コンパクト ERL における CSR によるテラヘルツ光とレーザーコンプトン散乱によるパルスＸ線の見積もり
原田 健太郎（KEK-PF-Mag）

The Intense Terahertz Radiation andLaser-Compton X-ray Source at the Compact ERL
Kentaro Harada (KEK-PF-Mag)<Synopsis>
The compact ERL (energy recovery linac) is planned at KEK as a joint project of the KEK, JAEA
(Japan Atomic Energy Agency), and other institutes. The primary purpose of the facility is thedemonstration of the key technologies that are essential to ERL-based light source. In this presentation,
we show the great feasibility of the compact ERL for producing the intense terahertz radiation using
coherent synchrotron radiation (CSR) and the pulsed hard X-rays generated by the Laser-Compton
scattering. For the terahertz CSR, the electron bunch compression to about 0.1 ps is required togenerate the CSR of the energy about 10meV. For the bunch charge of 100 pC, and the repetition rate
130MHz, the photon number is about 1016~1017 [photons/sec/marad2/0.1%b.w] that is the square ofthe incoherent radiation. For the Laser-Compton scattering, we use the laser of the wavelength 800 nm
and the power 10mJ. If the laser spot size and the electron beam size are about 50µm, the number ofthe photon is estimated to be about 106 [photons/pulse] and the pulse width about 260 fs.
＜本文＞
コンパクト ERL（図１）は周回部の周長約 70m、ビームエネルギー約 60MeV で放射光利用のための原理実証を目指す小型の ERL である。KEK つくばキャンパスの東カウンターホールに建設が予定されており、計画は KEK、JAEA、ISSP を中心に、全国の研究機関の共同計画として進められている。
ここではコンパクト ERL で利用可能になるであろうと思われる CSR によるテラヘルツ放射と、レーザーコンプトン散乱によるパルスＸ線の見積もりについて発表を行う。
コンパクト ERL の最終目標は電流 100mA（バンチ電荷 77pC で繰り返し 1.3GHz）であるが、放射線遮蔽の問題もあって実現は簡単ではない。そこで、現段階で（もちろん簡単ではないが）より確実なパラメータとして、CSR 利用に対してはバンチ電荷 100pC、繰り返し 130MHz(13mA)、またはシケイン(周長補正)

長直線部

周回部

弧部１（バンチ圧縮）

弧部２

取出部

ビームダンプ

主加速モジュール２

主加速モジュール１

合流部 初段加速
電子銃
入射部

図１

コンパクト ERL の構成

13MHz(1.3mA)とし、レーザーコンプトン利用に対してはバンチ電荷 100pC、繰り返し 1kHz（0.1µA）、レーザー強度 10mJ/pulse として見積もりを行う。ビームの規格化エミッタンスは 1mm⋅mrad、バンチ長は通常 1ps、圧縮ありで 100fs とする。可能な範囲での最大スペックで単発的な利用実験を行っても新しい世界が開けることは間違いないが、本格的なユーザーランを行う為には責任を持って光を安定供給する為の運転調整に加え、冷凍機を含めた安全シフト体制を組む必要がある。ユーザーと共に計画に弾みを付け、安定的なユーザーランに繋げられるだけの予算と人員の確保に繋がればと願ってやまない。
CSR 放射の臨界波長は λc , csr = 2σ z と書ける。ここで、 σ z [m]は電子バンチ長である。また、真空ダクトで遮蔽される cut-off 波長は λcu − off = 2 h3 ρ と書ける。ここで、 h [m]は真空ダクトの高さ、 ρ [m][(は偏向電磁石の曲率半径である。放射光の強度は Ptotal (λ ) ≈ Pincoh (λ ) 1 + N exp − (2πσ z λ )2])と書ける。ここで、 Pincoh は通常のコヒーレントでない放射光の強度である。図 2 に CSR 放射の強さを示す。
レーザーコンプトン散乱の見積もりでは、エネルギー ε las のレーザーが電子ビームに対して垂直（90°）に入射されるとする。電子ビームの進行方向に散乱される光子が最も高いエネルギー
ε max = 2γ 2ε las となるが、その場合を考えることにする。レーザーをチタンサファイア(800nm)とすると散乱光のエネルギーは 42.7keV となる。散乱光のエネルギーと散乱角の関係を使うと ε max に対するコンプトン散乱の散乱断面積は σ c = 4πr0 ∆ε ph ε max = 1.0 × 10 −28 ∆ε ph ε max [m2]と書ける。ここで、2r0 は電子の古典半径、 ∆ε ph ε ph ,max は考える光のエネルギー幅で光の取り込み立体角に関係がある 。 衝 突 に よ っ て 実 際 に 発 生 す る 光 子 数 は 衝 突 の 幾 何 学 か ら 、Fc = N e N p wh Leff Lb σ c = 1.0 × 10 6 [photons/pulse]と書ける。ただし、 N e = 6.2 × 108 個はバン()()

チ中の電子数、 N p = 4.0 × 1015 個はレーザーの中の光子数、 w, h = 50 µm は電子・レーザーの水平垂直方向のビームサイズ（一様な直方体を仮定）、 Leff Lb = 1 は実質的に衝突に関わる電子のバンチ長に対する割合である。この場合、光のパルス幅はおよそ 260fs となり、また、繰り返し 1kHz での平均光子数は Fc = 1.7 × 10 9 [photons/s]である。

CSRの強さ 100pC,130MHz,60MeV,ρ=1m,Φ 50mm

Photon Flux
2
[photons/sec/mrad /0.1%b.w.]

1.E+17incoherent
1pS
0.1pS

1.E+14

1.E+11

1.E+08cut-off
1.E+05
1.E-04

1.E-03

1.E-02
1.E-01
Photon Energy [eV]

図２ CSR 放射の Flux

1.E+00

1.E+01