA）
近赤外自由電子レーザ（FEL） １２５MeV電子線形加速器（リニアック） 理工学部船橋校舎(物理実験B棟)

30 パラメトリックX線放射 (PXR) ～ パラメトリックX線放射（PXR） 数１０～１００MeV程度の電子でX線の発生が可能 結晶の回転により波長を連続的に変えられる

31 2結晶型PXR発生装置

32 LEBRA　PXR発生装置 PXRによる連続波長可変X線源は世界初の試み

33 PXRによるＸ線吸収イメージ 波長が自由に選択可能 PXRとしては2004年現在世界で唯一 （実績： 6keV~20keV）
18keV: IC 波長が自由に選択可能 PXRとしては2004年現在世界で唯一 （実績：　6keV~20keV） 平行性が高い（発散が小さい）ため、イメージングに適している リニアな波長グラデーションを持っている 13.5keV: ICガード

34 PXRによる回折強調型位相コントラストイメージング
~8 m ~0.6 m サンプルを透過したときに生ずるX線の屈折をアナライザー結晶による 回折を利用して検出する（屈折コントラスト法） (A): 通常の吸収コントラスト (B): 吸収コントラスト＋屈折エッジ強調 (C): 回折強調型位相コントラスト（屈折コントラスト）

35 位相コントラスト像 （ジグモ） ジグモ 吸収コントラスト @ (A) 吸収コントラスト＋ エッジ強調@ (B)
2Hz 30min. by IP ジグモ 吸収コントラスト @ (A) 吸収コントラスト＋ (B) 通常の吸収コントラストとは見え方が異なる アナライザーの回転によりコントラストが反転　（位相反転）

36 位相コントラスト像 (ファイバー) プラスチックファイバー （ 直径 2mm ） 吸収コントラスト＋エッジ強調 @ (B)
位相コントラスト像 (ファイバー) プラスチックファイバー （ 直径 2mm ） 吸収コントラスト＋エッジ強調 @ (B) PXRエネルギー： 14 keV

37 PXRによる回折強調型位相コントラストイメージング
吸収コントラスト パラフィン封入 した葉っぱ 位相コントラスト

38 まとめ 100年以上にわたって、Ｘ線イメージングは社会 に大きく貢献してきた 加速器はＸ線源として重要なものになっている
従来の吸収法とは異なる原理の、位相コントラスト イメージングが脚光を浴びている パラメトリックＸ線放射は位相コントラストイメージング の実用化・普及において鍵となる可能性 日本大学LEBRAは先駆的な役割を果たせるかも

39 Fin.

40 Appendix

41 現状は遠赤外～紫外領域まで（X線領域は未踏）
加速器によるコヒーレントな光源 電子バンチ （高周波加速されたビーム） 放射光源である電子の塊（バンチ） と同じくらいの波長だと、異なる電子 から放射された光の位相が揃う コヒーレント放射 通常波長は0.1~数ｍｍ （ミリ波, サブミリ波, ＴＨｚ波） 通常の偏向電磁石放射、アンジュレータ放射 には光源コヒーレンスがない 蓄積されたアンジュレータ放射光 との相互作用で電子ビームが光の 波長で集群（マイクロバンチング） 　　　　　　　　　　↓ 　　　　光源コヒーレンスを獲得 　　　輝度、単色性、指向性向上 自由電子レーザ（FEL） 現状は遠赤外～紫外領域まで（X線領域は未踏）

42 LEBRAリニアックによるX線源の可能性
電子エネルギーは最大で125MeVが限界 電子エネルギー 臨界波長 曲率半径 磁場 8 [GeV] 10 [keV] 113 [m] 0.24 [T] Spring-8 30 [keV] 37 [m] 0.72 [T] 2.5 [GeV] 3.5 [m] 2.4 [T] PF 1 [m] 8 [T] 125 [MeV] 4×10-4 [m] 1×104 [T] 日大LEBRA 1.4×10-4 [m] 3×104 [T] 必要な磁場は現実的なものではない ↓ 他の可能性を探ろう

43 LCLS （SLAC : 米国）（2009年運転開始を目標）
世界のXFEL計画（目標は波長 1Å） LCLS　（SLAC : 米国）（2009年運転開始を目標） （主に米国内の）複数の機関の合同プロジェクト 既存の2マイル線形加速器を有効利用 予算：～400億円 TESLA　（DESY : ドイツ） （2012年運転開始を目標） 欧州共同プロジェクト（リニアコライダーに便乗） 真空紫外領域でのSASE－FELで先行（数10nm） 予算：～1200億円 SCSS　（SPring-8 : 日本）（2010年運転開始を目標） 後発で出遅れ（ゼロからのスタート） 巨大プロジェクト（素粒子物理などとプロジェクトと抱き合わせ）

44 軟X線（波長～10nm）までは可能（イオンプラズマ等） 1keV （波長～1nm）より短い波長は困難
従来のレーザ方式（原子物理的） 軟X線（波長～10nm）までは可能（イオンプラズマ等） 1keV （波長～1nm）より短い波長は困難 高反射率の鏡が無い、共振器の精度が厳しい 原子の最内殻の束縛エネルギー領域（ポンピングが難しい） 第4世代放射光源 ERL（エネルギー回収型リニアック）放射光源 第3世代光源の改良版 比較的低予算（数100億円） XFEL（X線自由電子レーザ） 光源（時間的）コヒーレンス実現の（現在）唯一の候補 10keV（～1Å）以上の短波長領域も原理的に可能 予算規模は桁違い

45 ⇒ 分極の緩和（脱励起）に伴い、電磁波放出 （電子雲の振動 i.e. 電気双極子振動）
分極放射 チェレンコフ放射 均質な媒質中を荷電粒子が光速度以上 で進むときに発生 荷電粒子の電場によって物質を構成する 原子が分極（変形）する（仮想励起） ⇒　分極の緩和（脱励起）に伴い、電磁波放出 　（電子雲の振動 i.e. 電気双極子振動）

46 PXRによるイメージング 葉っぱ（たんぽぽ？） @ 7keV 電子顕微鏡用金メッシュ @ 11keV ワイヤー太さ: ～25mm
(ＸＣＣＤ) 7keV (Imaging Plate)

47 PXRによるイメージング 13.5keV 7keV

48 PXRの応用の可能性（XAFS） XCCD image Cu CuSO4 Cu XANES structure chemical shift
x-ray energy high chemical shift

49 結晶分光光学の応用 （＋，－）配置： 　　　平行度が高い 　　　（エネルギー広がりは少し大きい） （＋，＋）配置： 　　　単色性が良い 非対称反射： 　　　X線ビームサイズの拡大・縮小

50 ビームライン 100MeV electron linac PXR beam line FEL beam line X-ray exit

51 2nd gonio e-beam permanent Q-magnet 1st gonio

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