(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチバンチの相対論的電子ビームが射出する長波長のコヒーレント放射を集光して試料に照射し、前記試料を透過した透過光もしくは前記試料で反射した反射光を再び集光して次ぎ以降の電子バンチと正面衝突するように制御した状態で、逆コンプトン散乱によって生じた散乱光のスペクトルを測定し、前記光のスペクトルに基づいてテラヘルツ帯付近の波長の吸収もしくは反射スペクトルを測定することを特徴とするテラヘルツ波電子線分光測定方法。
【請求項２】
前記逆コンプトン散乱の発生を制御して、前記逆コンプトン散乱によって生じる光をスペクトル測定しやすい紫外光域から可視光域のスペクトルを有するようにし、同時分光するようにしたことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波電子線分光測定方法。
【請求項３】
前記反射光又は前記透過光を穴空きミラーによって集光し、前記長波長のコヒーレント放射と逆コンプトン散乱によって生じた散乱光を分離することを特徴とする請求項１又は２記載のテラヘルツ波電子線分光測定方法。
【請求項４】
逆コンプトン散乱によって生じる散乱光のスペクトル純度を保つように微小角の偏向磁石により電子ビーム軌道を偏向し、その偏向磁石より上流の軌道と偏向磁石より下流にある衝突点の電子ビーム軌道とを変移させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のテラヘルツ波電子線分光測定方法。
【請求項５】
前記逆コンプトン散乱によって生じた散乱光は、吸収タイプのアパーチャーを介して分光測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のテラヘルツ波電子線分光測定方法。
【請求項６】
少なくともコヒーレントシンクロトロン放射ビームを発生させるための偏向磁石を有し、拡がりを持つコヒーレントシンクロトロン放射ビームを集束させて試料まで伝播させる第１光学系と、前記試料のスペクトル特性を抽出したコヒーレントシンクロトロン放射ビームを電子ビーム軌道と正面衝突させるように導く第２光学系、前記正面衝突によって発生した逆コンプトン散乱光子のエネルギーの揃った成分を分光器へ入射させる第３光学系を有することを特徴とするテラヘルツ波電子線分光装置。
【請求項７】
前記第１、第２および第３光学系に共通に穴空き集束レンズと穴空き反射光を用いたことを特徴とする請求項６記載のテラヘルツ波電子線分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームとレーザーとによるコンプトン散乱と電子ビームからのコヒーレント放射光を利用した加速器の利用に係り、特にテラヘルツ波の電子線分光測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波長領域は、光波と電磁波の波長の中間帯に位置し、分光測定に適した光源が少なく、研究開発の遅れた領域であった。
しかし最近では、通信やイメージング技術などの分野でこの波長帯が注目され始めていて、高エネルギー電子バンチから放射されるコヒーレント放射や後進後波管による発振、半導体等の電流スイッチングによって放射されるテラヘルツ光を利用して、めざましく研究が進んでいる（特許文献１、２参照）。
【０００３】
このテラヘルツ波長帯には分子結合に特徴的な吸収スペクトルが存在するので、物質同定や危険物感知などの分野で応用が期待されている。
しかしながら、テラヘルツ帯の広い波長領域において、強力な連続スペクトル光源は現在でも少なく、分光測定を行うには波長可変光源を用いて少しずつ波長を変えて広い波長領域をカバーするか、又は、時間領域分光法によってプローブ光の遅延時間を変化させて広い波長領域をカバーする光源としている。
【特許文献１】特開２００７−０５７４０７号公報
【特許文献２】特開２００７−３２７８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術ではテラヘルツ帯の高感度なアレイ型検出器が入手困難であるため、広い波長領域にわたる同時スペクトル測定は困難であった。即ち、異なる波長に対する反応は、違った時刻のイベントを観測することになるため、広い波長領域にわたって測定するためには、異なる波長の異なる時間毎の測定結果を継ぎ合わせなければならなかった。
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、テラヘルツ光を照射した同時刻のイベントの分光測定を行うテラヘルツ波電子線分光測定方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、テラヘルツ光のスペクトルを相対論的電子エネルギーとの逆コンプトン散乱によって同時観測しやすい波長域にエネルギー変換を行い、テラヘルツ光を照射した同時刻のイベントの分光測定を可能にするものである。
具体的には、テラヘルツ帯の長波長高輝度光を発生するために、電子加速器の相対論的電子ビームから射出されるコヒーレント放射を利用する。
コヒーレント放射とは、放射ビームの波長が電子バンチのバンチ長を超えた時にコヒーレントになり、バンチ内電子数の２乗に放射強度が比例するために高輝度になる現象である。
コヒーレント放射には利用する放射によって幾つかの形態があることが知られているが、それらの形態の一つであるコヒーレントシンクロトロン放射（ＣＳＲ）やコヒーレント遷移放射によって強力な連続スペクトルのテラヘルツ光を得ることができる。
【０００６】
テラヘルツ光を伝播してから集光して資料にあて、その透過もしくは反射光を伝播し、次ぎ以降の電子バンチに正面衝突させる。これにより、逆コンプトン散乱が生じて、エネルギーの高い光子が発生する。衝突させる直前にテラヘルツ光を集光しなければならないが、同じ経路に逆コンプトン散乱された高エネルギー光子が通過する（電子ビームも通過する場合も可能）ので、集束レンズには高エネルギー光子用の穴を開けておく。もし集束レンズが高エネルギー光子を良く吸収できるのであれば、これがアパーチャーの役割も果たす。テラヘルツ光は連続スペクトルなので、逆コンプトン散乱によって発生した光子は、電子ビーム軌道軸上であっても連続スペクトルになる。資料の有無で散乱光子スペクトルに差が生じるので、それが吸収もしくは散乱スペクトルになる。
【０００７】
特に、テラヘルツ波電子線分光装置は、少なくともＣＳＲビームを発生させるための偏向磁石を有し、拡がりを持つＣＳＲビームを集束させて試料まで伝播させる第１光学系と、その試料のスペクトル特性を抽出したＣＳＲビームを電子ビーム軌道と正面衝突させるように導く第２光学系、さらにはその正面衝突によって発生した逆コンプトン散乱光子のエネルギーの揃った成分を分光器へ入射させる第３光学系によって構成される。
また、第１〜第３の光学系に共通に、穴空き集束レンズと穴空き反射光を用いる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、試料を透過または反射することでその試料の透過または反射スペクトル情報を持った広い波長領域にわたるテラヘルツ光に対して、相対論的電子エネルギーとの逆コンプトン散乱によって同時観測しやすい波長域にエネルギー変換を行うことにより、テラヘルツ帯の広い波長領域にわたる同時スペクトル測定を行うことができる。
広い波長帯域の連続スペクトルテラヘルツ光発生には、マルチバンチ電子ビームから射出されるコヒーレントシンクロトロン放射（ＣＳＲ）やコヒーレント遷移放射を利用するので、強力なテラヘルツ光発生と逆コンプトン散乱を同一の加速器で行えるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施例を図に基づいて詳細に説明する。これらの実施例は本発明を限定するものではない。
（実施例）
加速器としては産業技術総合研究所に設置されているフォトカソードＲＦ電子銃付き小型Ｓバンドリニアックを使用する。
電子ビーム特性及びレーザー特性については、既存の技術で入手可能であると思われる数値を利用する。
テラヘルツ光源には９０度偏向磁石を電子ビームが通過することで射出されるＣＳＲを利用する。
以下の計算で使用する主なパラメータを表１に示す。
【００１０】
【表１】
0004925133.tif 000002
【００１１】
図１〜６は、本発明のテラヘルツ波電子線分光装置の要部構成図であり、ＣＳＲビームおよび試料からの透過・散乱光を含めた光学系および電子ビーム軌道の時間変化を示した模式図になっている。
テラヘルツ波電子線分光装置は、少なくともＣＳＲビームを発生させるための偏向磁石を有し、拡がりを持つＣＳＲビームを集束させて試料まで伝播させる第１光学系と、その試料のスペクトル特性を抽出したＣＳＲビームを電子ビーム軌道と正面衝突させるように導く第２光学系、さらにはその正面衝突によって発生した逆コンプトン散乱光子のエネルギーの揃った成分を分光器へ入射させる第３光学系によって構成される。
【００１２】
第１光学系は、ＣＳＲビームの発生点４，ＣＳＲを取り込む穴空き集束レンズ５、穴空き反射鏡６、集束レンズ７、試料８及び反射鏡９からなる可動ステージ１０で構成されている。ＣＳＲビームはシンクロトロン放射のコヒーレント成分であるので、相対論的電子ビームが電磁場を受けて加速度運動する時に、電子軌道の接線方向を中心として広範囲に放射されるが、発生点４付近のＣＳＲビームのみを集束レンズ５にて集光し、平行ビームに近い波面で伝搬し、穴空き反射鏡６で方向を変えて、集束レンズ７で集光し試料８を透過（または反射）させる。
【００１３】
第２光学系では、試料８を透過したＣＳＲは反射鏡９で波面を元の状態に保ったまま方向を反転し、再び試料８を透過して収束レンズ７，穴空き反射鏡６，集束レンズ５の経路を通って衝突点１１に集光する。また、試料８にて反射した場合は、収束レンズ７，穴空き反射鏡６，集束レンズ５の経路を通って衝突点１１に集光する。可動ステージ１０は光路長を調整するのに使用される。
【００１４】
第３光学系は、衝突点１１から、直線に並んだ穴空き集束レンズ５及び穴空き反射鏡６，吸収アパーチャー１２、レンズ１３及び分光器１４で構成される。衝突点１１で試料８のスペクトル特性を含んだＣＳＲビームと電子ビームとが正面衝突することで逆コンプトン散乱光が極めて狭い立体角内に発生し、集束レンズ５及び穴空き反射鏡６，吸収アパーチャー１２の開孔部分を通過した成分のみがレンズ１３に至る。散乱光はレンズ１３で収束されて分光器１４に入射される。分光器１４は試料８のスペクトル特性を測定するための高感度マルチチャンネル光子検出器１８を有しており、試料８のスペクトル特性を反映したスペクトルが得られる。
【００１５】
このテラヘルツ波電子線分光装置１では微小角ステアリング１７によって区切られる短い直線部２が存在するために、一定時間毎に到来するマルチバンチの電子ビームの内、直線部２にて相互作用するＣＳＲビームと電子バンチは一つしか存在せず、その直線部２の延長方向に設置された分光器１４には、エネルギーの揃った逆コンプトン散乱光子のみが入射されることになる。
真空チャンバー１５は、直線部２および偏向部３、並びに主に可動ステージ１０を含む光学系を収納するように構成され、必要に応じて適宜分割されている。
【００１６】
偏向部３は、例えば、直線部２の長さ方向に６００ｍｍ、電子軌道となる円弧の中心から半径ρが５００ｍｍ、内側の管壁が成す円弧の前記円弧の中心からの半径Ｒが４２０ｍｍに構成されている。また、真空内の垂直高さは４６ｍｍである。
特に、テラヘルツ波電子線分光装置１は、少なくともＣＳＲビームを発生させるための偏向磁石１６を有し、拡がりを持つＣＳＲビームを集束させて試料まで伝播させる第１光学系と、その試料のスペクトル特性を抽出したＣＳＲビームを電子ビーム軌道と正面衝突させるように導く第２光学系、さらにはその正面衝突によって発生した逆コンプトン散乱光子のエネルギーの揃った成分を分光器へ入射させる第３光学系が必要である。
【００１７】
図１〜図６には電子バンチとＣＳＲビーム、逆コンプトン散乱光のタイミングが示されている。図１〜図６の順のタイミング順に従って説明する。
発生点４を過ぎると、この付近で放射されたＣＳＲビーム（Ｃ１）と電子ビーム（Ｅ１）とが分離してそれぞれ直線、円軌道に沿って運動する（図１）。
ＣＳＲビーム（Ｃ１）は穴空き集束レンズ５で平面波となって（図２）、穴空き反射鏡６で偏向し（図３）、試料８へと照射される。
試料８のスペクトル情報を持つＣＳＲビーム（Ｃ１）は反射鏡９で元の光学系に反対方向に戻される。この時、次の電子バンチ（Ｅ２）が衝突点１１に向かって接近してくる（図４）。
【００１８】
ＣＳＲビーム（Ｃ１）は再び穴空き反射鏡６と穴空き集束レンズ５を逆方向に進んで（図５）、発生点４よりも少し上流側に設定された衝突点１１でＥ２と正面衝突する。この時、逆コンプトン散乱によって散乱光Ｓ１が発生する。
散乱光Ｓ１は穴空き集束レンズ５と穴空き反射鏡６の空孔を通過して（図６）、さらに吸収アパーチャー１２によってエネルギー分解能を調整し、レンズ１３を介して分光器１４へ入射する。この時、次のＣＳＲビームであるＣ２は散乱光Ｓ１の背後を同方向に運動していたが、穴空き反射鏡６で偏向し、次の電子バンチ（Ｅ３）と次の衝突に備えることになる。
【００１９】
以下に、逆コンプトン散乱スペクトルが得られるまでの詳細な計算を示す。
電子ビームはアクロマティックアークを通過することで０．５ｐｓ程度までバンチ圧縮される。
電子ビーム収束用の４重極電磁石（図示省略）を使用することで、逆コンプトン散乱の衝突点１１においてビームサイズを任意の値、例えば、１ｍｍまで絞り込むことにする。
４重極電磁石の下流には微小角偏向用のステアリングコイル１７を設置し、９０度偏向磁石１６までの、例えば、２０ｃｍほどの間に直線部２を作り、正面衝突の逆コンプトン散乱に加わる電子バンチを１つに限定する。
すなわち、直線部２内における電子バンチを衝突点１１の１つのみに限定するために、電子ビーム軌跡上に他の電子バンチが発生しないように微小角偏向用のステアリングコイル１７により軌道を曲げる。
【００２０】
こうすることで、テラヘルツ光の波長が逆コンプトン散乱による光子エネルギーに狭い分解能で対応できるようにする。モデルを単純化するため、９０度偏向磁石の漏れ磁場を無視し、衝突点１１は９０度偏向磁石１６の直前に設定する（例えば、１０ｍｍ上流）ことで、ビームサイズがあまり拡がることなくコヒーレントシンクロトロン放射を行える。
電子バンチが０度から０．１２  ｒａｄまで運動した間に放出したコヒーレントシンクロトロン放射は、０度の位置から、例えば、２３０ｍｍほど下流に設置された穴空き集束レンズ５で集光される。このレンズ５の高さは真空チャンバー１５内の高さと等しく、例えば、４６ｍｍとする。（真空チャンバーは、この場合高さ（垂直）方向には一様に４６ｍｍだけ空いている。そこに挟まるような形でレンズをおくのでレンズの高さは４６ｍｍになる）。
【００２１】
従って、０．１２  ｒａｄ（水平）  ×  ０．２  ｒａｄ（垂直）の立体角に射出されたＣＳＲビームを取り込むことができる。ＣＳＲビームはこの穴空きの非球面凸レンズである穴空き集束レンズ５によって平面波に変換されて、穴空き反射鏡６で反射されて短焦点レンズの集束レンズ７もしくは放物面鏡（図示省略）で波長と同程度の小さいスポットサイズに集光される。集光位置（この例では、集束レンズ７と反射鏡９の中間の位置）に分光測定したい試料８を配置し、散乱光を再び同じ光学系に戻すか、試料８の反対側に凹面鏡である反射鏡９を配置して波面を変えないようにして反射させて再び試料８を透過し、同じ光学系に戻す。もとの光学系に戻ったＣＳＲビームは試料８の透過もしくは反射スペクトル情報を持って０度付近で集光する。往復の光路長はパルストレインの電子バンチ間隔３．７９１ｍよりも、例えば、１０ｍｍ短くすることで、直線部２にて逆コンプトン散乱を生じることができる。この実験配置図を図１〜６に示す。また、レンズに照射されるパルス当たりのＣＳＲスペクトルの計算値を図７に示す。
図７は、本発明のテラヘルツ波電子線分光法により得られるＣＳＲスペクトル特性の特性図である。この図７の特性を下記表２に示す。ここでＣＳＲ出力の単位は図７の縦軸と同様に、1パルス当たり、水平方向の角度１００ｍｒａｄあたりに１%の波長幅に射出されるエネルギーをジュール単位で表している。
【００２２】
【表２】
0004925133.tif 000003
【００２３】
ＣＳＲビームを発生させた電子バンチに対して時間的に次の電子バンチとＣＳＲビームが逆コンプトン散乱を起こすことで、可視〜真空紫外域に散乱光子が発生する。逆コンプトン散乱によって散乱された光子は電子からエネルギーを付与されるためエネルギーが高くなり、散乱軸から同心円的なエネルギー分布を持つ。
一般には電子エネルギーが高いために極めて狭い立体角内にほとんどの光子が散乱される。実施例の場合は電子エネルギーが２０ＭｅＶと比較的低いため、光軸から４．４  ｍｒａｄの範囲に約３％のエネルギー幅をもつ逆コンプトン散乱光子が入ってくる。
【００２４】
レンズやミラーに開ける穴の精度を考慮して、２０ｍｒａｄ（Ｈ：水平方向）  ×  ２０ｍｒａｄ（Ｖ：垂直方向）の方形の穴を穴空き集束レンズ５や穴空き反射鏡６等のレンズやミラーに開けて、逆コンプトン散乱光子が透過できるようにしておく。
エネルギー分解能を決める最終的な吸収アパーチャー１２は分光器１４の前に設置しておく。この吸収アパーチャー１２は紫外〜可視光を吸収できる開口可変なタイプにして、上述したエネルギーカットの他、迷光も吸収させる役割を果たす。
逆コンプトン散乱光子は分光器１４によって、真空紫外〜可視域に分光される。透過率９０％のレンズ１９を１枚のみ使用し、試料８がない状態で３％のエネルギー幅で分光された逆コンプトン散乱光子スペクトルの計算値を図８に示す。
図８は、本発明のテラヘルツ波電子線分光法における試料がない状態の逆コンプトン散乱スペクトル特性の特性図である。この図８の特性を下記表３に示す。ここで光子数は、図８の縦軸と同様に、１秒あたりに３％の波長幅に射出される光子の個数を単位としている。
【００２５】
【表３】
0004925133.tif 000004
【００２６】
１２０ｎｍ以上の波長ではシングルフォトン検出が可能なアレイ型の高感度光検出器が市販されており、計算によれば、１２０ｎｍ〜４８０ｎｍの広い波長域でスペクトル測定が可能であることがわかる。
最近ではエネルギー回収型リニアックが開発されており、短パルス性を保ったまま繰り返し周波数を数十ＭＨｚまで上げることができる。１バンチ当たりの電荷量は０．１ｎＣ（ナノクーロン）程度と小さいが、同じ光学配置を使用したとすれば、上記した実施例の１００倍以上の光子数を得ることができ、短時間でテラヘルツ波分光測定が可能である。そこで試料を２次元的に移動すれば同時刻分光イメージング測定データも取得できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のテラヘルツ波電子線分光装置の要部構成図であり、ＣＳＲビームおよび試料からの透過・散乱光を含めた光学系および電子ビーム軌道の時間変化を示した模式図になっている。
【図２】本発明のテラヘルツ波電子線分光装置の要部構成図であり、ＣＳＲビームおよび試料からの透過・散乱光を含めた光学系および電子ビーム軌道の時間変化を示した模式図になっている。図１の次の時間変化状態を示す。
【図３】本発明のテラヘルツ波電子線分光装置の要部構成図であり、ＣＳＲビームおよび試料からの透過・散乱光を含めた光学系および電子ビーム軌道の時間変化を示した模式図になっている。図２の次の時間変化状態を示す。
【図４】本発明のテラヘルツ波電子線分光装置の要部構成図であり、ＣＳＲビームおよび試料からの透過・散乱光を含めた光学系および電子ビーム軌道の時間変化を示した模式図になっている。図３の次の時間変化状態を示す。
【図５】本発明のテラヘルツ波電子線分光装置の要部構成図であり、ＣＳＲビームおよび試料からの透過・散乱光を含めた光学系および電子ビーム軌道の時間変化を示した模式図になっている。図４の次の時間変化状態を示す。
【図６】本発明のテラヘルツ波電子線分光装置の要部構成図であり、ＣＳＲビームおよび試料からの透過・散乱光を含めた光学系および電子ビーム軌道の時間変化を示した模式図になっている。図５の次の時間変化状態を示す。
【図７】本発明のテラヘルツ波電子線分光法により得られるＣＳＲスペクトル特性の特性図である。
【図８】本発明のテラヘルツ波電子線分光法における試料がない状態の逆コンプトン散乱スペクトル特性の特性図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  テラヘルツ波電子線分光装置
２  直線部
３  偏向部
４  発生点
５  穴空き集束レンズ
６  穴空き反射鏡
７  集束レンズ
８  試料
９  反射鏡
１０  可動ステージ  
１１  衝突点
１２  吸収アパーチャー
１３  レンズ
１４  分光器
１５  真空チャンバー
１６  ９０度偏向磁石
１７  微少角ステアリングコイル
１８  高感度マルチチャンネル光子検出器
【図１】
0004925133.tif 000005
【図２】
0004925133.tif 000006
【図３】
0004925133.tif 000007
【図４】
0004925133.tif 000008
【図５】
0004925133.tif 000009
【図６】
0004925133.tif 000010
【図７】
0004925133.tif 000011
【図８】
0004925133.tif 000012