加速器の応用 IABS-IBARAKI 1 加速器の応用 1.現代の加速器では、 エネルギーも強度の 範囲もほぼ10桁にも 及ぶ 2.ビームの種類も電子、 陽子、重イオン、更に 中性子、陽電子、 不安定核、中間子、 放射光など様々なもの が可能となった。 3.加速器の可能性は 更に広がりつつある。 2 加速器技術と原子力技術 加 速 器 粒子ビーム科学 ビーム軌道解析・ビーム計測 超精密加工 高電圧 RI 生産 医 療 核破砕 原子炉工学 核燃料 核反応解析 重大事故対策 耐震性 制御 運転・保守 ロボット 放射線計測・遮蔽・管理 核データ・材料 計算機技術 土木建設 エネルギー変換 電熱流動 構造力学 イオン源 真空 大電力高周波 超伝導 電磁石 プラズマ物理 プラズマ加熱 ・閉じ込め トリチウム技術 核融合 核分裂 原 子 力 3 加速器等の設置 出典：（公）日本アイソトープ協会「放射線利用統計」（2012） 4 大強度陽子加速器 •大強度陽子加速器は、大強度核破砕中性子源、μ中間子源、不安定核 ビーム源、加速器駆動核変換施設 (ADS)などで利用されるものとして 注目されている。 •最新の更に大強度の施設が日米に建設されている。（J-PARC （日）、 SNS（米）） Name Country Laboratory Acc.type Energy CurrentPulsewidthRep.rate Power Use Status (MeV) (mA) μs (Hz) (MW) KENS Japan KEK synchro 500 0.006 10,100 20 0.003 Neutron/Injector Operation IPNS US ANL synchro 500 0.012 3,10 5 0.006 Neutron 〃 TNF Canada TRIUMF cyclo 450 0.1 CW 0.045 Meson/Neutron 〃 ISIS UK RAL synchro 800 0.2 3,10 50 0.16 Neutron 〃 SINQ Swiss PSI cyclo 600 2 CW 1.2 Meson/Neutron 〃 LANSCEUS LANL linac 800 1 900 120 0.8 Meson/Neutron 〃 J-PARC Japan JAERI/KEKlinac/synchro 3000 0.3 1 50 1 Multi/Neutron Construction SNS USA ORNL linac/ring 1000 2 1 60 2 Neutron Construction ATW US LANL linac 1000 45 CW 45 Transmutation Planned 5 6 加速器建設における最近の傾向 1. 加速器施設は、世界最先端の研究を目的とした多くの ユーザを有する多目的なもの（Multi Purpose)となった。 2. 施設が大きくなったため、建設費が膨大となってきている。 そのため、他の施設の予算を圧迫している。 3. 中性子、ＲＩビーム、放射光、コヒーレント光、赤外自由電子 レーザーなどの２次粒子ビームの利用が増えてきている。 4. 小型で低価格の加速器に対する需要が純粋科学、産業用 の双方に於いて増加している。 7 加速器が対象とする研究分野 ■従来の加速器・ビームの位置づけ 原子核・素粒子分野等先端科学技術のツール 研究の手段としての役割が主体 新たな研究分野 Ⅰ. 高度な分析、加工技術 Ⅱ. 生物・医療 Ⅲ. エネルギー生産 Ⅳ. ビーム物理学（シミュレーション、カオス） 8 加速器・ビーム技術 a.加速手法・技術 ビ－ム物理・工学、新加速原理、非線形ビ－ム・波動 b.ビーム技術 ビ－ム輸送、ビ－ム制御、ビ－ム冷却、電磁石設計、電源、 要素技術、ビ－ム形成、マイクロビーム、ビームモニター、 ビーム計測 c.イオン源・電子源技術 イオン源、（陽）電子源、中性粒子ビ－ム、偏極粒子ビーム、 RIビーム d.システム技術・制御技術 遮蔽設計、加速器設計、機械設計、機器制御システム 加速器建設、運転管理、安全システム 9 加速器・ビームの利用－Ⅰ a.エネルギー 加速器炉、消滅処理、加速器増殖、強力中性子、 中間子ビ－ム、慣性核融合、ＭＨＤ発電、材料開発 b.高度分析 微量分析、ＰＩＸＥ，マイクロビ－ム、年代測定 ビ－ム実験技術、測定装置、中性子利用、RIビーム利用 c.先端加工 ビ－ム照射効果、表面分析、改質、キャラクタリゼ－ション、 リソグラフィ－、マイクロマシニング 10 イ オ ン 照 射 研 究 施 設 Ｔ Ｉ Ａ Ｒ Ａ 材料･バイオ研究に最適なイオンビームを 生み出す４種類のイオン加速器 イオン注入装置 シングルエンド加速器 サイクロトロン制御室 大気 マイクロ PIXE分析 静電加速器制御室 サイクロトロン イオン源 タンデム加速器 トリプルビーム照射 マイクロビーム 照射 ４種類の加速器で得られる ビームエネルギー範囲 シングルイオンヒット 大面積均一照射 ポジトロン利用 標準中性子場 111 TIARAの４種類の加速器で得られる主なビーム性能 加速器 サイクロ トロン タンデム 加速器 シングルエ ンド加速器 イオン 注入装置 加速粒子 陽子 ヘリウム アルゴン クリプトン キセノン 金 陽子 炭素 ニッケル 金 陽子 重陽子 ヘリウム 電子 陽子 アルゴン 銀 エネルギー (MeV) 5～ 90 10～ 110 94～ 990 200～ 1030 300～ 930 440～ 460 0.8～ 6 0.8～ 18 0.8～ 18 0.8～ 21 0.4～ 3 0.4～ 3 0.4～ 3 0.4～ 3 0.02～ 0.4 0.02～ 1.2 0.02～ 1.2 加速器の特徴 AVF型 (Azimuthaly Varying Field) K値 110 ターミナル電圧 0.4～ 3 MV ターミナル電圧 0.4～ 3 MV ターミナル電圧 10～ 400 kV 12 ●広いエネルギー領域をカバー （20keV～1GeV：5桁） ●豊富なイオン種 （Ｕ以下のほとんどの元素可能） ●材料・バイオ研究用専用照射技術 ・精密照射 マイクロビーム シングルイオンヒット ・短時間イオン種変更 カクテルビーム加速 ・大面積均一、パルスビーム照射 ・MeVクラスターイオン 13 これまでの主な加速器・ビーム技術の成果 イオンビーム利用による 新学問領域の開拓 先駆的なビーム技術開発 マイクロビーム形成技術 数MeV級 軽イオン ： 0.25μm ・照準位置の 十数MeV級 重イオン ： １μm 高精度化 数百MeV級 重イオン ： 数μm シングルイオンヒット技術 イオンを１個１個制御しながら照射 細胞生物学・生命科学 ・照射野の高 分解能化 ・照射イオンの 個別制御 応用 ・生体機能の解明 ・細胞加工 ・有用物質生成 生物細胞 10μm 医学・生物学・歯学・環境科学など 牛の血管細胞の元素分布 ・元素分布測 大気マイクロPIXE分析技術 定領域の微小 微小領域の微量元素分布測定 化と高感度化 60 μm 臭素 カリウム ・病気発症メカニズム や薬剤効能の解明 ・歯へのフッ素取り込 みの解明など 宇宙開発 カクテルビーム加速技術 イオン種とエネルギーを短時間切替 ・評価試験時 応用 間の大幅短縮 宇宙線 ビーム高安定化技術 サイクロトロン磁場を高安定化 ΔB/B≦0.001% ・照射試験の 信頼性向上 応用 相対ビーム強度 半導体 素子 太陽 電池 ・宇宙線に強い半導体 素子の評価・開発 ・太陽電池の寿命評価 1.0 安定化後 0.5 0 0 従来 20 40 時間(hours) 全ての研究分野 141 加速器・ビームの利用－Ⅱ d.医療・バイオ・環境 癌治療、診断、ＣＴ、アイソト－プ生産、ＢＮＣＴ 核化学、ビ－ム・生体相互作用、バイオ 環境保全、排煙処理、汚水処理、プラスティック固化 e.基礎科学・データ 核・素粒子物理、物性物理、宇宙・地球科学、考古科学、 基礎科学一般、光量子科学、冷中性子、ビ－ムプラズマ、 核変換、低エネルギ－、中性子デ－タ、電子デ－タ、 炉物理デ－タ、中高エネルギ－、超高エネルギ－、 医療・宇宙利用核デ－タ、核熱デ－タ 15 加速器・ビームの基礎技術 a.核・原子・分子情報、データ 核デ－タ、原子分子デ－タ、エネルギ－損失デ－タ、 放射化デ－タ、積分デ－タ、遮蔽デ－タベ－ス、荷電変換、 レ－ザ－ビ－ム相互作用 b.計測・データ処理手法 放射線計測、多次元デ－タ処理、データ解析・処理手法、 センサー・検出デバイス、エレクトロニクス・信号処理 c.ターゲット・核熱技術 タ－ゲット技術、極限核熱設計、中性粒子加熱、 大口径イオン源 d.制御・知的支援手法 制御理論、高速制御、ロボット、知的支援 e.新デバイス 超伝導、極低温、高電圧、高周波、超高真空、レ－ザ－ 16 中性子導管、ミラ－技術、Ｘ線集束 原子力分野での応用 ■ 放射線を取り扱う技術 安全、遮蔽、計測、制御、照射解析、環境安全、リスク評価 バックエンド、解体・廃棄物、ホット試験 ■ 高密度の出力を取り扱う技術 伝熱流動、高温材料、ターゲット、融体 ■ 原子炉工学 システム工学、ニュートロニクス、機器の信頼性、核データ ■ エネルギー生産 核融合、核変換処理、発電炉、核熱利用 ■ ビーム工学 レーザー、NBI、高周波加熱、超伝導磁石 17 加速器・ビーム関連データ a 原子核データ（中性子、ガンマ線、陽子、重イオン、電子、 中間子、光量子） エネルギー領域（冷中性子、数GeV） 対象（構造材、ターゲット材、空気、サンプル） 反応の種類（全断面積、散乱断面積、吸収断面積、 その他） b 原子分子データ 対象（バイオ、生体、医療） c 材料データ 対象耐放射線材料、セラミックス、プラスチック、 構造材等 18 ２次ビームの利用 Secondary beams の種類が大幅に増加している 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 中性子 シンクロトロン放射光 陽電子 RIビーム ミューオン(μ) ニュートリノ(ν) 中性粒子加熱装置 その他： コヒーレント光、ミリ波領域赤外自由電子レーザー等 19 量子ビーム 1. 様々な新たな加速器技術が発明され、これらの加速器 からのビームは従来の伝統的な放射線という範疇に 入れることが出来なくなった。 2. 最近では量子ビーム “quantum beam” と言う言葉が 頻繁に使われてきている。 3. さらに量子ビームの定義も広がってきている • 荷電粒子 (電荷を持った電子、陽子などの全ての粒子、 パイオン、Ｋオンなどの素粒子、またはその固まり（クラスター・ ビーム） • 中性粒子ビーム(中性子、ニュートリノ、中間子) • 光量子 (X線, γ線、放射光, 様々なレーザー、コヒーレント光） 20 中性子の特徴 ①電荷を持たないために物質のどこへでも浸透してい くことができる。 ②低いエネルギーの中性子ではド・ブロイ波長（中性子 が波の性質を示すときの波長）が固体での原子間 距離程度の大きさに近い。 ③磁気モーメントを持っているために物質の磁気的な 性質を調べる道具となり得る。 材料や生物体研究のためのプローブ（探索子）として 使用されている。 発見：1932年J.Chadwick 質量：939MeV/c2 平均寿命：887s 内部構造：udd n→p+e+ne 電荷：0 ド・ブロイ波長（熱中性子）：0.181nm スピン：1/2 異常磁気モーメント：-1.913mN 21 シンクロトロン放射光 放射光：光速に近い高エネルギーの電子が、磁場を通過すると、 磁場によってその進行方向を曲げられ、その接線方向に電磁波 （光）を発生する。 この現象は1947年に初めて電子シンクロトロンで観測された。 放射光は、電子のエネルギーが高いほど指向性の良い明るい光 となり、また電子のエネルギーが高く、進む方向の変化が大きい ほどＸ線などの短い波長の光を含むようになる。 放射光はマイクロ波からＸ線にいたる広い範囲の連続スペクトル を持っており、指向性が良く、偏光している。 22 光のエネルギーと波長 電波（長波、短波、ＦＭ波など）、光（赤外線、可視光線、紫外線）、X線・γ線は すべて電磁波とよばれる同じもので、粒子と波の両方の性質を持つ。光子の エネルギー（Ｅ）と波長（λ）は次の関係式で結び付けられる。 Ｅ＝ｈν＝ｈｃ／λ ｈ：プランク定数、ν：光の振動数、ｃ：光の速度 このように光のエネルギーは振動数に比例し、波長とは反比例の関係にある。 23 放射光発生の原理と光のスペクトル分布 24 光のスペクトル分布 25 臨界波長と広がり 臨界波長 c 18.6 / E [ GeV ] B [ tesla ] c 12.4 / c 2 分布と広がり W ( ) 2 /( 1 2 2 ) 1/ 26 アンジュレーター 図のようなＮ極Ｓ極が交互になる ように配置した永久磁石列（アンジュ レータ挿入光源という）中に、電子 ビームを通すと、電子は細かく蛇行 し、放出される光同士が干渉して、 エネルギーのそろった強力なX線を 得ることができる。 27 SR (シンクロトロン放射光) (材料研究) • X線が物質に照射されると、吸収、透過、散乱／回折、蛍光・光電子 放出等が誘起される。 • このような相互作用には、物質の種類・構造、X線のエネルギー・偏光 に依存した特徴がみられる。このような特徴を利用することによって、 種類、構造、物質の原子レベルでの成り立ちを様々な種類の環境状況 と時間依存性が追跡できるという条件の下で分析できる。 • それらは、また、化学反応や物質変更のエネルギー源として利用 できる。 極限条件での先進材料の原子・電子の構造、物質の状態 新物質の創造 物質の再構成・評価 28 SR (シンクロトロン放射光) (他の研究分野) 地球科学： 物質構造・深地下の状態、極限環境下での物質状態、 隕石または宇宙塵の分析 生命科学： タンパク質分子の構造解析、非晶質生体物質の小角散乱、 新薬の開発 環境科学： 人体試料中の環境汚染物質の分析、高効率電池物質、 環境改善のための触媒 医学利用：腫瘍血液細胞の血管造影観察、断層撮影、屈折による 心肺組織変調の観察、濃淡可視化手法 29 Circumference is 1.5km Bird eye view of SPring-8 site, 1GeV linac, 8GeVsynchrotron and 8GeV storage ring at Harima 30 31 自由電子レーザー 32 陽電子（ポジトロン） 素粒子の１つである。ポジトロンという。1932年アンダーソンに よって宇宙線の中から発見された。 電子と同じ質量で正の電荷を持っている。電子の反粒子。 真空中で1022(511×2) keV以上のエネルギーを与えると生成。 電子対生成。 陽電子は、電子と衝突すると光子を出して消滅する。この現 象を利用して固体内の電子状態を調べることを陽電子消滅法 という。 33 陽電子の生成 b+ 崩壊（原子炉や加速器で生成されるRI） 原子炉：58Co、64Cu 加速器：22Na、18F (8O(p,n)18F)、27Si (27Al(p,n)27Si) 高エネルギー制動放射線による電子対生成 高エネルギー電子リニアック＋重核（W 、Pt） この方法は低エネルギー陽電子源として利用される。 高エネルギー電子及び超電導wigglerによる電子対生成 最近ではこの方法が多い。 34 ミューオン(μ) 質量が105.66 MeVの素粒子で、電荷は電子と同じeで正と負が ある。ミュー粒子ともいわれ、μで表される。 平均寿命2.20×10-6秒で電子（または陽電子）と反電子ニュー トリノとμニュートリノに崩壊する。 宇宙線の霧箱写真から1937年アンダーソンらによって発見され た。 原子を構成している電子のうち普通１個がμ－によって置き換え られた原子をミュー粒子原子という。μ－は電子に似ているが 質量が200倍もあるため、その軌道半径も電子の軌道の 約1/200であり、原子核の極めて近くに存在しやすい。 1958年のアルバレらによる実験結果は、μ－の入った水素原子 の触媒核融合反応の発生を示すものとされている。 ミューオン慣性核融合、ミューオン・スピン共鳴（μSR） 35 RIビームファクトリー 重イオン線形加速器により予備加速された重イオンをリング サイクロトロン（SRC）で加速し、さらに核破砕加速器により 加速させ重イオンとターゲット核との核反応を利用して水素 からウランまでの全元素にわたる不安定核（ＲＩ）ビームを 発生させる。 シンクロトロン加速器（BigRIPS）／蓄積・冷却リング（ACR） により高いエネルギーで高品質のＲＩビームを発生させる 装置。理化学研究所のＲＩビームファクトリー（RIBF） ＲＩビームの利用は核物理学のみならず、化学、生物学、 薬学、医学・工学などさまざまな分野での基礎研究・応用 研究が期待されている。 36 理研のRIビーム工場 the RIKEN RI Beam Factory (RIBF) 37 ニュートリノ 記号νで表され、電気的に中性で安定な素粒子で、中性微子 ともいう。静止質量は電子の質量の千分の１よりも小さい。 物質との相互作用は殆どなく、それ自身崩壊しない。 弱い相互作用においてそれぞれ電子またはμ中間子と対に なって現れる。電子と対になるものを電子中性微子νｅといい、 μ中間子と対になるものをμ中性微子νμという。両者とも反中 性微子が存在する。 不安定な原子核が安定な状態になるために、核内の中性子 を陽子に変えたときに、β線と一緒にニュートリノ（中性微子） を放出する。 38 中性粒子加熱装置 (NBI) 磁場閉じ込めの核融合炉において、重水素や三重水素の プラズマ粒子相互に十分な核反応を起こさせるに必要な エネルギーを持たせるには、はじめにプラズマを外部から 加熱する必要がある。 その手段の一つがNBIである。最初にイオンをビーム化して 加速し、磁場を通り抜けて中心プラズマを加熱するために、 途中中性化セルを通して中性粒子とし、プラズマに注入する ことによりビームエネルギーは熱化する。 加速電圧は40-1000keVで１ビームで数MWのパワーを注入 出来る。これを特に高速でトーラスの接線方向に打ち込む ことにより、電流駆動を行う試みがある。 39 Engineering Device and Software 工学機器とソフトウェア 遮蔽装置 利用系 ソフトウェア 制御システム パワーサプライ インプット 利用系 パワー伝送系 主要加速 ユニット パワー制御 装置 アウトプット 付属設備 故障個所 ビームスピル 保守部品 メンテナンスクルー バックアップ システム サポート データ 装置の基礎技術・データ 40 核破砕中性子源 (J-PARC and SNS) J-PARC, 400MeV linac and 3GeV synchrotron Beam power 1MW JAEA/KEK Tokai Completed in 2007 Oak Ridge National Lab. SNS, 1GeV superconducting linac, Accumulator ring Beam power 2MW Completed in 2006 41 超伝導(SC) RF リニアック ATW用デザイン (LEDA Low Energy Demonstration Accelerator) LEDA Source Proton beam current110mA Total beam current 130mA Beam emittance 0.2p mmmrad Operating voltage 75kV ATW (Accelerator Transmutation of Waste) 1.0GeV 45mA superconducting linac RF frequency 700MHz Configuration of LEDA Beam current Beam emittance Final energy Length RF power Peak field LEDA RFQ 100mA(95%) 0.22 p mm.mrad 0.17 p degMeV 6.7MeV 8m(4sections) 670kW(beam) 1.2MW(structure) 1.8Kilpatric LEDA, Viewed from ion source 42 サクレーにおけるフランスの提案 IPHI（The Saclay HighIntensity Proton Injector Project） X-ADS SILHI Goals Achievement Beam current 110mA(90%p.f.) 157mA(83%p.f.) Beam emittance 0.2pmmmrad 0.11pmmmrad Oeprating voltage 95kV 95kV Beam noise(rms) 2% 1.20% 43 韓国の提案 PEFP Proton Engineering Frontier Project at KAERI 100MeV, 20mA Project period 2002-2012 44 核融合材料のための中性子源 1. 2. In the study of materials for nuclear fusion reactor, it is important to irradiate materials by neutrons and observe its radiation damage. Because the real fusion reactor is not realized yet, the neutron source facility (International Fusion Materials Irradiation Test Facility (IFMIF)) which uses D-Li reaction has been proposed Overview of the IFMIF design showing major subsystems 45 Status of PSI Ring Cyclotron http://www.acs.psi.ch/acs/ACSstatus-g-r.html 46 47 微少な世界を探る手段 ドブロイ波長 pc=2πħc/λ ħc=1.973x10-11MeV･cm E2=(pc)2+(m0c2)2 Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ 1. 10 10 1. 10 11 1. 10 12 1. 10 13 1. 10 14 1. 10 15 0.1 10 1000 100000. Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ （ＭｅＶ） 48
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