ERL光源と電子ビームにより高エネルギーの光を発生させる手法を提案
cERL光源を短パルス軟Ｘ線光源へ
島田美帆助教（KEK加速器研究施設）と羽島良一（JAEA量子ビーム応用研究部門）グループリーダーらの研究グループは、コヒーレント放射光と電子バンチとの逆コンプトン散乱により軟Ｘ線からγ線領域の光を得るこれまでと異なる手法を提案しました。
加速器を通過する電子バンチに可視光レーザーを衝突させることで、Ｘ線など、よりエネルギーの高い光を得る方法をレーザー逆コンプトン散乱と言い、この手法は既に様々な加速器で実証されています。
一方、5-GeV ERL※１の実証器として現在建設が進められているコンパクトERL（cERL）は、電子バンチの長さがサブミリメートルであることから、赤外線よりさらに長波長域の光（コヒーレント放射光（Coherent Synchrotron Radiation : CSR)）を放出するテラヘルツ光源でもあります。可視光レーザーの代わりに、このテラヘルツ光を電子に衝突させることで、電子ビームのエネルギーに応じて、軟X線からγ線領域の光を発生させることも可能になります。
この手法によりcERLで得られる軟X線強度は、現在フォトンファクトリー(2.5GeV)の偏向電磁石光源で得られるものと同程度（光子数は帯域10％で１パルスあたり10^4-5、１秒あたり 10^13-14）と見積もられました。5-GeV ERL実現時には、電子ビームのエネルギーが上がるため、γ線領域の光源となり、様々な研究に応用できる可能性を広げます。
本研究の成果はPhysical Review Special Topics - Accelerators and Beams誌2010年10月号に掲載されました。
M. Shimada and R. Hajima : Inverse Compton scattering of coherent synchrotron radiation in an energy recovery linac. Phys. Rev. ST Accel. Beams, 13, 100701 (2010)
フレッシュな光を生み出す電子銃 ～ 次世代光源の実現へ大きな一歩 ～
加速器から作り出される光「放射光」は今や多くの分野の研究に無くてはならない道具となりました。ナノスケールでのふるまいやタンパク質の構造解析は、電子部品の微細化や新薬開発などに繋がり、放射光のニーズはますます高まっています。
KEKに放射光施設フォトン ファクトリーが造られてから約30年、新たな放射光施設の第一歩であるコンパクトERL（Energy Recovery Linac：エネルギー回収型ライナック）が造られようとしています。今回は、コンパクトERL実現を担う電子を入射する電子銃開発のお話です。
次世代の放射光施設
「放射光」とは、ほぼ光速まで加速した電子を曲げた時に、放射される光のことです。放射光を効率よく得るため、電子を円形加速器の中でぐるぐると回しています。しかし、電子ビームは何度も回っているうちに、だんだん「ぼけ」てきてしまいます。
図１
四角で囲まれた部分では、一周して戻ってきた電子（赤）のエネルギーを回収し電子銃（緑）から出てきた新品の電子（青）をそのエネルギーで加速する。
そこで、鋭い放射光を得るため、１周ごとに「新品の」電子を使おう、というのが次世代型なのです。１周して光を出し終えた電子は、まだ高いエネルギーを持っています。これをそのまま再利用する従来型に対し、次世代型は残ったエネルギーだけを超伝導加速空洞の中で回収し、次の電子を加速するために有効活用する 「エネルギー回収型」なのです。
これにより、エネルギーを上手に活用でき、さらに加速器を回っている電子は常に電子銃から出たばかりのフレッシュな電子になります。
性能のカギを握る電子銃
フレッシュであるということは、電子銃で作られる電子の質に放射光の質が大きく左右されることでもあります。料理に例えて言うならば、手を加えない調理法だけに素材そのものに大きく左右される、お刺身のようなものです。電子銃で非常に質の良い（運動量・エネルギーの揃った＝エミッタンスの小さい）電子ビームを生成することが、従来の放射光より強く、短いパルスの光を可能にする重要な開発なのです。
では質の良い電子ビームをつくるにはどうしたら良いのでしょうか？それには、まず質の良い電子の塊（バンチ）を発生させることが重要です。半導体結晶にレーザー光を当てると、半導体内部から励起された電子群が表面から真空中へ取り出されます。
このバンチはたくさんの電子が時間的・空間的に集まった状態なので、マイナス電荷をもつ電子同士に互いに反発する力が働いてしまいます。ビームの強度を上げるためにはバンチに電子を多く詰め込む必要がありますが、集まる電子が多くなるほど反発力が強くなり、ビームの質が悪化（エミッタンスが大きくなる）してしまいます。これではせっかく半導体結晶で発生させた質の良いビームの意味が無くなってしまいます。
これには発生させた電子ビームを瞬時に加速して光速に近づけることで、電子自身が作り出す磁場の作用により、互いの反発する力を打ち消し合い、ビームの質を高めることができます。そのため電子銃に50万ボルト（500kV）以上の高い加速電圧と加速電界をかける構造が必要になります。
図２
（左）セラミック管（黄色）の中央部にサポートロッドが通り、先端部にカソード電極が設置されている。カソード電極の先端部に半導体結晶が固定され、そこへレーザー光を照射することで、光に同期して電子ビームが矢印の方向へ加速され超伝導加速空洞へ送られる。
（右）500kVの状態となるサポートロッドから発生した電界放出電子が電圧の低いセラミック管部へ流れ込もうとするが、セラミック管の分割部に設置されたガードリングにより電界放出電子がセラミック管に直接当たらない構造となっている。
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やっかいな問題
しかし大きな電圧は、電子銃内部で雷のような放電を発生し、その衝撃によりセラミック管に小さなヒビや穴を空けてしまいます。電子銃の内部は、安定にビームを出し続けるために、限りなく真空状態（大気圧の10兆分の１以下）を保つ必要があり、ごくわずかな漏れも許されません。そこでセラミック管の構造を多段に分割して電界を一様にさせ、セラミック管中心部にある高電圧の電極からの放電が直接セラミックに当たらないようにリング状のシールド電極を内側に付けることで、放電と真空漏れの問題を回避しました。
コンパクトERL用の電子銃としてこれまでに開発されたもので安定にかけられる電圧は、米国ジェファーソン研究所の350kVが最高電圧でしたが、今回、日本原子力研究開発機構（JAEA）、KEK、広島大学、名古屋大学の共同研究グループで開発した電子銃では、世界で初めて500kV以上の電圧を安定にかけることに成功しました。なお、電子銃装置の組立、高電圧実験はJAEAにて行われました。
図４
550kVまでの電極のコンディショニング履歴
微小な放電を繰り返しながら、電極表面の放電しやすい箇所を無くし、安定にかけられる電圧を徐々に上げていくコンディショニングの過程。
図５
電圧保持時間と真空度
放電発生時には、放射線の発生や真空が悪くなる現象がみられるが、今回500kVの状態を8時間維持した状態では、有意な放射線の発生や真空の悪化が見られず、放電無く安定に500kVかけられることを確認した。
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この新型電子銃の開発により、コンパクトERLの実現にさらに一歩近づくことになります。コンパクトＥＲＬでは小領域の動きを直接観察できるため、生体反応やデバイス動作機構、化学反応などをピンポイントで観察する物質・生命科学分野へ多様な研究が見込まれています。
この研究はアメリカの科学雑誌Review of Scientific Instrumentsオンライン版で発表されました。
