Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13P-45]

High intensity XX-ray generation
using inverse Compton scattering at BNL
T.Kobuki,S.Kashiwagi,R.Kuroda,M.Washio,T.Hirose1,T.Kumita1,K.Dobashi1,T.Muto1
T.Omori2,J.Urakawa2,T.Okugi2
I.Ben-Zvi3,I.Pogorelsky3,V.Yakimenko3,X.J.Wang3,K.Kuche3,J.Skaritka3,
D.Cline4,Y.Liu4,P.He4, Z.Sagalov5
Waseda University
Okubo3-4-1,Shinjuku-ku,Tokyo,169-8555,Japan
１

Tokyo Metropolitan University, 2High Energy Accelerator Research Organization

3Brookheaven National Laboratory, 4University of California Los Angeles, 5Raphael, Israel

Abstract
Laser-Compton scattering between 60MeV, 0.5nC electron beam and 600MW, 180ps CO2
laser pulses is proposed for generation of high-brightness X-rays. This experiment done by
US-Japan collaboration at the Brookhaven National Laboratory Accelerator Test Facility in
September 1999. We report the first results of this experiment and simulation of 2nd-stage(we plan to do at this autumn) .

逆コンプトン散乱を用いた高輝度 X 線発生
1.はじめに1.はじめに

我々は、昨年秋（1999 年）に BNL 内にある試験加今回行なわれたレーザーコンプトン実験は、日米速器施設（BNL-ATF）において、大強度の CO2 レ科学技術協力事業として 1998 年から BNL-日本ーザーと電子ビームを正面衝突させ高輝度のＸ線(早大、都立大、KEK)で行なわれてきた。このレー生成に成功した。この実験の特徴は、固体レーザ

ザーコンプトン散乱により発生する X 線は、エネーよりも波長が数十倍長い CO2 レーザー（λ=10.6

ルギー可変、全体のシステムがコンパクト、超短μm）を使用しレーザー光源の光子密度を高めたパルス X 線生成が可能、等の特徴を持つ。またこ事とフォトカソード高周波電子銃（RF-GUN）によっの方法の場合レーザーの偏光をコントロールするて生成された低エミッタンスビームにより衝突点で事により、生成される X 線やγ線の偏極度をコンの非常に小さいビームサイズ(～40μｍ/40μm)をトロールする事もできる。我々はこの事を利用し、実現した事である。以下に昨年秋の高輝度 X 線生リニアコライダーでの偏極陽電子ビーム生成に使成実験結果と今後の予定について報告する。

用することも計画している。

−410−

２.実験

でシリコンフォトダイオードによって観測され、そレーザーコンプトン散乱のために開発されてきたの個数は 3×１０６photon/pulse であった。コード

コンプトンチャンバーでは、電子と CO2 レーザーとCAIN を用いて行なったシミュレーションの結果検が、それぞれの焦点で衝突する。ピコ秒 CO２レー出される photon の個数は 2.9×106 個となり、実際ザービームは側面にある窓から入射され、直径５の結果と非常によく一致する。

０mm、焦点距離 15cm の放物面 Cu ミラーによって絞り込まれる。このミラーには直径５mm の穴が空3.simulationいており、この穴を電子ビームが通過する。コンプ

現在 BNL-ATF では CO２レーザーパワーの大幅

トンチャンバー直前の CO２レーザー軌道上にはアな増強が行なわれており、次期レーザーコンプトキシコンレンズが設置してある。このレンズにより、

ン実験ではパルスエネルギーを～30J、～１TWほぼガウス分布をしている CO2 レーザーのビームにまで引き上げて行なわれる予定である。このよプロファイルはいわゆる‘ドーナツ型’へと変化す

うにレーザーパワーが非常に高くなり、レーザーる。これによって CO２レーザーはミラー中心の穴をの光子密度が上がると、通常のコンプトン散乱と避けて絞り込まれていくのである。焦点における異なり電子１に対し photon2,3,4…個が反応する

CO2 レーザーのビームサイズは、FWHM で約 40非線形効果が顕著に表れてくる。そこでこの非線μm 程度である。これは衝突点での電子ビームの形効果のシミュレーションを、コード CAIN を用いビームサイズに相当する。焦点を通過した後のて 行 な っ た 。 こ の 結 果 、 ～ 30 Ｊ の 場 合 に は ～CO２レーザーは反対側の放物面ミラーで反射しチ1010photons/pulse 以上の光子が発生すると予想ャンバーの外へと導かれる。

される。この非線形効果を詳細に調べメカニズム

CO２レーザーの励起及び RF-GUN 内での光電を明らかにして行くことは、大変有意義なアプロ

子発生にはピコ秒 YAG レーザーが用いられる。

ーチだと我々は考えている。

YAG レーザーのパルスは分割され、それぞれがRF-GUN、CO２レーザーへと送られる。CO２レーザ

4.まとめ
4.まとめーへと送られたレーザーにより、CO２ レーザーは

BNL-ATF の高輝度 X 線生成実験において、FWHM で 180ps のパルスに分けられる。分けられ60MeV の電子ビームと CO2 レーザーを正面衝突さた CO２レーザーのパルスは、再生増幅器にかけら

せ レ ー ザ ー コ ン プ ト ン 散 乱 に よ り 3×106れ、600MW にまで増幅される。

photons/pulse の X 線生成に成功した。今回の実RF-GUN によって発生する、電子ビーム 1 バンチ

験成功の要因に、フォトカソード RF-GUN で生成あたりのチャージ量は約 0.5nC であり、それらはされた高品質（低エミッタンス）電子ビームと長波Linac によって 60MeV まで加速され４極電磁石に長である CO2 レーザーを用いた事があげられる。

よって、チャンバーの中心で絞り込まれる。

そして、CO2 レーザー増強後の次期実験では、非YAG レーザーによって、CO２レーザーを分割す線型効果の検証など非常に興味深い研究課題がる過程と、光電子の発生する過程とはそれぞれ制豊富にある。

御され、CO２レーザーと電子のバンチとのジッターは、パルス幅に比べて無視できる程度の大きさに参考文献しかならない。

[１]I.V.Pogorelsky,Nucl.Instr.&Meth.Res.A411(1998)172

X 線は、電子ビームと X 線を分けるためのダイポ[２]CAIN home page

ールマグネットの下流にある Be ウィンドウの外側

http://www-acc-theory.kek.jp/members/cain

Fig. 1 Experimental setup at BNL-ATF Beam line (Compton cell and Si X-ray detector)

Electron Bunch

Beam energy
Bunch charge
Bunch length (FWHM)
Beam size at focal point (σx/σy)
CO2 Laser

60MeV
0.5nC
10ps
～40/40μm

Wave length
Energy/pulse
Pulse length(FWHM)
Beam size at focal point (σx/σy)10.64μm
200mJ180～320ps
40/40μm

Table1: Electron beam and CO2 laser system parameters
0.05

Compton signal

Bremsstrahlung
background

Scattered angle [theta]

0.04

0.03

0.02

0.01

0Fig. 2 Typical scope traces of the Si diode output show
the Compton x-ray signal with the “laser on” (top trace,100mV/div scale) and the bremsstrahlung “laser off”
signal (bottom trace, 50mV/div).

0246810Photon Energy [keV]

Fig.3 Scattered photon energy vs angle for thecase of 30J CO2 laser Compton scattering