KEK Proceedings 2007-8
December 2007
M

ERL 研究会

Compact ERL and the Scientific Case

要旨集2007 年 7 月 9 日・10 日
高エネルギー加速器研究機構
編集：河田 洋（KEK/PF）

High Energy Accelerator Research Organization

High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 2007
KEK Reports are available from:High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba-shi
Ibaraki-ken, 305-0801
JAPAN
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ERL 研究会「コンパクト ERL が拓く世界」目次
プログラム ······················································································································································································ 1
本研究会「コンパクト ERL が拓く世界」の目的 河田 洋（KEK, PF） ······························································ 3「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） ······························································································ 6「コンパクトＥＲＬにおけるバンチ圧縮の可能性に関して」

島田美帆（UVSOR） ··································13「ATF におけるレーザーコンプトン散乱実験」

浦川順治（KEK, 加速器） ·············································20「レーザーコンプトン散乱装置（産総研の装置）」

酒井文雄（住友重機械）·············································30「レーザーコンプトン散乱装置用タイミング同期レーザー」「テラヘルツ放射光の現状と大強度 CSR の利用」
「テラヘルツ技術の現状と展望」

小林洋平（産総研） ···································41

木村真一（UVSOR） ·················································49

斗内政吉（阪大レーザー研） ··································································57「テラヘルツ時間領域分光法と基礎科学への応用」

田中耕一郎（京大理） ········································67「赤外光励起による半導体中の不純物拡散の制御」

白井光雲（阪大産研） ········································77「京大炉ライナック及び JAEA-ERL におけるテラヘルツ・コヒーレント放射光の研究」
高橋俊晴（京大原子炉） ··················································································································84「タルボ型干渉計を用いたイメージング」 百生 敦（東大・新領域） ······························································93「レーザーコンプトン線源からの微小光源によるＸ線イメージングの原理と応用」
兵藤一行（KEK, PF） ··························································································································99「医学イメージングへの応用」

酒井 俊（筑波大人間総合科学） ··························································· 104「産総研のレーザーコンプトン線源を用いたイメージング研究」
池浦（関口）広美（産総研）············································································································· 111「放射光 X 線による 100 ピコ秒時間分解研究の現状とフェムト秒時間分解実験への期待」
足立伸一（KEK, PF）·························································································································· 117「光誘起キャリアとコヒーレントフォノンの超高速ダイナミクス」
中村一隆（東工大・応用セラミックス研） ················································································· 127「強相関電子材料における光誘起相転移の超高速ダイナミクス」

沖本洋一（東工大理工） ···· 136「超高速反応する分子の核波束運動実時間観測と励起状態ポテンシャル曲面のトポロジー」
田原太平（理研） ······························································································································ 141
総合討論 座長：河田 洋（KEK, PF） ·························································································································· 152
ERL 研究会「コンパクト ERL が拓く世界」の報告··································································································· 155
参加者リスト ············································································································································································· 157

ERL 研究会「コンパクト ERL が拓く世界」
プログラム
7 月 9 日（月）10:00-10:05 所長挨拶 下村 理（KEK, IMSS）
10:05-10:15 本研究会の目的 河田 洋（KEK, PF)
10:15-11:45 光源 [座長：佐藤康太郎（KEK, 加速器）]
10:15-10:45 「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）
10:45-11:15 「コンパクトＥＲＬにおけるバンチ圧縮の可能性に関して」 島田美帆（UVSOR）
11:15-11:45 「ATF におけるレーザーコンプトン散乱実験」 浦川順治（KEK, 加速器）
11:45-13:15 昼食
13:15-14:15 光源 [座長：春日俊夫（KEK, PF）]
13:15-13:45 「レーザーコンプトン散乱装置（産総研の装置）」

酒井文雄（住友重機械）

13:45-14:15 「レーザーコンプトン散乱装置用タイミング同期レーザー」 小林洋平（産総研）
14:15-17:15 テラヘルツ・CSR 利用研究 [座長：芦田昌明（阪大基礎工）]
14:15-14:45 「テラヘルツ放射光の現状と大強度 CSR の利用」 木村真一（UVSOR）
14:45-15:15 「テラヘルツ技術の現状と展望」 斗内政吉（阪大レーザー研）
15:15-15:45 休憩
15:45-16:15 「テラヘルツ時間領域分光法と基礎科学への応用」 田中耕一郎（京大理）16:15-16:45 「赤外光励起による半導体中の不純物拡散の制御」 白井光雲（阪大産研）
16:45-17:15 「京大炉ライナック及び JAEA-ERL におけるテラヘルツ・コヒーレント放射光の研究」
高橋俊晴（京大原子炉）
17:15-17:55 イメージング研究 [座長：平野馨一（KEK, PF）]
17:15-17:25 「レーザーコンプトン線源からのイメージングのイントロダクション」
兵藤一行（KEK, PF）
17:25-17:55 「タルボ型干渉計を用いたイメージング」 百生 敦（東大・新領域）
18:30-20:30 懇親会（くらんべりぃ）

17 月 10 日（火）09:00-10:30 イメージング研究 [座長：平野馨一（KEK, PF）] (前日からのつづき)
09:00-09:30 「レーザーコンプトン線源からの微小光源によるＸ線イメージングの原理と応用」
兵藤一行（KEK, PF）
09:30-10:00 「医学イメージングへの応用」 酒井 俊（筑波大人間総合科学）
10:00-10:30 「産総研のレーザーコンプトン線源を用いたイメージング研究」
池浦（関口）広美（産総研）
10:30-11:00 休憩
11:00－14:30 時間分解･ダイナミクス研究 [座長：腰原伸也（東工大理工）]
11:00-11:30 「放射光 X 線による 100 ピコ秒時間分解研究の現状とフェムト秒時間分解実験への期待」 足立伸一（KEK, PF）
11:30-12:00 「光誘起キャリアとコヒーレントフォノンの超高速ダイナミクス」
中村一隆（東工大・応用セラミックス研究所）
12:00-13:30 昼食
13:30-14:00 「強相関電子材料における光誘起相転移の超高速ダイナミクス」
沖本洋一（東工大理工）
14:00-14:30 「超高速反応する分子の核波束運動実時間観測と励起状態ポテンシャル曲面のトポロジー」 田原太平（理研）
14:30-15:15 総合討論 [座長：河田 洋（KEK, PF）]

提案代表者：河田洋（KEK/PF）

実行委員： 原田健太郎（KEK/PF）
足立 伸一（KEK/PF）
平野 馨一（KEK/PF）
兵藤 一行（KEK/PF）
木村 真一（分子研）

2

本研究会「コンパクト ERL が拓く世界」の目的
河田洋、高エネルギー加速器研究機構・ＥＲＬ計画推進室

Goal of the present workshop “Compact ERL and the scientific case”
Hiroshi Kawata, ERL Project Office, KEK<Synopsis>
KEK has settled an energy recovery linac (ERL) as the future light source at KEK, and started todevelop several key components with the collaboration of the accelerator physicists at different
facilities like Japan Atomic Energy Agency (JAEA), Institute for Solid State Physics, University ofTokyo (ISSP), UVSOR and SPring-8. It is necessary to construct a compact ERL, with the energy of60~200 MeV to develop these components.

On the other hand, the compact ERL will bringcharacteristic radiations such as extremely high intense THz radiation based on coherent synchrotron
radiation (CSR), or laser Compton X-ray radiation with sub-ps X-ray pulses and small source size ofseveral 10 microns. These characteristic radiations will provide us a unique scientific case. The
goal of the present workshop is to clarify the feasibility of the machine and also what kinds of thescientific cases will be produced from the compact ERL.
KEK では将来光源の方向性をＥＲＬ(エネルギー回収型リニアック)に定めて昨年度ＥＲＬ
計画推進室を機構内に設置しました。この推進室を中心として、ＫＥＫの加速器研究施設、
原子力研究開発機構、東京大学物性研究所、UVSOR、SPring-8 等の加速器研究者との協力の下、光源加速器としてのＥＲＬの実現性、開発項目の検討と試作を進め、先ず 60〜200MeV
程度の小型ＥＲＬ(コンパクトＥＲＬ)を建設し、技術開発を行う計画を立案しています。このコンパクトＥＲＬではＥＲＬ特有の特色である高輝度性、短パルス性、そして高繰り返し性という常電導加速器では得られない特徴を有しています。従って、この特徴を有効に生かすことによって、例えば、大強度レーザーコンプトン散乱によるサブピコ秒のＸ線源、および微小光源からのＸ線イメージング技術を用いた応用研究、そして短パルス電子ビームから発生するテラヘルツ領域の桁違いの強度を持ったコヒーレント放射光と言う特徴ある光源を用いた利用研究が期待されます。そしてこのような利用研究とＥＲＬの技術開発を車輪の両輪とする体制でプロジェクトを進めることは非常に重要です。
上記のような立場から、本研究会の目的は、コンパクトＥＲＬの技術的な可能性とそれが拓く利用研究を上記の 3 つカテゴリーから浮き彫りとすることにあります。

本研究会『コンパクトＥＲＬが拓く世界』の目的
ＫＥＫ，ＥＲＬ計画推進室
河田洋

1

ＥＲＬ計画推進方針• ＥＲＬ実機（5GeVクラス）の実現のために要素技術開発は必須⇒コンパクトＥＲＬの建設。
• コンパクトＥＲＬ（６０ＭｅＶ～２００ＭｅＶクラスのＥＲＬ）で展開できるサイエンスを提案し、加速器開発とサイエンスを両輪にして進める。
• コンパクトＥＲＬで開発された加速器技術、放射光利用技術を用いて実機の建設を実現する。
2

コンパクトＥＲＬが目指すもの
ＥＲＬの特徴：高輝度、短パルス性、高い繰り返し周波数

現・東カウンタホール

１）レーザーコンプトンＸ線源

コンパクトＥＲＬ
60~200MeV
0.01~100mA

微小焦点Ｘ線光源（病院に入る医学Ｘ線屈折イメージング光源）
短パルスＸ線源（フェムト秒サイエンス）
２）テラヘルツ領域のCSRの利用研究
従来光源より７～８桁強い干渉性光源

第１段階：低電流運転でも可能なレーザーコンプトンを用いたＸ線イメージング研究、フェム
ト秒サイエンスを展開。（レーザーのタイミング系の開発を含む）
第２段階：数１０mA電流の運転を実現し、テラヘルツ光源を用いたサイエンスを展開。
第３段階：エネルギー増強（~200MeV)により、高輝度短パルスＶＵＶ光源を用いたサイエンスを展開。
実機ＥＲＬ（5GeVクラス）の要素技術の取得、実験測定技術の取得 ⇒ 実機の実現へ

3

Laser-Compton X-ray source at ERL test
facility (60-150MeV)
EXray = 2γ2ELaser(1-cosθL)/(1+γ2θ2)
Flux = (NLNe/wh)(Leff/Lb)σc
ELaser = 1.55eV, Eelectron = 60 MeV (γ=117), θL = 90 degree のとき、軸上(θ=0)でEXray = 42.4 keVelectronθL

レーザーパルス（1.55eV, 1mJ)のフォトン数： NL = 4 x 1015 photons
電子バンチ中の電子数（60MeV, 1nC)： Ne = 6 x 109 electrons
電子バンチの水平幅： w = 50 x 10-6 m
電子バンチの高さ：
h = 50 x 10-6 m
コンプトン散乱断面積： 1 x 10-28

laser

1パルスあたり、
Flux = 1 x 106 phs/pulse/10%b.w.
足立伸一氏の放射光セミナー（２００７年５月２９日）から10kHzのとき、
Flux = 1 x 1010 phs/sec/10%b.w.

4兵藤一行氏の放射光セミナー（２００７年５月２９日）から
5

ＣＳＲからのテラヘルツ光の利用木村真一氏の放射光セミナー（２００７年４月２５日）から

原田健太郎氏の放射光セミナー（２００７年４月２５日）から
6木村真一氏の放射光セミナー（２００７年４月２５日）から

これからの開拓分野！！

7

本研究会の目的• コンパクトＥＲＬの技術的な可能性（加速器技術として）は？
• ＴＨｚ領域のＣＳＲで展開可能となる応用研究は？
• レーザー･コンプトン散乱によって展開可能となる応用研究は？
１）Ｘ線イメージング（微小光源を利用した）
２）サブピコ秒のＸ線パルスを用いた応用研究
8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 of
the 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

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

1

コンパクト ERL の概要

PS 東カウンターホールに建設予定。
2

コンパクト ERL の構成

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

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

ビームダンプ3

Compact ERL のパラメータ

初期目標
周回部周長
m
周回部ラティス
入射ビームエネルギー
MeV
入射(=ダンプ）ビームパワー
kW
周回部のビームエネルギー
MeV
主加速空洞 （1 module = 9cell x 4本） modules
規格化エミッタンス
mm⋅mrad
ビーム電流
mA

最終目標
69
DBA

5
500
60
1
1
10

10～15
1000～
160～200
2
0.1
100（本発表で実際に光の見積もりに用いたビームパラメータは、ビームダイナミックスグループ
ミーディングにおいて実現可能性が議論され、ユーザー側に公表してよいと合意したパラメー
タである。）
4

リングとの違いは？
・ 入射部のビームパラメータが保存する。
→ 電子銃でよりよいビームが作れれば、それだけで性能が上がる。
・ エミッタンスは入射部＋断熱減衰で決まる。
→ リングでは加速するとエミッタンスが大きくなるが、ERL では断熱減衰により小さくなる。ビームサイズを小さくしたければ、より加速するのも方法の一つ。
・ 常に新しいビームが周回する。
→ ビームパラメータが平衡状態で決まらない。
→ ビームロスが起こった場合、電子銃を止めない限りロスし続け、放射線も止まらない。
放射線遮蔽、ビームダンプが非常に大きな問題。
→ 平均電流 100mA の為には、空洞の性能(特に入射部)は勿論だが、放射線遮蔽の問題も大きい。また、5MeV x 100mA = 500kW のビームダンプもかなりの大きさが必要であり、現段階では難しいかもしれない。
実機と実証器のビームパラメータの違いは？
・ ビームエネルギー ： 実機 5GeV、実証器 60MeV
・ 周長： 実機約 1.2km、実証器 70m
・ バンチ長、(規格化)エミッタンス、繰り返し、平均電流（最終目標）は実機と実証器で同じ。

5

CSR と逆コンプトンＸ線利用には、実証器が有利
・ CSR の強度はバンチ電荷、波長域はバンチ長に依存する。（これらは実機も実証器も同じ。）
・ 60Me は、テラヘルツ領域の(インコヒーレント)放射光を十分にカバーするエネルギーである。
それより高いビームエネルギーでも、テラヘルツ領域の放射光の様子は変わらない。（実機でも実証器でも、テラヘルツ領域の様子は同じ。スペクトルが高エネルギーに伸びない実証器の方が、テラヘルツ領域の利用には都合がよい。）
・ 90°逆コンプトン散乱で発生する光のエネルギーは、入射光のエネルギーの２γ２倍。60MeV の時、800nm のレーザーが 42keV になる。硬Ｘ線発生のためには、ビームのエネルギーは 60MeV
くらいがちょうどよい。
・ （実機ではほぼすべてのビームラインにおける、挿入光源からの硬Ｘ線が短パルスである。逆コンプトンによる硬Ｘ線とは光子数が 10 桁以上多くなる。）

6

CSR に関するパラメータのまとめ
・ 放射光の強度（バンチ長が短いと N2 に比例する様になる。）

Ptotal (λ ) = Pincoh (λ )(1 + ( N − 1) f (λ )) 、 f (λ ) = e 2πσ z 
−

 λ 

2

・ 通常の放射光の臨界振動数（テラヘルツ領域は 60MeV ビームでは十分にカバーされる。）

3cγ 3
ωc =
2ρ
・ CSR 放射の臨界振動数（バンチ長が短くないと、必要なエネルギーの光が出ない。）

ωc −csr =πcσz(λc −csr = 2σ z )・ CSR 放射の遮蔽振動数（ダクトが大きい方が低エネルギー光まで発生。）

ωcut −off = πcρh3・ 従って CSR は ωcut −off < ω < ωc −csr (< ωc ) の範囲で発生。

3 

h
λ

cut − off = 2

ρ 


7

CSRの強さ 100pC,130MHz,60MeV,ρ=1m,Φ50mm

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

1.E+181.E+150.1ps

1ps
1.E+12

1.E+09incoherent SR
ｃoherent SR
1.E+06
duct cut-off
1.E+030.1meV

1meV

0.01eV

0.1eV

1eV

10eV

Photon Energy8放射光の角度広がりと円偏光の利用
2d Pincohγ 2θ 23e γ  ω 
2
2
2 2 



=
BesselK 1 (ξ ) 
1 + γ θ  BesselK 2 (ξ ) +
3
2 2


dωdΩ 16π ε 0 c  ωc 
1+ γ θ
3
3


2

2

2

(

)

水平偏光

垂直偏光

・ 光のエネルギーが低いため、縦方向の光の広がりが大きい。
・ 光軸からずれた垂直偏光成分が十分な大きさを持ち、楕円偏光・円偏光として利用可能。

9

縦方向の発散角と偏光度
発散角と偏光度 77pC,1.3GHz
60MeV,光のエネルギー1meV

1.E+181.E+181.E+17

1.E+17

1.E+16

1.E+15150MeV 水平偏光
1.E+14150MeV 垂直偏光

光束密度 [photons/s/mrad2/0.1%b.w]

光束密度 [photons/s/mrad2/0.1%b.w]

発散角と偏光度 77pC,1.3GHz
r=1m,光のエネルギー0.01eV

1.E+16

1.E+15r=1m 水平偏光
1.E+14r=1m 垂直偏光

60MeV 水平偏光

r=5m 水平偏光

60MeV 垂直偏光

r=5m 垂直偏光
1.E+13
-0.05

-0.03

-0.01

0.01

垂直方向角度 [rad]

0.03

0.05

1.E+13
-0.05

-0.03

-0.01

0.01

0.03

0.05

垂直方向角度 [rad]・ 図中で r は偏向電磁石の曲率半径ρ。
・ 1meV で円偏光を使いたい場合、偏向電磁石の曲率半径を、例えば 5m にすれば、40mrad 付近で円偏光となる。
（その角度でフロントエンドやビームラインができるかどうかは別。）

10

90°レーザー逆コンプトン散乱に関するパラメータのまとめ
・ 散乱光のエネルギーε ph ≈ 2γ 2ε laser

11+ γ θ
2

2 、ビーム進行方向には

ε ph ≈ 2γ 2ε laser

ただし、 γ >> 1 の場合の近軸（ θ << 1 ）に対する近似。

・ 散乱光の強度

Fc =N p N e Leff
we he Lb

σc

ただし、一様な直方体ビームに対する近似で、 N e はバンチ中の電子数、 N p はレーザーの中の光子数、we と he は電子ビームの幅と高さ（全幅）、 Lb はバンチ長、 Leff は実質的に衝突に関わる電子バンチの長さ（ここでは ≈ Lb ）、 σ c はコンプトン散乱の散乱断面積で、ここでは r0 を古典電子半径として 4πr0 。
2・ 散乱光のパルス幅

τc =

1
2
2
2
we + w p + L pc

ただし、バンチ長がレーザーのパルス幅やスポットサイズより長い場合の近似で、ここで w p はレーザーのビ
ームサイズ、 L p はレーザーのパルス長。

11

もう少し正確な式（トムソン散乱に対する式）
・ 散乱光のエネルギーε ph =

1 − β cos θ t
ε laser ≈ 2γ 2 (1 − β cos θ t )ε laser
1 − β cos θ

ただし、 θ t は入射光と電子ビームのなす角度。

・ 散乱光の強度

Fc =σc

N p Ne2π2he + h p

2

2

2

2

we + w p + Le + L p

2

ただし、ガウス分布に対する式で幅や高さ、バンチ長とパルス長はシグマである。

・ 散乱光のパルス幅
22

2

1 Lb we + w p + L p
τc =c w 2 +w 2 +L 2 +L 2epbp
萬 雅史「レーザーコンプトン散乱法による極端パルスＸ線発生に関する研究」（FESTA に在籍した住重研究者のＤ論(早稲田大学,2005)）

12

90°レーザー逆コンプトン散乱の光子数とパルス幅の見積もり
・ ビームエネルギー 60MeV 、レーザーの波長 800nm

γ = 117.4 、 ε laser = 1.55eV

・ 散乱光の最大エネルギーε ph ≈ 42.7 keV
・ 散乱光の強度
電子バンチ電荷 100 pC 、 N e = 6.24 × 10 個、レーザー 10 mJ 、 N p = 4.03 × 10 個、168

電子ビームサイズ we = he = 50 µm 、バンチ長 Lb = 300µm = 1 ps 、
レーザービームサイズ w p = 50 µm 、レーザーパルス幅 L p = 30 µm = 100 fs 、

σ c = 4πr0 2 = 1.00 ×10−28 m2 、レーザー繰り返し f p = 1kHz
Fc = 1.00 × 10 6 [ photons / pulse]
Fc = 1.00 × 109 [ photons / sec]
・ 散乱光のパルス幅

τ c = 256 fs(注：ここのパラメータは一様な直方体ビームの「全幅」)13電子ビーム全幅 we = he = 50 µm は？
全幅 50µm → RMS で σ = 20µm とする。

60MeV 、 ε n = 1mm ⋅ mrad→

ε = 8.5nm ⋅ rad→

β = 0.047m

β = 0.047m

14MIT で似たような計画がある（PAC07 ポスター、坂中さんより）“MIT Compact X-ray source”

15

MIT のポスターに啓発されるまでもなく……
・ 繰り返し 1kHz や 10kHz なので、エネルギー回収の必要はない。
・ 従って、入射器と加速モジュール１本でレーザーコンプトン実験は可能。ERL の R&D のハイライト
も入射器と主加速モジュールなので、予算によってはそのようなオプションもあり得るか。（その場合、大電流試験(これも重要)ができない。） 多くの大学・研究機関で「電子源＋加速管」という小型加速器を構成しての実験が既にされている。
・ レーザーのスポットサイズとパルス幅にも依るが、ERL 入射器の性能からはパルスあたり 106～107 の光子が発生する。
ᾗ̵ᾤᾄᾷᾛ

ᾕᾯώᾰ̵ὺ̵͹Չᥫᾦὼᾩ̵ᾯ

࠮ᰱᾓᾇᾅ

ᬹರ

ύήὨᾷ
ṒᾔᾷᾅۜᐎỀ

ҸࡤᦼՉᥫ
᭐ࠄᨺ

16

光の取り込み角・ γが小さいため、CSR、レーザーコンプトン(最初はエネルギー幅 10%を想定)ともに光の取り込
み角度が重要である。
・ 例えば、UVSOR のテラヘルツビームラインでは、B のダクトとミラーが一体化しており、ビームのすぐ脇にミラーがある。光子数を増やすためにはこのような構成は必須である。
・ レーザーコンプトン実験についても衝突点にできるだけ近い部分に最初の集光要素を設置することが望ましい。光と電子ビームの軌道を分け、色収差を補正する意味でも、シケインやソートゥース的なラティスでレーザーと衝突させる案もある。
・ 特に航跡場の影響についても検討する必要がある。

引用：UVSOR の BL6B の紹介 pdf（左の２図）、分子研研究会「赤外放射光の現状と将来計画」の木村先生発表資料(右)

17

まとめ
・ コンパクト ERL（ERL 実証器）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硬 X 線の見積もりを行った。
・ CSR では通常の偏向電磁石（～108）の光の二乗（～1016）の光束が得られる。ただし CSR が発生するのはバンチ全長と光の波長が等しくなるあたりまで。光のエネルギーおよそ 10meV を CSR
でカバーするためには、バンチ長は 0.1ps まで短くする必要がある。
・ CSR の利用のためには、ビームパラメータの目標がある程度達成されている必要があり、さらにビームの安定性も確保されている必要がある。
・ レーザーコンプトンで 40keV のＸ線を発生させるためには、レーザーを 800nm とすると電子ビームのエネルギーは 60MeV。また、レーザーの繰り返しは kHz だが、電子ビームも kHz とする
なら、エネルギー回収は不要。
・ レーザーコンプトン利用は入射器と主加速モジュール１本で可能。放射線的にも難しいことはない。ERL 用のビームパラメータを使うと、衝突あたりの光子数は 105～107 となる。これは既存の施設よりも 1 桁～２桁高い値である。さらに常伝導で kHz は困難であり、平均光子数はさらに有利な値となる。
・ かなり初期の段階から利用が可能であり、運転とともに性能向上が可能。

18

コンパクト ERL におけるバンチ圧縮の可能性に関して
島田美帆、分子科学研究所
羽島良一、日本原子力研究開発機構

Possibility of Bunch compression at the compact ERL
Miho SHIMADA, UVSOR, Institute for Molecular Science
Ryoichi HAJIMA, ERL Development Group, JAEA
<Synopsis>
The compact ERL project is kicked off at 2006 and expected as not only a test bed for future
5GeV-ERL in Japan but also a compact light source for user experiments. One of the candidates of theuser experiments is terahertz coherent radiation from the extremely short bunch and another is afemtosecond X-ray pulse due to Compton scattering. These experiments require an extremely shortelectron bunch with a high charge. It is a challenging task to generate such an electron bunch because
CSR wake at the bending magnet deteriorates the beam quality. In the present scheme, the extremely
short bunch is achieved by a bunch compression optics at the arc section. As the results of the
optimization of the lattice optics of the arc section, it is feasible to compress the bunch length down to
0.2 ps at the bunch charge of less than 0.5 nC.

コンパクト ERL は 5 GeV クラスの ERL 本機に向けた ERL 構成機器の動作実証、ビームダ
イナミクスの研究に加えて、ユーザー利用も視野に入れて計画をしている。短バンチから発生するコヒーレントテラヘルツ光とレーザーコンプトン散乱によるフェムト秒 X 線のユーザ
ー利用が提案されているが、これらの利用実験を行うために ERL に求められる技術課題のう
ち重要なひとつが、サブピコ秒電子バンチの発生である。現時点では 1-3 ps 程度で加速した電子を周回部において緩やかにバンチ圧縮するスキームを提案しているが、バンチ圧縮方式の決定にはコヒーレントシンクロトロン放射(CSR)の影響を詳しく検討しなければならない。
周回部で発生する CSR は短いバンチ長で強く、バンチあたりの電荷の自乗に比例して大きくなる。CSR は大強度テラヘルツ光源として有用であるが、一方ではバンチ圧縮とエミッタン
ス保存の障害にもなる。今回の発表では電子ビーム光学系の最適化や、6 極磁石による二次収差の補正を含めて、様々な電子エネルギーで大電荷・短バンチの実現をシミュレーション
上で検証した結果を発表する。また、低エミッタンスビームについての最適化についても報告する。

Figure 1: Layout of the compact ERL in Japan fromthe merger section to the insertion section.

Figure 2: Longitudinal phase space at the end of arc

Table 1: Main parameters of the test ERL in Japan
Injection energy
Full energy

5 -10MeV
60〜200 MeV

Injection bunch length

1-3 psBunch length after compression

0.1 ps

Initial normalized emittance

0.1-1 mm mrad

section with the sextupole magnet (left) and without(right). Bunch charge is 77 pC.

コンパクトERLにおけるバンチ圧縮の可能性に関して

分子科学研究所,UVSOR
島田美帆
日本原子力研究開発機構,JAEA
羽島良一

1Outlinez

Beam dynamics studies for the 5 GeV ERLzz

規格化エミッタンス0.1 mm mradを維持する周回部の設計

Towards user experiment at the compact ERLzz

Short bunch for THz radiation (CSR)z １６５MeV電子エネルギーにおけるバンチ圧縮
Femtosecond X-ray from Laser Compton Scatteringz ６５MeV電子エネルギーにおけるバンチ圧縮2

Layout from merger section
to insertion devices section•Test Facility Main Parameter

基本的な配置案は原田健太郎氏による•Injection energy

5 -10 MeV

•Full energy

65 – 205 MeV•Injection bunch length

1 -3 psec•Bunch length after compression

0.1 psec•Initial projected emittance

0.1 -1 mm・mrad•Energy Spread

0.002 × 5 MeV
緑文字：トラッキングシミュレーションで使用した初期値

3Preservation of low emittance4

CSR wakeと偏向磁石におけるエミッタンスの増加(2) バンチ内にエネルギーの変化を引き起こす(1) バンチ後方から発生したCSRは
直進し、バンチ先頭に追いつく。

(3) バンチスライスによって軌道にBunch tail
ずれが生じる。

Bunch head

エミッタンスの増加z

CSR wakeは短バンチで電子エネ
ルギーが小さいほど影響が大きい。

Y. S. Derbenev et al , TESLA-FEL

5

Minimization of the emittance growth
due to the CSR wakeθPhaseθCSRθPhase=θCSR
tan 2θ Phase = 2α /(γ − β )(x, px) at the arc exit

(x, px) at the arc exittan 2θ Phase = 2α /(γ − β )Large emittance growth

Minimized emittance growth

The emittance growth is minimized when θPhase coincides with
θCSR (direction of CSR kick).
R. Hajima, Nuclear instruments and Methods in Physics Research A 528 (2004) 335-339

tan 2θ Phase = 2α /(γ − β )tan θ CSR = sin φ / ρ (1 − cos φ )α, β, γ ：Twiss parameter, φ : bending angle

6

周回部出口の位相空間分布（８５ＭｅＶ）CSR kick

Not Optimized
1.45 mm・mradzzz

Optimized
0.27 mm・mrad

CSRは周回部中央で大きく発生。
周回部の中にある3つの4極磁石を最適化 （elegant)
最適化によって、およそ1/6までエミッタンスを減少（6極磁石は有効ではなかった。）
7

エミッタンスの最適化

周回部出口の規格化エミッタンスzzzz

周回部出口のバンチ長4極磁石の最適化によって、1/5から1/15までエミッタンスを小さくすることが可能。
100MeV以上ではほぼ0.1 mm・mradを満たしている。
エミッタンスの最適化によって、若干バンチ長も短くなった。
エネルギースプレッドも若干小さくなったことを確認した。

8

Bunch compression

9For what the compact ERL can beused?
zTerahertz coherent radiationz SR of terahertz region, from 1THz to 10 THz, is enhanced bycoherent radiation, when the rms electron bunch length is shorter
than 1ps.
z Transverse beam size should be less than the wavelength to keep
the coherent enhancement -- (un-normalized εx < 100 mm mrad)

THz region
100 fs1 ps

10

For what the compact ERL can beused?
zLaser Compton Xrays
フェムト秒のX線を発生するにはレーザーとともに、電子バンチもサブピ
コ秒の長さを持つ必要がある。

E x − Ray ≈ 2γ 2 E Laser

λLaser = 800nm (Ti : SaLaser )50keV以下のＸ線

電子ビームがおよそ65MeV (γ=130)以下

しかし、CSRによる影響は電子エネルギーが小さいほど大きい
11Bunch compression at the arc section• Rough estimation of φRF corresponding to R56
ΔE(1 − 0.1)p sec
Δz = R56
Rσ =E0
1p sectan φ RF = −
z

z

cRσ
2πf RF R56

φRF,と R56を調整し、0.1ps バンチ圧縮の最適化を行う。
CSR wakeなどによるエネルギー分
布の変化によってバンチ圧縮の効率が悪化する場合もある。

12

6極磁石の導入
z

RFカーブとCSR wakeによるエネルギー
分布の歪みを補正するために使用。

z

テールの影響を抑え、効率的にバンチ圧縮
することを目的とする。

z

2組の6極磁石を周回部に配置

縦方向のエネルギー分布の歪み

6極磁石の配置図

13

Comparison between with andwithout sextupole magnets
charge 77pC, 1ps (rms), 0.1mm-mrad R56= -0.1m
with CSR, without sextupole

390 fs (rms), 6.9mm-mrad

Curvature of RFwith CSR, with sextupole

T566 < 0 helps the bunch compression
With CSR
59 fs (rms), 5.6mm-mrad

distortion by CSR

1ps
100fs

optimized by R. Hajima

14周回部のR56の最適化

Δz = R56

ΔE
E0

tan φ RF = −zz

R56 がそれぞれ-0.05から-0.7である周回部において、φRFと6極磁石を最適化
R56 = -0.1付近がバンチ圧縮には最適

Rσ =(1 − 0.1)p sec
1p seccRσ2πf RF R56

15

エネルギーによるバンチ圧縮の効果の変化（77pC, R56 = – 0.1)
165 MeV

1 ps

125 MeV

1 ps
z
z
z

165MeV の最短バンチ長が65MeVとほぼ同じであるのは、テールの発生が原因。
テールの形成は電子エネルギーによって非線形に変化する。
テールを除くと、エネルギーが大きいほどバンチ圧縮しやすい

65 MeV

1 ps
16

165MeVにおけるバンチ圧縮（テラヘルツ光発生源）
308pC 縦方向の位相分布（縦軸：エネルギー、横軸：時間）

0.1ps

z

およそ400pC以下であれば、規格化エミッタンス<100 mm mradかつバンチ長<0.1psを実現可能である。
17

65MeVにおけるバンチ圧縮（Compton散乱によるフェムト秒X線）
1nC 縦方向の位相分布（縦軸：エネルギー、横軸：時間）

1ps

z
z

1nCでは0.6ps程度まで圧縮可能である。しかし、規格化エミッタンス
は100mm mradを超えてしまう。
0.5 nC以下では容易に0.2ps以下まで短くすることが可能。
18

まとめ
z

バンチ長1ps、低エミッタンスビームの実現zzz

周回部の4極磁石の最適化により、1/5から1/15まで規格化エミッタンスを小さくすることができた。
100MeV以上では、ほぼ0.1 mm mradを数十％の増加程度に抑えることができる。

バンチ圧縮
z R56の最適化 （77pC, 165MeV)zzz

エネルギーによるバンチ圧縮の効果
zzz

テールの形成はエネルギーに依存し、その影響は予測困難である。
テールを除いた部分のバンチ長はエネルギーが大きいほど短くすることができる。

165MeV電子ビームのバンチ圧縮zz

バンチ長をできる限り短くするには、R56=-0.1が最適である。
エミッタンスの増加も抑える必要がある場合はR56の絶対値を大きくすると効果的である。

およそ400pC以下であれば、規格化エミッタンス<100 mm mradかつバンチ長<0.1psを実現化のである。

65MeV電子ビームのバンチ圧縮zz

1nCでは0.6ps程度まで圧縮可能である。しかし、規格化エミッタンスは100mm mradを超えてしまう。
0.5 nC以下では容易に0.2ps以下まで短くすることが可能。
19

ATF におけるレーザーコンプトン散乱実験
浦川順治、高エネルギー加速器研究機構、加速器研究施設

Laser-Compton Scattering Experiments at the ATF
Junji Urakawa, KEK, Accelerator Laboratory<Synopsis>
Laser-Compton scattering experiments at the ATF has been stimulated by proof-of-principle for thegeneration of polarized positron beam since 1996. One difficult experiment was terminated by theconfirmation of 73% polarized positron beam generation with an intensity of 2x104 /bunch (PRL 96,
114801 (2006)) in 2004. During this experiment, we started the development on the laser-wire beamprofile monitor in the ATF damping ring, which clearly demonstrated the measurements of smallest
1nm horizontal emittance and 4pm vertical emittance at low current in 2004 (PRL 92, 054802-1(2004)). Now, we are developing high intensity γ-ray generation and X-ray generation system based on
pulsed-laser Compton scattering for International Linear Collider project and Compact X-ray source. I
will report the outline of the laser-Compton scattering experiments in ATF research activities.
＜レーザー電子ビーム衝突による光子ビーム生成＞
偏極陽電子生成実験によって得られた結果から説明する。1.3GeV 電子ビームとレーザーパ
ルス(532nm Green, 600mJ, 300psec)の正面衝突により円偏光ガンマ線を生成して、そのガンマ線を標的に衝突させ対生成により偏極陽電子を生成する実験である。この実験で陽電子の偏極度を測定するために、磁化した鉄による Compton 散乱の偏極方向に依存する非対称性の測定を行った。図１は衝突実験装置と偏極ガンマ線強度分布を示す。ガンマ線 56MeV、ピーク
輝度 1019photons/mm2・mrad2・sec・0.1%bandwidth 以上である。
次に、CW レーザーワイヤービーム形状モニター装置開発について述べる。この装置は、
超安定 532nm Single mode, 300mW レーザー発信器と光蓄積共振器を図２に示すように超精密移動架台に載せて、２枚の高反射率球面ミラー（Fabry‑Perot Resonator）間隔を数オングス
トロームの精度でレーザーの半波長の整数倍に合わせることにより、共鳴により 1000 倍以上に蓄積パワーを増幅すると同時に光蓄積共振器中心に 5μm (rms) laser waist を生成できる。このレーザーワイヤーで電子ビームをスキャンすることによって、電子ビームサイズの絶対測定を実現した。

図１．レーザー逆コンプトン用衝突実験装置と衝突実験で測定した偏極ガンマ線強度分

図２．ATF Damping Ring, CW laser wire monitor
最後に、Compact X-ray Source 開発、高輝度ガンマ線生成実験、高速パルスレーザーワイヤ
ー開発実験について簡単に説明する。光子ビーム生成実験ではパルスレーザー蓄積装置のレーザーと電子ビームによる 357MHz 衝突高繰り返しにより、高輝度化を実現する予定である。
一方、高速パルスレーザーワイヤー開発実験は 50mJ, 100psec, 532nm laser のウェストサイズ
を 1μm 以下に絞込み、10Hz 電子ビームスキャン技術開発を目的にしている。詳しい、実験
状況説明を報告で試みる。

Laser-Compton Scattering
Experiments at the ATF
J.Urakawa, KEK

1. Polarized e+ Source based on Compton
scattering,
2. CW laser wire results,
3. Pulsed laser wire development,
4. Polarized γ-ray generation,
5. Compact X-ray source,
6. Key components for photon beam source
based on laser-Compton scattering.

11. Polarized e+ Source based on
Compton scattering

2Experiment at KEK-ATF
ATF: Accelerator Test Facility for ILC built at KEK
Collaborating institute: Waseda, TMU, KEK, NIRS, and AIST
T. Omori, M. Fukuda, T. Hirose, Y. Kurihara, R. Kuroda, M. Nomura, A. Ohashi, T. Okugi, K. Sakaue, T. Saito, J. Urakawa, M. Washio, and I . Yamazaki

3

120 m

Experiment@KEKi) proof-of-principle demonstrationii) accumulate technical informations:polarimetry, beam diagnosis, …
4

Compton Chamber5Nγ(design)= 1 x 107/bunch
2.2 x 107/bunch(achieved)
Ne+(design) = 3 x 104/bunchPol(expected) = 80%
Asym (expected) = 0.95%
6

2. CW laser wire results
CW Laser wire beam size monitor in DR

300mW 532nm Solid-state Laser
fed into optical cavity

14.7µm laser wire for X scan
5.7µm for Y scan
(whole scan: 15min for X,
6min for Y)
7

Laser wire block
diagramFree spectral range:532nm/2=266nm
Line width=0.3nm

optical cavity resonance is kept by piezo actuator8

Beam profile by Laser wire

σe2 = σmeas2 - σlw2
εβ = σe2 – [η(Δp/p)]2

β:measured by Q-trim excitation
93. Pulsed laser wire development
Experimental results（Pulse Laser Storage）
Laser:
Mode Lock: Passive
SESAM
Frequency:
357MHzCavity length:0.42 mPulse width: 7.3 p sec(FWHM)
Wave Length:1064 nmPower:~ 6W
SESAM: SEmi-conductor Saturable Absorber Mirrors

Ext. Cavity:
Cavity:Cavity length:
Mirrors:
Reflectivity:
Curvature:

Super Invar
0.42 m
99.7%, 99.9%
250 mm (ω0 = 180μm)

super invar
62φStorage of laser pulse
Resonance condition :Perfect resonance : Llaser = L cavity
The relationship withlaser and cavity :Imperfect Resonance : L laser ～ L cavity

The enhancement factor
is the function ofreflectivity, Δl and laser
pulse width.

Not resonance : L laser≠ L cavity

12・Finesse: R = 99.9%
Finesse =πτc/l
PD

PBS

PBS

P.C.

τ:decay time
c: light verocity
l: cavity length

Trans.

τ~ 3.0μsec
F ~ 6300(Preliminary)More than 3000
Times.
実際はOptical
MatchingやMode
Locking noiseの問題があるので、
現状1000倍程度にしてX線生成を優先した。
13

Pulsed Laser and Electron Beam Collision to measure bunch length

Pulse Laser Wire
(Storage laser pulses in optical cavity ):The systems for New X-ray source & New
bunch length monitor at a storage ring
Hear Fukuda’s talk.
14

EXPERIMENTAL SETUP : Optics
λ/2

Isolator

λ/4

Reflection

Injection mirrors
Transmission
CavityLaser head15

714MHz Cavity
Laser Repetition rate :357MHzlaser pulses

ScatteredGamma beam
Phase Scan

Compton Scattering in every 357MHzElectron repetition rate :357MHzElectron bunches

As an X-ray source :An optical cavity stores higher peak power and getshigher flux X-ray with pulse laser than CW laser.
As Beam monitor :By scanning the laser pulse’s phase in the cavity andmeasuring the Compton signal count rate ; an electron
bunch length profile is obtained.
16

4. Polarized γ-ray generation using Optical
Stacking Cavity

17Experimental R/D in ATF
Hiroshima-Waseda-Kyoto-IHEP-KEK

Make a fist
prototype2-mirror cavity
Lcav = 420 mm

Put it in
ATF ring
18

am
e
- b
e

r
e
s
la

m
a
be

19

e - beamlaser beam

20

Non planer cavity with 4 mirrors in LAL

21

4-mirror-cavity--->
separate functions& confocal configuration22

2-mirror cavity

4-mirror cavity
R1=R2=L

R1=R2=L/2
L

L

concentric

confocal23

γ-ray Generation with Laser Pulse
Stacking Cavity (Hiroshima-Waseda-IHEP-KEK)
1. Achieve both highenhancement &small spot size
2. Establish feed backtechnology
3. Achieve small
crossing angle
4. Get experinencewith e- beam

a
- be
e

e
s
la

Pulse stacking
cavityLcav = 420 mm

m

m
a
e
b
r
pulse stacking cavity
in vacuum chamber
24

5. Compact X-ray source

43MeV end station to separate X-rayand e-beam. 33keV X-ray is deflectedby Crystals.
Pulsed laser stacking chamber25

Laser Undulator Compact X-ray (LUCX)
Project at KEK-ATF
43MeV Multi-bunch beam+ Super-Cavity = 33keV X-ray.

X-ray
Detector

Multi-bunch
photo-cathodeRF GunS-band Acc. Structure

Beam size at
CP 60μm in σMulti-bunch e- beam 300nC at gun

Storage
Laser power
2.45kW,
next step :1MW

At present, laser waist size is 90μm in
σ. We should reduce both beam size at CP
down to 40μm.
33keV X-ray generation based on inverse
Compton scattering will start from Oct.
2007 with Super-Cavity.
26

6. Key components for photon beam source based onlaser-Compton scattering

World-Wide-Web of Laser Compton
ERL

4th Generation
light source
CLIC e+

ILC e+

Laser
ComptonX-ray
sourceOpticalCavityLW
monitorHigh powerlaser

e- source
ILC, ERLγγ collider
Medicalapplications
Industrial
applications

Polarimetry27

Re-use Concept

Compton ringElectron storage ringto main linac
Proposed by Posipol Group at Snowmass 2005.

28

positron stacking in main DR

laser pulse stacking cavities

One laser feeds 30 cavities in daisy chain

光共振器中点でサブミクロン、
1mJ/pulse・10psecパルスレーザー
ビームを高繰り返し(357MHz)で安定に実現できる小型スーパー光共振器を製作して、その性能を実証する。
高繰り返し(357MHz)、短パルス(10psec, FWHM)、大強度レーザー(1mJ/pulase～100mJ/pulse)のパル
スレーザービームをスーパー光共29振器で実現する。

New Idea by UK
Use a Misaligned Multipass Cavity
HR MIRROR
LASER

λ/4 POCKELS CELL GATE

F/4 FOCUSING

POLARISING BEAMSPLITTER

e-BEAM
210mm (0.7ns)

500mJ/100ps @1.1μm
SINGLE PULSE

Mirror spacing determines the inter-pulse interval to match to 2.8ns
Slight mirror tilt from perfect auto-collimation or slight shear of one lens gives
scanning with equally spaced foci and a controllable spacing
PC gate switches pulse into cavity
Need to keep round-trip losses very low to ensure sufficient passes at sufficient
power
Other designs possible

30

Laser-wire at ATF-EXT By Grahame Blair (RHUL) et al.
6min 43s

40

Beam size (μm)

35
30
25
20
15
10
5
0
60

65

70

75

80

85

QD4X (A)Modify opticallens to realize
sub-micron
laser waist size.
31

レーザーコンプトン散乱装置（産総研の装置）
酒井 文雄
住友重機械工業㈱Apparatus of Laser-Compton X-ray generation
Fumio Sakai, Sumitomo Heavy Industries, Ltd.
<Synopsis>
An apparatus of short X-ray pulse generation via 90-degree Laser-Compton scattering between atightly focused relativistic electron beam and a femtosecond laser light had been developed under anational project. The generation of high brightness electron and laser pulse and the synchronization
between electron and laser pulses are key technologies for stable x-ray generation and. A photocathodeRF gun and a stable all-solid picosecond laser were developed for the stable generation of very low
emittance electron bunches. The synchronization technique between laser pulses of mode-locked
oscillator and RF (2856MHz) for electron acceleration was developed. After the national project, thisapparatus moved to AIST from SHI two years ago. This is running for x-ray applications anddeveloped to increase the x-ray intensity.
This x-ray generation system via 90-degree Laser-Compton scattering and the technologies applied
for the system will be presented.
＜本文＞
レーザー光子の相対論的電子による散乱過程であるレーザーコンプトン散乱によるフェム
ト秒短パルス X 線の発生装置の開発をＮＥＤＯプロジェクトである「フェムトト秒テクノロ
ジーの研究開発」で行ってきた。開発した装置は、プロジェクト終了後の２００５年度に産業技術総合研究所に移設し、２００６年度より X 線の利用実験に使用すると共に X 線強度増強のための装置開発を行っている。ここでは、主にプロジェクトの中で開発したレーザーコ
ンプトン X 線発生装置に関して報告を行う。
発生装置の主要な技術開発項目は、低エミッタンスの電子パルスの生成、短パルスレーザ
開発による高輝度化と、電子、レーザーの同期化を含む全体システムの安定化によるＸ線の安定発生技術である。
低エミッタンスの電子パルスの発生にはフォトカソード RF 電子銃を使用し、1.5m 長さの2 本の加速管により、電荷量 1nC/pulse で 3ps 幅の電子パルスを 40MeV 程度まで加速し、tripletの４重極電磁石で 50μm 程度までに収束した。また、衝突用のレーザーは Ti:sapphire レーザ

ーでパルス幅 100fs、〜200mJ/pulse であり、レンズで 20μm 程度まで収束して電子と衝突した。衝突角度はフェムト秒パルス発生時には 90 度、発生収量を多くする場合にはほぼ正面（165 度）で行った。電子とレーザーを同期する基準クロックとしては電子線加速周波数
2856MHz を用い、レーザーは高次の高調波を用いた位相ロック（Phase-Locked Loop :PLL）技
術で基準クロックに同期され、時間ジッターはフェムト秒領域で押さえられている。また、加速器においても方向性結合器の信号をフィードバックして位相を安定化しているなどして、X 線の安定発生を行った。
これにより、90 度衝突で 150fs(rms)のパルス幅を持った最大 17keV のフェムト秒 X 線パル
スが発生された。この時の X 線量は、全エネルギーの X 線換算で１０５photons/pulse 以上であった。また、この時の X 線強度の揺らぎは、165 度衝突で６％、90 度衝突でも１１％に抑えられており、90 度衝突で 7 時間の連続運転も行った。

レーザーコンプトン散乱装置（産総研の装置）

酒井 文雄
住友重機械工業㈱2007.7.9 PF研究会資料-1-

フェムト秒テクノロジー研究(NEDOプロジェクト）
第1期1995（H7）-2000（H12）
第2期2001（H13）-2004（H16）
研究開発内容(1)超短パルス光エレクトロニクス技術の研究開発
超高速の物理現象、超微細プロセス技術、デバイス化技術
テラビット情報通信用の超高速光源・スイッチ等の光デバイスの開発(NEC,日立,三菱電,東芝,松下,冨士ｾﾞﾛｯｸｽ、富士通、ﾊﾟﾅｿﾆｯｸ）(2)超短光パルス応用計測技術の研究開発
フェムト秒光パルスと高密度電子線パルスの衝突による高輝度X線パルス発生
超高速動体のモニタリング等に利用 できる新計測技術の開発（住友重機械）

-2-

発表内容

１．レーザーコンプトン散乱によるＸ線発生
２．発生装置
３．X線の利用例
４．産総研の装置の現状
５．まとめ

-3-

フェムト秒レーザと電子線の衝突によるフェムト秒高輝度Ｘ線発生

レーザーパルス
Ｘ線パルス

電子線パルスe-

発生Ｘ線の特徴
1. 短パルス性(数ｐs－数100fs)
2. 波長可変性
3. 準単色性
4. 指向性5．高偏極性
6. 装置のコンパクト性

-4-

ー

発生Ｘ線の特徴（エネルギーの可変性と準単色性）
ーザ

波長：１μmαレ

E p = 1.2eV電子

E e = γ ⋅ m 0c

2

Ｘ

θ

・散乱Ｘ線のエネルギー（γmoc2>>Ep)

1 − β cos α
Ex =Ep
1 − β cos θ

α=180°、θ=0°の時
Ee=14MeV
Ee=40MeV

Ex=4.6keV
Ex=30keV-5-

発生Ｘ線の特徴（短パルス性）
レーザー

X線

電子

・散乱Ｘ線のパルス幅は各々のパルスの相互作用時間・90度での衝突

σ Xt =

σ Le
2
2
2
2
σ Le
+ σ We+ σ Wp+ σ Lp・180度での衝突

2
2
2
2
2
2
σWe
+ σWp
+ σ Lp≈ σWe+ σWp+ σ Lp(電子パルス幅は十分長い）σ Le
σ t = σ Le + 2 ≈ σ Le
4γ
-6-

主な技術開発項目
１．発生Ｘ線量の増大・発生するＸ線量は衝突する領域での電子とフォトン数の積（密度)に比例する

N x ∝ ρe ⋅ ρ p ⋅V

短パルス性と高収束(高品質)・高輝度電子源の開発（フォトカソードＲＦ電子銃）
・短パルス高輝度レーザーの開発（TWレーザー）

２．安定的なX線の発生・パルス幅は相互作用時間（衝突時間）である。電子線パルス幅が1ps以上あるため、９０゜での衝突によりフェムト秒Ｘ線を発生する。
強度、空間、時間領域での安定・フェムト秒領域での電子線とレーザーの同期技術の開発

-7-

発表内容

１．レーザーコンプトン散乱によるＸ線発生
２．発生装置(電子線、短パルスレーザー、同期系）

３．X線の利用例
４．産総研の装置の現状
５．まとめ

-8-

X線発生ステム
Photocathode RF gun
Picosecond
UV laser
Femtosecond
TW laser

35Mev linac

Angle selector

Beam dumper
Imaging sample
X-ray camera

Achromatic
Bending magnets
Interaction
point
Focusing magnets

MCP

-9-

レーザーフォトカソードＲＦ電子銃

本RF電子銃の主構造としては、無酸素銅で作られたS-バンド1.6セルとなっている。
更にエミッタンス補正のため、高精度ソレノイ
ド電磁石が取り付けられている。
コンプトンＸ線の発生
自由電子レーザー
リニアコライダー
高速現象の動解析hν

主要仕様
Electron energy>3 MeV@6MW
Charge/pulse>1 nC @100μ@100μJ laser pulse
Pulse length
3 ps @10ps laser pulse
Normalized emittance <3 mmmm-mrad

e

-10-

高品質電子ビーム(低エミッタンス)＊マスクイメージをｶｿｰﾄﾞ上にイメージ転送

Mask

20mm

SHI
UV laser

Phosphorscreen＊ｶｿｰﾄﾞ上での電子分布のまま電子ビームを輸送-11-

レーザーパルス時間波形整形による低エミッタンス電子ビームの発生

Pulse Shaper
Pulse Stretcher

Ti:sapphire
Femtosecond Laser

Regenerative
Amplifier

矩形波整形
矩形波整形
Gauss
波形整形
Gauss波形整形
パルス幅可変パルス幅可変Compressor
THG
Linac
RF GunLow-emittanceElectron Beam

-12-

エミッタンスの測定結果
ε n = (a'⋅Q ) 2 + b'2

Gaussian(9ps)
Square (9ps)a'b' = ε rf2 + ε th2

πmm-mrad/nC

πmm-mrad1.85±
1.85±0.13
0.92±
0.92±0.05

0.83±
0.83±0.05
0.81±
0.81±0.03

ε rf ≈ 0.6πmm − mrad
Laser pulsewidth:
pulsewidth: 9ps FWHM

ε th ≈ 0.6πmm − mrad

-13-

波面制御
レーザーパルス

参照光デフォーマブルミラー

BD波面センサー

19電極

CCD

BD

ビーム

デフォーマブルミラーを用いた閉ループ（10Hz）波面補正
0.33λ@rms

0.05λ@rms

波面データ

遠視野像

補正前

補正後

FESTA集中研究所-14-繰り返しの異なるレーザーの同期
PLL(Phase-Locked Loop)制御と相関光による制御の併用
1.高調波を用いた高精度同期(短時間)2.相関光を用いた長時間同期

PLL(Phase-Locked Loop)制御

ループ
フィルタ

位相比較器
基本波

フェーズシフター
BPF

ピエゾ ドライバ

2856MHz

BPF

x24

2856MHz繰り返しレーザー
非線形結晶
光検出器
PZT

119MHz繰り返しレーザー
ピエゾ ドライバ

ループ
フィルタ

相関光による制御-15-相互相関光を用いたジッター評価
2856MHz繰り返しレーザー

①

非線形結晶
光検出器

②

③

PZT
119MHz繰り返しレーザー
ピエゾ 電源

ループ
フィルタ

相関光強度プロファイル③

片側のスロープを利用

時間遅延

①②
-16-

低タイミングジッターの同期システム
・2台のレーザー発振器は繰り返し周波数(79.3MHz)の36倍高調波で基準周波数
2856MHzに同期し、その差を10fsに制御 (Proceedings of SPIE, 5194, 149-156 (2003)）
・電子線加速位相は、温度変化等のドリフトを補正
36th harmonics(2856MHz)

TimingPicosecond laser

stabilizer
fiber

79.3 MHzTo photocathode RF gun

PD
MasterOscillator

Timing

2856MHzstabilizer
2856MHz

Femtosecond laser
79.3 MHz

Drift
compensator

To CPA laser system

To gun & ｌinacs
2856 MHz
Klystron Directional Coupler

Drift compensator

将来的には、レーザー、電子線、X線を利用して同期系の補正を行う
-17-

実験条件
・Electron parameters
Energy38 MeV (σ=0.2%)

Bunch charge

0.8 nC

Bunch width

3 ps (rms)Beam size

30 - 50μm (rms)Normalized emittance

3 mm∙mrad

・Laser parameters
Pulse energy

200 mJ

Pulse width

50 fs (FWHM)

Wavelength

800 nmBeam size～10 μm (rms)Interaction angle

90 °, 165 °-18-

X線発生実験結果(Ⅰ)ー強度

Interaction angle

165°

90°

Energy*34keV17 keV

Number of total photons 2 ×106
(photons/pulse)

5 ×105

Pulse width (rms)*
Repetition rate
* Calculated value

3 ps

150 fs10Hz)
es 1.5
l
u
p/
s
no
ot
h
p(
1
6
0
1
×
ys
ar
- 0.5
X
of
er
b
m
u
N 0

165°

90°
0

50

100

150

Laser pulse energy (mJ)

Laser energy vs. Number of X-ray photons-19-

X線発生実験結果(Ⅰ)ー安定性

165°

6% (rms)( ＊Laser intensity 5%(rms) )90°

Normalized X-ray
intensity (arb. unit)

・Shot-to-shot の安定性 (15 min)
1.5
1
0.5
0
0

11% (rms)
・長時間での安定性 (7h)

)
y ti
ar n
90°
- u
X b.
de ar(zi y
8 % (rms)
al stimn
or et( 10秒間(100pulses)の積算の変化 ) N ni

5

10

15

Time (min)

1.5
1
0.5
0
0

1

2

3

4

5

6

Time (hour)-20-X線強度およびエネルギーの空間分布測定
・X線CCDカメラを用いたX線の強度およびエネルギーの空間分布の測定
・最大エネルギー：15keV (36 MeV electron, 90 °interaction)

Be Window (30mm dia.)

X-ray CCD camera
Po
lari

3

zed
la

eV
M
6

ser

E

on
r
t
le c

m
2 .6

Interaction
point

-21-

X-線強度の２D分布
・空間分布は楕円形であり、その向きはレーザーの偏光向きに依存する

Aperture of the window

・空間分布はシミュレーション結果とよく一致する

P-polarization

Simulation (horizontal)
Simulation (vertical)
Exp. P-Pol. X
Exp. P-Pol. Y
Exp. S-Pol. X
Exp. S-Pol. Y

).
1
u.
a(
yt
si
n
et
ni
d
e 0.9
zil
a
m
r
o
N
0.8

Laser photons(P-polarized)Eelectrons
Scattered X-rays

S-polarization
Laser photons(S-polarized)

E
-10

-5

0

5

10

electrons

Distance from the beam center (mm)Scattered X-rays-22-

X-線エネルギーの２D分布
1 5 .5

X-ray energy (keV)

S-polarization
15

X-ray
Energy(keV)

1 4 .514

1 3 .5
-1 5

5

-5

0

5

10

15

fiiting curve calculated by 3 π m m *m rad,3.6% offset

Energy dispersion(%, rms)

P-polarization-1 0

EnergyDispersion(%,rms)4.5

4

Solid-line:
simulation
3.5
-15

-10
-5
0
5
10
D istance from the beam center (m m )15

Distance from the beam center (mm)

-23-

発表内容

１．レーザーコンプトン散乱によるＸ線発生
２．発生装置
３．X線の利用例（動解析、イメージング）
４．産総研の装置の現状
５．まとめ

-24-

フェムト秒での構造変化の時分割測定（Lawrence Berkeley National Lab.より)-25-

レーザーコンプトン散乱によるフェムト秒Ｘ線を用いた測定例（Lawrence Berkeley National Lab.)

Laser Heated InSb

-26-

屈折コントラストイメージング
・従来の吸収コントラストと比較して、異なった屈折率の物質の境界が強調される
・光源には高い空間コヒーレントが要求される

SampleIntensity

X-raysDensityHigh
Low

Edge enhancement
is observed-27-屈折コントラストの測定例
・接着剤中の気泡
・X線エネルギー： 17keV
Edge enhancement is observed.

CCD images at

1m

15mm

0.1m behind the sample-28-

接着剤中の気泡の屈折コントラスト（２）13cm離れたところでの像

ファイバー
1mm

1.1m離れたところでの像
-29-

発表内容

１．レーザーコンプトン散乱によるＸ線発生
２．発生装置
３．X線の利用例（動解析、イメージング）
４．産総研の装置の現状（平均X線量増大のための開発)
５．まとめ
-30-

マルチ衝突レーザー開発
マルチパルスＸ線

Ti:Sa レーザー

レーザー結晶Seed

共振器ミラー

共振器ミラー

レーザー (ビルドアップ波形）

マルチバンチ電子線
共振器長：5.7 m（3本seed)、7.6 m(4本） 9.5 m(5本)レーザー波長： 800nm
レーザー出力： 平均100 mJ×100 pulse (total 10J)

電子ビーム

レーザーパルス幅：10 ps ~ 20 ps
レーザースポットサイズ： 40 ~ 50μm
-31-

LCS硬Ｘ線発生装置アップグレードについて
１．マルチバンチ電子ビーム生成•フォトカソード用マルチパルスレーザーの開発•半導体フォトカソード(Cs2Te) ロードロックシステムの開発
２．マルチ衝突レーザーの開発
Cs2Te

LCS硬Ｘ線の２桁以上の収量増加を目指す → 109 photon/s (全エネルギー）-32-

マルチバンチ電子ビーム生成
小型全固体マルチパルスレーザー• 8μJ × 100 pulse/ macro pulse@UV
マルチバンチ電子ビームの現状（Mgカソード）• 0.6 nC × 100 bunch/ macro pulse1m

半導体(Cs2Te) カソードロードロックシステム-33-

Development of compact load-lock system
for multi-bunch electron beam generation(Collaborating with KEK)

Compact Cs-Te cathodeRF-gunload-lock system

Delivering unit

Evaporation Chamber at KEK

・ Cs2Te蒸着実験は開始。
・ 7月中 本格的にRF-gunへ装着し、1nC/bunch×100bunchのマルチバンチ電子ビーム生成を目指す。
Mo plug

Evaporation has finished !

After evaporation
-34-

まとめ
レーザーコンプトン散乱によるX線の安定発生に成功.
•

エネルギーは15-34KeV。

•

X線強度は165度で最大 2×106 photons/pulse (全散乱フォトン）.
90度で最大 5×105 photons/pulse (全散乱フォトン）.

•同期システムの安定化等により、X線強度の安定性の向上
・90度衝突で１１％(rms)、165度（ほぼ正面）で６％の安定度
・7時間の長時間運転も行い、安定度8％(100pulse積算で）•X線の強度分布およびエネルギー分布を測定し、計算と比較してよい一致を確認•

屈折コントラスト によるイメージングをデモンストレーション

現在、開発装置は産総研に移設(2005年度）、運転が開始されている。利用実験を再開するとともに、強度向上を目指した開発を進めている。
-35-

レーザーコンプトン散乱装置用タイミング同期レーザー小林洋平 吉富大 鳥塚健二
産業技術総合研究所

Timing synchronization of femtosecond lasers for laser Compton system
Yohei Kobayashi, Dai Yoshitomi, and Kenji Torizuka.
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan<Synopsis>
Femtosecond X-ray pulses from laser Compton scheme could be applied for the medical andindustrial diagnosing or for some physics experiments. Femtosecond timing synchronization of
independent lasers is a key technology for a laser Compton experiment. We show some experimental
result of timing synchronization of mode-locked solid and fiber lasers. We achieved a few
femtosecond timing control of fiber lasers and sub-femtosecond timing jitter between two solid-statelasers.
レーザーコンプトン散乱によるフェムト秒 X 線発生は医学、産業応用に期待されている。
我々は FESTA との共同で 90 度レーザーコンプトン散乱用レーザーの開発、特にフォトカソ
ード用レーザーと衝突用レーザーとのタイミング同期について研究してきた。本発表では今までのタイミング制御技術についてと今後の ERL でのレーザーシステムの可能性について述
べる予定である。
電子パルスは 2.856GHz の RF で加速されるため高繰り返しのレーザーが必要となる。また、衝突用レーザーは TW 級であるため、発振器の繰り返し周波数は 100MHｚ程度が要求される。
ここでは 2.856GHz の 24 分周周波数である 119MHｚの繰り返しレーザーを用いた。2.856GHzと 119MHz の二台のチタンサファイアレーザー発振器を用意し、これらのタイミングジッタ
ーを制御する実験を行った。電気信号のフィードバックおよび電気信号＋光信号のフィードバックを試したところ、サブ 10 フェムト秒のタイミングジッターにまで抑えることができた。
今後開発される ERL 用のレーザーシステムでも同様に 1.3GHz のフォトカソード用レーザ
ーと衝突用レーザーとのタイミング同期が重要となる。さらに、両者の距離が離れているためクロックデリバリも重要な技術となる。
また、電子バンチの繰り返しが高いため衝突レーザーを共振器に閉じ込めることが技術的に可能となってくる。この可能性についても触れる予定である。

レーザーコンプトン散乱装置用
タイミング同期レーザー
産業技術総合研究所
小林洋平 吉富大 鳥塚健二

1

レーザーコンプトン散乱
フォトカソード用レーザー

電子加速器
ｆｓ X線

フォトカソード～
基準発振器

衝突用レーザー•全てのタイミング同期を取る必要がある•タイミングデリバリ

2

必要なレーザー技術
zフォトカソード用レーザー
z波長

カソード材料による （ERLでは～８００nm)
z平均パワー 繰り返しによる （ERLでは >30 W)
z繰り返し （ERLでは１．３GHｚ)zパルス幅 フェムト秒

z衝突用レーザーzTi:sapphireレーザーのCPAシステム

zタイミング同期
zフェムト秒精度での異なるレーザーのタイミング同期

zタイミングデリバリ
z～ｋｍ, ~ 20 fs
3

アウトラインzコンプトン用タイミング同期実験
z2.856 GHz レーザーと119 MHz レーザーとの５fs

タイミング同期z異なる波長の超高精度タイミング同期実験
zTi:sapphireレーザーとCr:forsteriteレーザーとのアト秒タイミング同期
zCr:forsteriteレーザーとEr:fiberレーザーとの３ｆｓタイミング同期zYbファイバー増幅実験
z１００－MHｚ、フェムト秒パルス列の７W増幅

zエンハンスメント共振器の可能性
zコンプトン散乱実験の秘密兵器になるか?
4

タイミング同期•フォトカソード用レーザーと応用実験用レーザーとのタイミン
グ同期•要望は何ｆｓ？
•異なる繰り返し周波数のレーザー間の同期•遠方のレーザー間の同期
これらを解決する必要がある。

以前FESTAと共同で行ったまさに、この用途のタイミング同期実験を紹介する
5

2.856 GHz、119MHz レーザーのタイミング同期

BPF 24th harmonic

PD
PD

Phase detector

BPF

1 1 9 MHzPZT driver

Fundamental
2 8 5 6 MHz
laser

OSC

Stretcher
SFG

LF
PM

119MHz laserDL
2 8 5 6 MHz
PZT
controller

D/A

∫dt

PM

A/D

Reference
Voltage
PD: photodiode, BPF : Bandpass filter, SFG: sum-frequency generation,
LF: 400nm line filter, PM: photomultiplier, OSC: oscilloscope, DL: delay line.

6
T. Yanagida, Y. Kobayashi, K. Maeda, S. Ito, F. Sakai, K. Torizuka, and A. Endo: Proc. SPIE 5194 (2003) 149[AIP].

電気のPLL制御だけの場合
相関光を用いた時間ジッター計測結果
フォトダイオードによる光検出
測定帯域 最大300 kHz

1

0.5

0
-100

時間ジッター

300 kHz - 2.5 Hz

5.7 fs

30 kHz - 0.25 Hz

6.3 fs3 kHz – 25 mHz

4.9 fs

1.5
Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)

1.5

測定帯域

-50

0
Delay (fs)

50

100

相互相関光のプロファイル

1

20 fs

0.5

0
0

10

20

30

40

Time (sec)

帯域 3 kHzでの測定結果
7

T. Yanagida, Y. Kobayashi, K. Maeda, S. Ito, F. Sakai, K. Torizuka, and A. Endo: Proc. SPIE 5194 (2003) 149[AIP].

発生したドリフトのようす

1
Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)

0

-0.5

-1

-1.5

-2
-200

-100

0

100

200

Delay (fs)

0
-1
-2
-3
0

掃引相互相関波形
ドリフトの観測

2

4

6

8

10

Time (min)5 – 15 min / 100 fs

原因として考えられるもの
・温度変化による光学定盤やRFケーブルの伸縮・位相比較器の基準参照電圧の変動
1度で10^-5 : 1kmなら10mm=30 ps. 10fsに抑えるためには0.3mK以内！
タイミングデリバリの難しいポイント

8長時間同期（＋相関光フィードバック）

RMS jitter < 4 fs (50 Hzサンプリング)
同期精度を維持したまま、1時間以上の運転が可能になった
2台のチタンサファイアレーザーはタイミング同期できる長距離の問題は依然残る

9

Control of Ti:sapphire and Cr:forsterite laser
NIST, coherent synthesis (< ms)
A. Bartels, et. al. Opt. Lett. 29, 403 (2004)
MIT 0.3-fs timing jitter, phase relation observation
T. Schibli et. al. Opt. Lett. 28, 947 (2003)
AIST 1-fs timing jitter (2002), phase control (2003)
0.1-fs timing jitter
D. Yoshitomi et. al. Opt. Lett. 30, 1408 (2005)
Tight optical phase locking (>3000 s)
Y. Kobayashi et. al. Opt. Lett. 30, 2496 (2005)
TiS

0.8μm

CrF

1.2μm

λ

t
10

Passively synchronized two-wavelength laser

Nd:YVO4CM CrF

CMSESAM CM CM
PZT

OC 5%
CM

TiS
CM

CM

Nd:YVO4 SH
CM

OC 1.5%

BBO

CM

CM

SFG

FWHM ~ 41nm
Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)

60cm
FWHM ~ 62nm

700

750

800
850
Wavelength (nm)9001160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300
Wavelength (nm)11Movie of passive synchronization
Changing the cavity length by PZT,
Two-wavelength laser

Ch2

Ch1

PD

TiS

PD

CrF

PZT

Oscilloscope

How about the timing jitter?
12

Timing jitter in various
observation bandwidths
1kHz BW

100kHz BW
passive + active
rms = 91 as

20

40

60

Time (s)80100passive + active
rms = 97 as

Delay (1fs/div)

passive only
rms = 548 as

Delay (1fs/div)

Delay (1fs/div)

passive + active
rms = 63 as

0

1MHz BWpassive only
rms = 92 as

0

20

40

60

Time (ms)80100

passive only
rms = 109 as

0

20

40

60

80

100

Time (μs)

Slow
Slowjitter
jitter(1kHz(1kHzBW)BW)waswassignificantly
significantly
reducedreducedby
byactive
activecontrol!
control!
D. Yoshitomi et. al. Opt. Lett. 30, 1408 (2005)98
98±±1818as
as(10mHz(10mHz––100kHz
100kHz))126
126±±2020as
as(10mHz(10mHz––1MHz)
1MHz)

13

光位相同期もできる

Digital PD,
Loop filter,
PZT EOM
drivers

SG

div

Amp

Amp
div

BPF

LPF

Amp
Counter,
VSA

CM CrF CM HR

PR
PMT

Pol.
EOM

CM

HR

Delay

TiS

CM
CM

CM

RF SA

HM

OC

BBO

PZT

BBO Delay

TiS
HR

CM

HR

HR
CM CM

OC CrF

BBO
14

Optical phase control – RF spectrum of locked beatThis work (2005)
Span 1 Hz

Intensity [dBm]

Previous work in 2003
Span 1 MHz-80
Span 1MHz
RBW 3kHzsweep time ~0.2 sec.
ave. 10 (2sec.)
FWHM <RBW

-85
-90
-95

Relative Intensity (dB)20

Span 1HzRBW 600uHz
FWHM ~ RBW

0

-20

-40

-100
-105

-60

-110
56.2

56.4

56.6

6

56.8

Frequency [x10 Hz ]3-kHz line width

29.9999996

29.9999998

30.0000000

630.0000002 30.0000004x10

Frequency (Hz)600-μHz line width is limited by RBW
Y. Kobayashi et. al. Opt. Lett. 30, 2496 (2005)15

ファイバーレーザーのタイミング同期
Timing control
Master clock

Timing or clock delivery
Mode-locked Fiber laser

Precise timing control of the fiber laser is required for clock
delivery in a short range application (10-km region).
10-fs timing jitter with active control was demonstrated [*]zHow precise can we control the timing jitter?
[*] D. D. Hudson, et. al., Opt. Lett. 31, 1951 (2006).

16

我々独自の技術 －受動タイミング同期

masterslavezz

Pulse timing of fiber laser is passively locked to themaster laser by cross-phase modulation.
Intensity fluctuation of the sum frequency
corresponds to the timing fluctuation.

17

Results -Timing synchronization
Tolerance of cavity mismatch
Rep. Freq. (Hz) - 81.475MHz

Picture of master (upper)and slave (lower) pulses

300
200
100
0
-100
-200
-300
0

2

4

6

8

10

12

End Mirror Position (μm)•Repetition rate of fiber laser is
synchronized to that of master laser.
•Tolerance is ~ 400 Hz.

18

Result - Timing jitter
BBO
PMT

OSC+FFT
10

5

8
3

2

10

1

6

-1

4

10
10
10
10

-3

rms jitter (fs)

Jitter PSD (fs /Hz)10

2 fs @100 Hz100 kHz
3.7 fs @1 Hz –100 kHz

2

-5

0
10

0

10

1

10

2

10

Frequency (Hz)

3

10

4

10

D. Yoshitomi et. al.
Opt. Lett.

5

19

Ybファイバー発振器及び増幅器
ー フォトカソード用レーザー

YDF
Yb:ファイバーレー
ザー発振器

Pump LD
SHG>10 W

10 W@500

スケーラビィリテイー : 現状では１００W、それ以上はLDとファイバーの開発が必要
20

700-900nm のためにはOPA
z発振器

Ybファイバーレーザー
z増幅器 Ybファイバー
zOPA BBO
Yb doped fiber
GHｚ－Ti:sapphire
Ybファイバータイミ
ング同期発振器

Pump LDBBO
SHG
200 W@1030

100 W@515

10 W@800？

21

Ybファイバー増幅器

pump LD
980nm
25W
single-mode

λ/2 λ/4

１００MHｚYbガラス
レーザー発振器

double-clad
YDF
isolator

out
DM

22

Ybファイバー増幅器
チタンサファイアレーザーシード
１００ＭＨｚ繰り返しＹｂファイバアンプ
平均出力 7 W
パルスエネルギー
70 nJ
パルス幅（圧縮後） 114 fs

大沼 他 2006年秋季応用物理学会 1p-W-7

23

エンハンスメントキャビティー
GHｚ発振器＋増幅器

キャビティーQ＝1000
なら、１０００倍のパルスエネルギー
GHｚ、１０Wなら１０ｎJ
キャビティー内では
１０ μJ

電子バンチ

例えばT. Schibli et. al., CLEO2007 postdeadline paper

24Femtosecond frequency comb
T

Mode-locked laser

Δφ
Pulse trainτTime domaintfrequency
domain

frep

δ

Δν

frequency comb [*]frep : repetition rate, Δν: spectrum width, δ: offset frequencyfComparable to hundred-thousand narrow cw lasers!
Frequency ruler, precision measurement- Frequency, timing, clock deliveries.
[*]

D. J. Jones, et al., Science, 288, (2000) 635

25

Cavity mode and frequency comb
frequency comb

δ

frep

Δν

f
FSR

δ＝0

Cavity modef

オフセット周波数と繰り返し周波数の２自由度をロックする必要がある。
26

加速器のシステムに必要と思われるレーザー
ERL

加速用RFアンプ
Enhancement cavity
0.8ミクロン?

フォトカソード
マスター発振器？

レーザー３

1ミクロン？ 700-900nm?
レーザー１

タイミング同期

タイミング同期

（検出器）

レーザー２
＞ｋｍファイバーリンク
タイミングデリバリ

1.5ミクロン
27

現状と課題z タイミング同期

ｆｓレベル

z GHｚ－Yb発振器
z 高出力Ybファイバーアンプ
z タイミングデリバリー28

テラヘルツ放射光の現状と大強度 CSR の利用
木 村 真 一（分子科学研究所 UVSOR 施設）
Present Status of Terahertz Synchrotron Radiation and Future Use of Intense CSR
Shin-ichi Kimura, UVSOR Facility, Institute for Molecular Science<Synopsis>
Synchrotron radiation (SR) in the terahertz (THz) and infrared regions is widely used forscientific researches and applications in the world because of its high brilliance andbroadband properties. In this talk, we will present some examples of experiment using theconventional THz SR and prospects using intense THz coherent SR generated by the Compact
ERL light source.
<本文>
一般に，1011〜1014 Hz（0.1〜100 THz , 3.3〜3300 cm-1, 0.4〜400 meV）の周波数を持つ電磁波をテラヘルツと呼んでいる。この領域は，光と電波との境に位置しており，それぞれで開発されてきた光源や検出器の技術の延長では難しい領域であるため，「テクノロジーギャッ
プ」と呼ばれていた。しかしながら，格子振動や分子振動，半導体のエネルギーギャップ，
伝導キャリアのプラズマ振動数，相互作用の強い系の準粒子など，物質科学の根本に関わる
素励起の重要な情報を多く含んでいるため，昔から地道に基礎的な研究が展開されている。
この流れの延長上で，20 年以上前に，より先端的なテラヘルツ分光を目的として UVSOR に
世界最初の共用ビームラインが建設された。[1] このビームラインの成功が発端となり，世界各地に赤外・テラヘルツビームラインが建設され，最近建設された放射光施設には，かならずといっていいほど，赤外ビームラインが設置・計画されている。
現在の赤外・テラヘルツビームラインの主な目的は，汎用赤外分光計で用いられているグ
ローバー灯や高圧水銀灯などの黒体輻射の原理を利用した光源に比較して桁違いに高い輝度及び強度を利用した，回折限界空間分解能での分光やイメージング，meV 領域（sub-THz）の分光などである。これらの手法を用いて現在行われている研究の多くは，極限環境下など汎用装置では困難または不可能であった分光実験である。つまり，テラヘルツ放射光（THz-SR）
を高輝度・大強度なランプとして使っているにすぎない。
80 年代終わりの電子線ライナックからのコヒーレント放射光（CSR）の観測[2]および 2000

年以降の電子蓄積リングでの CSR の生成[3]，および，エネルギー回収型ライナック（ERL）
からの大強度 CSR の出現[4]によって，これまでの THz-SR のプローブ光としての利用研究か
らさらに一歩先に進んだ利用への道が開けた。それは，大強度なパルス特性および高いコヒ
ーレンス性を持った白色光としての特性である。現在，これらの利用および新規方法論の開拓が世界各地で進められており，例えばアメリカでは，DOE-NSF-NIH のワークショップ報告の形で研究の方向性がまとめられている。[5]講演では，以上の利用研究の現状についてまとめ，ERL を用いることで近い将来に可能になると考えられる，大強度テラヘルツ光を利用した研究の方向性について議論する。

[1] T. Nanba et al., Int. J. Infrared and Millimeter Waves 7, 1769 (1986). [2] T. Nakazato et al.,PRL 63, 1245 (1989) 1245. [3] A. Andersson et al., Opt. Eng. 39, 3099 (2000). [4] G. L. Carr et al.,Nature 420, 153 (2002).

[5] http://www.sc.doe.gov/bes/reports/files/THz_rpt.pdf .

テラヘルツ放射光の現状と大強度CSRの利用
木 村 真 一自然科学研究機構 分子科学研究所
極端紫外光研究施設（UVSOR）
1

ERL研究会「コンパクトERLが拓く世界」@KEK 070709-10

OutlinezIRSR + THzSR?
¾characteristics¾IRSR + THzSR beamlines in the world
zApplications of THzSR¾Conventional use¾Microscopic use

zFuturezDoes we need intense IR + THz sources?
2Advantage of IRSR compared withordinary sourcesz High brillianceOrdinary source（globar lamp etc.）¾ Excellent for spectromicroscopy

IRSR

z Broadband

Electron beam

¾ Useful for spectroscopyz Linear/circular polarization¾ Crystallic asymmetry，
Molecular orbital,
polar direction，MCD

GlobarIR-SR

Intensity

25 : 1z Pulse (sub-pico-second)¾ Time structure
-50

0

0

X (µm)

50 -50

50

-50

0

0
50 -5050

3

Y (µm)THzSR+IRSR beamline in the worldJapan

UVSOR-II 6B THz+IR, multipurpose, microscopy, MCD
SPring-8 43IR IR, microscopy under extreme conditionsUSA
NSLS
U2A IR, microscopy under high pressure (geology)
U2B IR, microscopy for biology
U4IR THz+IR, surface science
U10A IR, multipurpose (solid state physics)
U10B IR, multipurpose, wide energy range
U12IR THz+IR, pump-probe (solid state physics)
ALS
1.4.2 IR, multipurpose, surface science
1.4.3 IR, microscopy (biology)
SRC
031 IR, microscopy
France super-ACO SIRLOIN, IR, multipurpose
SOLEILUK
SRS
13.3
IR, microscopy, surface science
DiamondSweden MAX I
073 IR, high resolution (gas)Germany ANKA
IR Edge radiation
BESSY IIIR, microscopy, THz-CSR
Italy
DAΦNE SINBAD THz+IR
ElletraIR
Red: THz
Taiwan SRRC
IR, microscopy
Blue: IR.
Switzerland SLS
IR microscopy
ESRF
IR, microscopy
China NSRL, Canada CLS,,
under consideration

4

Reconstructed IR+THz beam line（BL6B） at
UVSOR-II (since 2004)
Acceptance angle of SR
From 80(H) x 60(V) mrad2
To 215(H) x 80(V) mrad2
UVSORUVSOR-II storage ring

Bending duct

6-axes pulse
motor stagefor MM

5

Intensity and brilliance of IRSR
compared with a globar lamp
Brilliance
BL6B(IR)(I=500mA)

Photon flux (ph/s/0.1% b.w.)

15

10

UVSOR-II
BL6B

old-BL6A1(I=300mA)
SPring-8 BL43IR(I=100mA)

1410Black body source(for large sample)(1400K, φ5mm, 0.015sr)

13

10

SPring-8
BL43IR

12

10

-3

10

-2

10

Black body source(for microscope)(1400K, φ1mm, 0.015sr)
10-1hν (eV)

0

10

Globar lamp

Brilliance @ first focusing point22(ph/s/mm /mrad /0.1%b.w.)

Intensity
10

12

SPring-8
BL43IR
SPring-8
I=100mA

BL43IR

10

10

11

BL6B
UVSOR-II
I=500mA

10

BL6B

old-BL6A1
I=300mA
10

9Black body
(T=1400K)
8

10 -3
10

10

-2

10

-1

10

0

10

1

hν (eV)

Globat lamp
6

End stations of BL6B
at UVSOR-II

Bending #6
Magic mirror

To BL6U
Diamond /z-cut Quartz
windowJASCO
FARIS-1

THz microscope

Bruker
IFS66v/S
Refection-absorption
spectroscopy station
0

500

1000

This chamber can be removed for the otherexperiments (IR-MCD, FIR-RAS and so on).

7

Old data

Hot carriers in SmB6BL6B
(UVSOR-II)In Lab.
(mercury lamp)

Not clear?

1.00

SmB6
T=80K

0.95

Reflectivity

Clear[ S. K. et al., Phys. Rev. B 50, 1406 (1994). ]
0.90

T=
20K

0.85
T=5K

1

Impurity state

Main gap
10Large spectralchange is due to thethermally excited
carriers across thesmall energy gap.
DOS
17meV

Photon energy (meV)EF

8End stations of BL6B
at UVSOR-II

Bending #6
Magic mirror

To BL6U
Diamond /z-cut Quartz
windowJASCO
FARIS-1

THz microscope

Bruker
IFS66v/S
Refection-absorption
spectroscopy station
0

500

1000

9

THz spectroscopy underpressures
Microscope•Horizontal optical pass
•Energy range•Laboratory: 50 meV 〜 1.2 eV•UVSOR-II BL6B: 5 meV 〜 50 meVMicrosope @ BL6B

Diamond anvil pressure cell

Spatial resolution of microscope in
the THz region at BL6B

• Pressure media：Apiezon grease N• Pressure is measured by a rubyfluorecence method.
reflection

100µm

Sample
1.0 mmGasket
0.5 mmRuby
Pressure Media

10

Diamond anvil cellDAC

UVSOR Facility, Institute for Molecular Science

Pressure dependence of R(ω ) in SmS[ T. Mizuno, SK et al. ]1
1.45 GPa

EG

DOS

Exp.
Calc.

FD

1
1

TO phonon

0.85 GPaE

EF
00.65 GPa10

run0
Two phase
run1
run2-1coexistence?

1

Reflectivity

11.0

0.45 GPa

Drudefrom carriers
0.20 GPa

0.5

Neff (/SmS)

10

Black phase
-2

10

-3

Goldenphase
EG~850K

10

1 atm

0.0

EG~1000K

-4

50

100

Photon energy (meV)

10

0.0

0.5

Pressure (GPa)

1.0

11

Scientific program at BL6Bz Electrodynamics of solids @multi-extreme conditions¾ Very low temperature (~0.4K)¾ High pressures (~20GPa)¾ High fields (~6T)

z THz microspectroscopyz FIR-RAS of adsorbed moleculesz THz spectroscopy of protains
z THz excitation with coherent SR.
¾ 103~104 higher intensity than thepresent IRSR.
12

今後の動向？ （私感）
zより速く，より高く，より遠くへ。

(オリンピックではないけれど，)¾時分割¾より高い空間分解能– 近接場分光など

例）化学変化や相変化のビデオ撮影例）パルス超高磁場によるスペクトル変化¾高磁場，高圧力，高電圧，極低温，，，z異次元の世界へ。
¾プローブ光だけではなく励起光としての利用。
¾化学反応の赤外光による制御，など。

大強度が必要。
13

Coherent Synchrotron Radiation （CSR）
Wavelength (λ)
Electromagnetic
wave
Bunch length » λ+Bunch length ≤ λ→ no interference
The intensity is
proportional to thenumber of electron (Ne).

＝→ perfect interference
The intensity is proportional
to Ne2.

→ partial interference
14Intense CSR induced by a laser bunch slicing[M. Shimada et al., submitted.]

UVSOR-BL6B IR Beamline(S. Kimura et al., AIP Conf. Proc. 705 (2003),

1. ｴ 101077

Undulator

CSR from
slicing105
Laser 100000.
1000
103
N・f(1/λ)IR- BLCSR from
whole bunch

101
Incoherent SR
10
0.1
10-1
0.1
0.5
5
10
0.1
0.5 11
5 10
Wave number (cm-1)

25cm-115

Coherent Terahertz Pulses by Bunch Slicing[ M. Katoh et al., Proc. EPAC06, 3377 (2006). ]Stable and periodic.

The width originates from the InSb
hot electron detector response.
16

CSR Intensity (arb. units)

Laser pulse width dependence[ M. Katoh et al., Proc. EPAC06, 3377 (2006). ]of CSR spectrum

Laser width =160 fsec
320 fsec
530 fsec
710 fsec

Short
pulse

The dip is made by laser.

Onset

Onset shifts to the lower
wavenumber side with increasing
pulse width.

20This is the evidence of the CSR
originates from the dip induced bylaser.

Long
pulse
0

10

-1

Wavenumbers (cm )17

Average power of CSR
UVSOR-II BL6B

Commercial
THz source

SPring-8 BL43IR

18

Application of CSR @ BESSY-II(Conventional use)

Use of intense sub-THz light[M. Ortolani et al., PRL 97, 097002 (2006).]19

THz SNOM @ BESSY-II(Microscopic use)
[U. Schade et al., APL 84, 1422 (2004).]λ ∼ 500 µm

VISIBLE image

THz image20

[G.L. Carr et al., Nature, 420, 153 (2002).]21

Intense CSR from ERL @ KEK[K. Harada @ KEK]
22

0.01ps
0.1ps
1ps

-1

Power (W/cm ) in 100x100mrad

2High power CW THz sources[M. Tonouchi, nature photonics 1, 97 (2007).] 23

Conclusion + outlook
zPresent THzSR + IRSR
¾High intensity + high brilliance.
¾Applications are mainly conventional use.
¾New advanced spectroscopies were produced.

zFuture¾We need intense IR + THz light.
– Further advanced spectroscopy. (SNOM, )– THz pump – VIS, ｘ-ray,,,, probe experiment.
– Chemical reaction.
– Etc.
24

テラヘルツ技術の現状と展望
斗内政吉

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター

Current Status and Prospect of Terahertz Technology
Masayoshi Tonouchi, Institute of Laser Engineering, Osaka University<Synopsis>
Research into terahertz technology is now receiving increasing attention around the world anddevices exploiting this waveband are set to play an increasingly important role in a very
diverse range of applications. This review gives an overview of the status of the technology,
its uses and its future prospects.
＜本文＞
テラヘルツ帯には、様々な物質の特徴的現象が存在し、分子振動・分子間相互作用・電荷相互作用・イオン分極などの物性から、バイオ・生体活動を科学するプラットホームでもあることから、長年、サイエンスの宝庫として研究者の興味を引いてきた。しかしながら、テ
ラヘルツ帯は、電子デバイスの動作上限周波数に近く、良質の信号源や光源がなく、また、水の吸収が大きく影響するなど、その利用は、電波天文など宇宙の観測、フーリエ・ラマン
分光など、特殊な計測・分析分野に限られていた。その未開拓電磁波領域において、近年の技術革新により、新しい機能が創製され、新たなる発展を始めた。
テラヘルツ技術は新しいセンシング機能を提供し、工業・医療・バイオ・農業・セキュリ
ティなど様々な分野における応用が見込まれている。情報通信分野においては、利用電磁波のますますの高周波化が進んでおり、数百 GHz の無線通信が実現される時期も遠くはない。
ナノ技術の発展に伴って、テラヘルツ動作を目指す半導体デバイス、動作周波数 200 GHz を目指す超伝導単一磁束量子論理回路の開発も急速に進展し、高速信号処理技術などテラヘル
ツ帯信号処理が可能になりつつある。テラヘルツ技術は、そのような次世代の機能センシン
グ・情報通信・エレクトロニクスの基盤となるべき科学技術分野を切り開くとともに、基礎科学の分野においても不可欠な分野である。また、生体温度領域にもあることから、バイオ・
生体活動を科学する重要な分野でもある。
本稿では、新しいテラヘルツ技術の現状とそれが切り拓く新しい科学と応用の展望を概説
する。

参考文献
M.Tonouchi,(2007).

Cutting‑edge terahertz technology, Nature Photonics 1 (2), 97 ‑ 105

斗内政吉監修、 テラヘルツ技術 、オーム社、2006 年 5 月
斗内政吉、田中耕一郎、 テラヘルツ時間流域分光法 、電子情報通信学会誌、Vol.80, No.6
（2006）474‑480
斗内政吉,

テラヘルツ波技術の現状と展望, 応用物理, Vol. 75, No.2 (2006) 160.

平成19年 7月9日

テラヘルツ技術の現状と展望
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
斗内政吉
tonouchi@ile.osaka-u.ac.jp

光・電波の減衰減衰(dB)

100G-30T

周波数 (Hz)1

1. 背景 ～テラヘルツ技術の新展開～
2. テラヘルツ技術の現状
3. テラヘルツ技術が拓く新しい科学技術分野
4. 高輝度テラヘルツ光への期待
5. まとめ2未開拓領域“テラヘルツ”帯

１）テラヘルツ技術は新しいセンシング機能を提供し、工業・医療・バイオ・農業・セキュ
リティなど様々な分野における応用が見込まれている。２）情報通信・エレクトロニクス分野においても基盤技術となりつつある。３）バイオ・生体活動を科学する重要なプラットフォームである。４）テラヘルツ波を観測することで宇宙誕生の鍵を解く情報収集が期待されるなど、サイエンスの宝庫でもある。
mm-wavesTHztransistors
Superconductor
single flux quantum circuit

THz Gap

FT/IR spectroscopy
Quantum
cascade lasers
Infrared sensors
and cameras

THz sensing/THz wireless Communication/THz electronics

3

テラヘルツ技術の新展開
キーテクノロジー
1. テラヘルツ時間領域分光法（1990年代以降）¾物質の複素パラメーター（光学定数、誘電率など）が、簡単に計測できるようになった。
¾分光イメージングにより様々な応用が期待されている。
¾フェムト秒時間スケールの物質のダイナミックな応答を追跡できるようになった。
2. テラヘルツ量子カスケードレーザー（2002年以降）¾ナノテクノロジーの進化により新しいレーザーが誕生¾新しい分析・センシング応用が期待（ガス分析など）
3. 高出力テラヘルツ波光源（2000年以降）¾フォトミキシングによる高精度なチューナブルテラヘルツ波の発生¾非線形効果による高出力テラヘルツ光源（パラメトリック、差周波混合など）¾THz自由電子レーザーなど（ジェファーソン研究所など）
4. サブテラヘルツ電子デバイス・集積回路技術（2005年以降）¾半導体・超伝導集積回路の高速動作（100GHz以上）
4¾共鳴トンネルダイオードなどの基礎研究（1THzの発振など）

テラヘルツ時間領域分光法
Terahertz Time Domain Spectroscopy
THz-TDS

5時間領域テラヘルツ波分光システム

100 fs

0.1

9
Pump
Bias

6

5mW
6V

Amplitude (arb. units)

Amplitude (arb. units)

チタンサファイアレーザー
12-100fs、
10-80MHz
500mW-2W
ファイバーレーザー50-100fs
10-50MHz
30-300mW

3
0
-3
-6
10

12

14

16
18
Time (ps)

20

22

24

0.01
1E-3
1E-4
1E-5

0

1

2
3
Frequency (THz)

4

5

6

Normal THz-TDS

さまざまな電子材料分析

ε1
ε2

シリコン、ガラス

Dielectric Constants

30

20

絶縁体基板
10

0

-1

-1

Optical Conductivity (ohm cm )

0.5

2000
1600

σ0

マンガン酸化物
Data by
Ishikawa et al.

(100) LSAT

1.0
1.5
Frequency (THz)2.0

高温超伝導体

Drude
curve

1200
800
σDC

400
0

Present work(by THz-TDS)

1

Lorentz
curve

10
100
Photon Energy (meV)7テラヘルツ量子カスケードレーザー
Terahertz Quantum Cascade Laser
THz-QCL8

量子カスケードレーザ: Quantum Cascade Laser
多段滝（水）

量子力学的多段滝（電子）Charged carrier(Electron)e 量子カスケードレーザの特徴
 サブバンド間遷移 ユニポーラ素子（電子のみ）
 発振波長は量子井戸設計により調整
 キャリアリサイクリング（1電子がユニット数個の光子を発生）

hν

ゲイン
緩和・注入

hν

化合物半導体多層膜で実現
GaAs/AlGaAs

Real-Spacee

サブバンド間遷移

ΔE
 Eemit ~ 3.3 THz
 ΔE > ELO (~36 meV)構造
B. Williams et al., APL 83, 5142 (2003).

NICT 寳迫巌氏提供

9

1.6THz
4.4THzNature Vol. 417 (2002)

10
Courtesy Qing Hu, MIT, Aug. 2006

Tonouchi

New approach to THz sources
10 5

Output

1000
100
10
1

III -V Laser

IIMPATT
MMIC

QCL

Gunn

r
xe
mi
oto
Ph
PD
CUT

Power

(mW )

10 4

THz-QCL
Lead Salt Laser
p-Ge Laser

TUNNET

0.1

RT
D

0.01
0.001
0.01

DFG, parametric

0.1

テラヘルツ技術、オーム社、2006年

Multiplexer

110Frequency (THz)

100

1000
11

テラヘルツイメージング

12

B. B. Hu and M. C. Nuss Opt. Lett. 20, 1716 (1995).

阪大斗内研

名大/理研・川瀬晃道＆栃木ニコン13

大阪大学 斗内政吉

テラヘルツ技術の将来展望
テラヘルツ波Terahertz Waves

テラヘルツテクノロジー
Terahertz Technology

テラヘルツフォトニクスTerahertz Photonics

テラヘルツエレクトロニクス
Terahertz Electronics

14
テラヘルツ技術、オーム社、2006年

大阪大学 斗内政吉

テラヘルツテクノロジー分野の融合とシナジー効果
テラヘルツ波レーザ工学

天文学

未踏センシング
宇宙
天文

環境工学
DNA
バイオ

生体・医療

セキュリティー

標準
EMC

医療

分析機器

非破壊検査
データベース

テラヘルツ波
結晶

バイオ
メトリクス

新材料
非線形光学

テラヘルツフォトニクス

センサーネットワーク
無線通信

光通信
ルーター・サーバー

次世代通信
ナノデバイス
光・電波変換化合物半導体集積回路

新産業機器

超高速AD・TD

計測工学
超伝導工学

テラヘルツエレクトロニクス
極限コンピューティング
論理回路
15光ファイバ通信

1T

E-TDM

波長多重

ノード

電波

基幹光伝送
(120GHz)1G(60GHz)

100 M

無線

Ethernet

CKC

10BASE-T

CKS

VEE

1M

CKT

～1900 HBTs

10 M

VRT

1980

1985

1990

1995

2000

年

2005

2010

20GHz SFQ
Micro-Processor

VIN
VRB

VEE

VEEA

D0
D1

テラヘルツデバイス

VEE

フォトニックデータパス
化合物フロントエンド処理

VEE

アナログ ディジタル

D2

超伝導
パケット処理終端

OF

CMOSバックエンド

VEE

ビットレート (b/s)

100 G
10 G

テラヘルツ
ICT

36Gbps ADC

SFQ光パケットスイッチ
数十Gbps無線実現へ

テラヘルツ無線・超高速論理回路・SFQノード／サーバーなど、様々なテラヘル技術が次世代ICTを開拓する。

16

テラヘルツイメージングと安全安心応用

違法薬物検知バイオメトリクス
外乱光源

エミッタ

y
x

THz

励起パルス

THz

評価試料

検出パルス

ディテクタ

スケールモデルシミュレータ

隠匿物検査

テラヘルツイメージングは、様々なセンシング機能を有し、危険物・禁止薬物
検査・隠匿物検査など、セキュリティ分野における新展開が期待されている。17

皮膚がん診断

バイオ・生体・医療・医薬品検査応用

DNA検査
医薬品結晶多形分析

イムノアッセイ（抗原抗体反応）

テラヘルツ分光イメージングは、医薬品結晶多形、分子間相互作用、
水素結合評価、成分検査など、様々な新しい分析応用が期待されている。18

工業・農業応用
農作物／食品検査・管理

LSI不良解析

電子材料／ナノ材料分析

半導体ウェファー評価

誘電率／導電率評価による電子・ナノ材料分析、農作物等の水分成分検査、
テラヘルツ波発生によるLSI不良解析など、産業展開への期待も大きい。 19

宇宙･環境計測

Image courtesy of JAXA

12.5&3.3THz
CameraSMILES

Earth
Monitoring
ALMA

Akari

20

大阪大学 斗内政吉

テラヘルツテクノロジーが目指すもの
より豊か、より便利、より安全・安心な社会への貢献
高度情報通信技術革新☞次世代光通信☞テラヘルツ無線☞高速ネットワークノード☞超高速論理回路/サーバー

新機能センシング・分析技術の創製☞バイオ／生体分析・医療☞セキュリティー・環境検査☞非破壊検査・工業分析☞宇宙観測・基礎科学

新規融合分野の開拓☞センサーネットワーク☞バイオメトリクス☞リモート分析・診断☞大容量分光イメージング

テラヘルツフォトニクス

テラヘルツ
エレクトロニクス

テラヘルツ波21

産業展開大阪大学 斗内政吉

分析機器⇒電子材料・工業材料・バイオ／医薬品・農作物・環境計測など診断・検査技術⇒皮膚癌・セラミックス・美術品・LSI不良解析・
医薬品・建物（建材）・スペースシャトル断熱材など
安全・安心技術⇒禁止薬物・危険物（爆薬・有毒ガスなど）・
セキュリティー（THzカメラ）・指紋・食品検査など
情報通信⇒サブテラヘルツ無線（ビル間通信・ホットスポット・
遠隔医療・ハイビジョンTV）・光ルーターなど
基礎科学研究機器⇒宇宙天文・分子/電荷ダイナミクス観測など
22

皮膚癌診断例

Teraview, UK,
cancernormaltissue

正常組織

癌組織

ノイズ

by 名大

川瀬晃道ら
23

検査・NDE応用
スペースシャトル
外壁パネル全数検査

LSI不良箇所特定装置（阪大、NECEL他開発中）
断線なし 断線あり

http://www.rpi.edu/~zhangxc

MOS TEGサンプル

24安全・安心応用例
THz-QCLによる
リアルタイムイメージング

IEEE Photonics Technol. Lett. 18, 1415(2006).

郵便物内の麻薬検査

理研・名大他25

基礎科学応用
水分子のダイナミクス
Bulk water
10-12s

10-7s~10-9s

サクロース
水和数⇒約11個Int. J. Infrared and Millimeter
Waves 27, 505-515 (2006)26

Courtesy of Fukunaga(NICT)Art Conservation

27

高輝度テラヘルツ光への期待
1. EMC技術の標準化⇒テラヘルツの安全・安心／セキュリティー応用☆データベースの構築☆生体への影響を検証し、産業展開規格を提供
2. THzポンプ＆プローブ⇒材料科学への新展開☆基礎科学・新Qbits･･･
3. テラヘルツ非線形光学⇒新しい非線形光学☆バイオ・製薬・材料科学・基礎科学・天文･･･
4. 新電磁気学⇒新しい光科学のための基盤ツール☆メタマテリアル･スーパーレンズ・透明マント･･･

28

まとめ
テラヘルツテクノロジーは、主要３分野、テラヘルツ波・
テラヘルツフォトニクス・テラヘルツエレクトロニクスの融合により、生命・医療・健康・産業・宇宙・環境・安全/
安心・情報通信・基礎科学など、広範な領域において、新規科学技術・応用分野を切り拓き、大きな波及効果をもたらすことが期待される。

Star Trek
1966-1969

ショルダーホン！
1985

携帯電話からICT端末へ
2005

29

tonouchi@ile.osaka-u.ac.jp
参考文献
応用物理学会誌２００６年２月号
nature photonics ２００７年２月号
テラヘルツ技術（オーム社、２００６年５月）
http://www.ile.osaka-u.ac.jp/research/THP/

30

ERL 研究会「コンパクト ERL が拓く世界」
テラヘルツ時間領域分光法と基礎科学への応用
京都大学大学院理学研究科
田中耕一郎

Terahertz Time-Domain Spectroscopy andits Application to Fundamental Sciences
Koichiro Tanaka
Department of Physics, Kyoto University<Synopsis>
State of the art of the terahertz time-domain spectroscopy is reviewed.

After a brief summary of thebasic concept of the spectroscopy, several examples of measurements on dielectric constants arepresented with references.

Special attention is paid for the terahertz attenuated total reflection

spectroscopy that serves a powerful characterization method for powder samples, polar liquids, andsurface excitations.

Finally, future prospects for non-linear THz spectroscopy will be discussed witha special attention to recent development of high power THz sources.

2007/ 7/ 9

ERL研究会「コンパクトERLが拓く世界」
KEK, Tsukuba

テラヘルツ時間領域分光法と基礎科学への応用

Department of Physics, Kyoto University
Koichiro Tanaka
SCOPE project
2003-2007

JSPS project
2006-2010

ATT OC
Advanced Terahertz Technologies
adapted for Optical Communication

Exploitation of Organic Electronic Materials
of Potential Dynamic Switches for Nonequilibrium Condensed Matter Sciences

1

講演内容
• テラヘルツテクノロジーとは何か？
• 時間領域テラヘルツ分光法の基礎• 時間領域テラヘルツ分光法による物性測定
有機材料, 強誘電体、半導体、超伝導体
水、水溶液• 非線型テラヘルツ分光の必要性と戦略

Kyoto University 2006

2

Importance of terahertz frequency region
Radio wave

THz region Light wave

Dielectric constants

Intermolecular vibration
Large molecule vibration

Molecular
Vibration

Electronic Transition

Rotation

ε1 Relaxation mode
X-rayXdiffraction

線回折Spin excitation

ε2
0
1m

100mm

10mm

1mm

100μm

10μm

1μm

Wavelength

Radio wave

100nm

10nm

1nm

0.1nm

VisibleInfrared
Kyoto University 20063

Absorption of Liquid Water
Microwave cooker
Frequency (THz)
8

9

10

10

10

10

11

10

12

10

13

10

10

14

10

15

16

10

6

10

THz

5

-1

Absorption Coefficient (cm )

10

4

10

3

10

2

10

1

10

0

10

-1

10

-2

10

-3

MW

EW

IR

Vis. UV

10

-4

10

10m

1m

100mm 10mm

1mm

100μm 10μm

1μm

100nm 10nm

Wavelength

Jackson, Classical Electrodynamics

4

y
x

B. B. Hu and M. C. Nuss, Opt. Lett. 20, 1716 (1995)

THz

THz

THz-Imaging

Kawase (Nagoya/Riken), Nikon

5

講演内容
• テラヘルツテクノロジーとは何か？
• 時間領域テラヘルツ分光法の基礎• 時間領域テラヘルツ分光法による物性測定
有機材料, 強誘電体、半導体、超伝導体
水、水溶液• 非線型テラヘルツ分光の必要性と戦略

Kyoto University 20066

THz-TDSの進展 - フェムト秒レーザーの進歩
Photoconductor Si SI-GaAs

a-Si

LT-GaAsfemtosecond laser

RD-SOS

with Battery(IMRA)

103

Mode-locked Nd:glass laser
YAG laser
Flashlamp
PC antenna
dye laser
E-O sampling

Free space
E-O sampling

103

102

CW mode-locked
dye laser

Self-mode locked
Ti : Sapphire laser

102

10

Wavelength (μm)

Pulse Width (fsec)

104

CPM ring dye laser
第３世代フェムト秒システム

10

Pulse
Complession

1965

1975

1

Year

Diode laser + 希土類

..

1985

Er ファイバーレーザー
Yb glass laser

1995

2005
Kyoto University 20067

THz-detection
Generation

Detection
Photocurrent
Bias

LT-GaAsA

LT-GaAs

Voltage

Dipole antennaE(t)Photo-conducting
antenna

EO crystal

χ(2)

χ(2)
Opticalrectification

λ/4P

E(t) Electro Optic sampling
Kyoto University 20068

THz-wave generation with second-ordernon-linear optical process
E (t )
χ(2)Pulse width: Δτ

Δτ ⋅ Δω = 1

SumDifferential
frequency frequency

P (t ) = ε 0 χ E1 (t ) E2 (t )
( 2)

( 2)

E1 (t ) = E2 (t ) = A(eiωt + e −iωt )P ( 2 ) (t ) = A2 ( χ ( 2 ) (2ω , ω , ω )e i 2ωt + χ ( 2 ) (0, ω ,−ω ))SHG

Optical rectification

P ( 2ω )( 2)

Δτ ⋅ Δω = 1( 2)

P ( 0)

Ω < Δω

P ( 2 ) (t ) = A2 χ ( 2) (Ω, ω + Ω,−ω ))eiΩt

I(t)
1
0.5

Δτ

ETHz(t)
-3

-2

-1

1

2

3

-0.5
-1
-1.5
-2

Kyoto University 20059

Phase matching condition
ZnSe

ZnS

ZnTe

GaP
0.4

0.5

0.6

1.56 μm

CdTe

0.7 0.8 0.9 1.0
Wavelength (μm)

InP GaAs
1.2

1.4

1.6

k(ω+Ω) - k(ω) - k(Ω) = 0
Including dispersion:refractive index optical Index ofin THz region = group velocityTHzvisibleV phase= Vgroup

Coherent length:lc =Coherent Length (mm)Phase match condition:
10
8

ZnTe
ω=800 nm

6
4
2
0
0

1
2
3
Frequency (THz)4c2 f nTHz − ngNahata et al., APL 69, 2321 (1996).

10

THz-wave detection
Photocurrent

EO crystal

A

LT-GaAs

χ(2)

E(t)

λ/4

E(t) Electro Optic sampling

Photo-conducting
antenna
1

P

Δτ

0.5
-3

-2

-1

1

2

3

-0.5
-1
-1.5

current-2-2.5Time (ps)∞J (Δτ ) = eμ ∫ dtE THz (t ) N (t − Δτ )−∞-3

Kyoto University 200511

Non-linear THz spectroscopy
EO crystal

χ(2)State of the art in our laboratory
λ/4
P(Kumiko YAMASHITA, 2005) :E(t) Electro Optic sampling– Estimation was made by EO sampling technique.

ΔIl 3= −Γ = −2π n r41 ETHz = 0.2
λI

Optical pump: λ=800nm 485 mW (485 μJ /pulse)
ZnTe(ℓ=1mm、n=3.2、r41=4×10-12m/V)
PTHz= 100 pJ/pulse, 10 nJ/cm2, 10 kW/ cm2, |ETHz|～1kV/cm=100kV/m
Typically, for the non-linear spectroscopy in visible region,
we need a MW/cm2 class laser.
12

10

2

10
10

1

10

0

10

-1

8
6
4
2

2π
2

0

π1

Fouriertransformation

-2
-5

0
5
Time (ps)

10

0.0

1.0
2.0
Frequency(THz)0
3.0

Phase (rad)3Power (log scale)Electric FIeld(arb. units)

Time-domain spectroscopy (TDS)
is a powerful tool in THz region1~−iφ (ω )i ωt
E (ω ) = E (ω )e
=
E
(
t
)
e
dt
∫
2π
9Pulse measurements ⇒ High sensitivity. cf. FTIR
9Electric field measurements ⇒ Complex dielectric constants.

E(ω), φ(ω)

Kyoto University 2006

13

Terahertz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS)~
Eref (ω )

tvs

t sv
~
Esam (ω )sample

d
~
(ω )
E
~
t (ω ) = ~samEref (ω )⎡ ( n~ (ω ) − 1)ωd ) ⎤= tvs ⋅ t sv exp ⎢i⎥⎦c⎣⎡ ( n − 1)ωd ) ⎤⎡ κωd ) ⎤= tvs ⋅ t sv exp ⎢i
−
exp
⎥
⎢
c
c ⎥⎦
⎣
⎦
⎣

Complex refractive index
n~ = n + iκ

tvs, tsv: Fresnel coefficients2
tvs = ~n (ω ) + 1
2n~ (ω )t sv = ~n (ω ) + 1(vacuum → sample)( sample → vacuum)
Kyoto University 2006

14

Compact THz-ATR spectrometer

detector
Ellipsoid mirror

ATR prism

emitter

emitter

Ellipsoid mirror

detector
30mm

Double-ellipsoid mirrors witha semispherical ATR prism.

ATT OC
Advanced Terahertz Technologies
adapted for Optical Communication

15

講演内容
• テラヘルツテクノロジーとは何か？
• 時間領域テラヘルツ分光法の基礎• 時間領域テラヘルツ分光法による物性測定
有機材料, 強誘電体、半導体、超伝導体
水、水溶液• 非線型テラヘルツ分光の必要性と戦略

Kyoto University 200616

Importance of terahertz frequency region
Radio wave

THz region Light wave

Dielectric constants

Intermolecular vibration
Large molecule vibration

Molecular
Vibration

Electronic Transition

Rotation

ε1 Relaxation mode
X-rayXdiffraction

線回折Spin excitation

ε2
0
1m

100mm

10mm

Plasmaoscillation

Radio wave

1mm

100μm

10μm

1μm

Wavelength

100nm

10nm

1nm

0.1nm

VisibleInfrared
Kyoto University 200617

Mode-softening in KTaO3 crystal
Ichikawa, Tanaka et al.: Physical Review B 71(2005) 086509.

Reference (x1/10)

Electric Field [arb.u.]

KTaO3
300K
100K

30
20
Time [ps]ε zDelay of the pulse（Phase shift）

TO1mode49KzDecrease of the intensity

30K

zIncrease of the period

12K (x10)10Mode-softening40

THz region
ETHzω

Band-limitingω
Kyoto University 200618

Dielectric function in KTaO3
Ichikawa et al.: Physical Review B 71(2005) 086509.

A single Lorentz Modelε~ (ω ) = ε∞ +(ε 0 − ε ∞ ) Ω 02

Ω 0 2 − ω 2 − i γ 0ω

Fitting parametersΩ0 : Mode frequency
γ0 : Damping
ε0 :Static dielectric constant
Kyoto University 2005

19

Static dielectric constantIchikawa et al.: Physical Review B 71(2005) 086509.

Kyoto University 200520

アミノ酸結晶の吸収
30x10

-3

Tyrosine
50K
300K

20
10
0
0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Frequency [THz]
80x10

-3

60

Arginine
50K
300K

40
20
0
0.0
谷他、「アミノ酸分子結晶のテラヘルツ時間領域分光」より引用
http://www.technova.co.jp/teratech/saizensen/tera_saizensen1.html

0.5

1.0

Frequency [THz]
Kyoto University 200621

isolated bases → DNA: first step
20
cytosine (C)

40

60

-1

80

100

120cm

2.5

3.0

3.5

3.0

C
dC
dCMP

2.5

deoxycytidine (dC)deoxycytidinemonophosphate (dCMP)

normalized α

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0
0.5

1.0

1.5

2.0

frequency [THz]
B. M. Fischer, M. Walther, and P. Uhd Jepsen, Phys. Med. Biol. 47 3807 (2002)

Courtesy of Peter Uhd Jepsen

22Evanescent wave in ATR
Internal total reflection condition
Evanescent wave
for p-polarization⎛ n2 ⎞
θ in > θ c = Sin ⎜⎜ ⎟⎟⎝ n1 ⎠

prism

Ein

−1

E

Eout

θin
n1
β

⎛ Hx ⎞ ⎛0 ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎛ n1 k sin θ in
⎞
⎜
⎟⎟
(
)
H
B
z
i
x
t
=
−
−
β
ω
exp
exp
⎜ y⎟ ⎜ ⎟⎜n2⎜ ⎟ ⎜0 ⎟
⎝
⎠
H
⎝
⎠
⎝ z⎠
TM mode⎛ Ex ⎞ ⎛ A ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎛ n1 k sin θ in⎞x − ωt ⎟⎟⎜ E ⎟ = 0 exp(− βz ) exp i⎜⎜eva ⎜ y ⎟ ⎜ ⎟
n2
⎝
⎠
⎜C ⎟
E
⎝ z⎠ ⎝ ⎠exponentially decaying
away from the interface waves

−1

Eeva

k // n2xz

TM mode with
Comparable
with
large
thek//
interaction length of water.
Enableto μ
exciteβ −1 ≈ 50msurfacemodes. for water.
Best sensitivity

Kyoto University 200623

Surface plasmon in semiconductor
with THz-ATR
H. Hirori, M. Nagai, and K. Tanaka, Optics Express, 13, (26), 10801-10814 (2005).

Kyoto University 200624

Dielectric constant in doped semiconductorInAsn-typen~1017

Attenuated Total Reflection

ω << γε bω p2 1σε (ω ) = i=iγ ωωH. Hirori, M. Nagai, and K. Tanaka, Optics Express, 13, (26), 10801-10814 (2005).
Kyoto University 2006

25

Pump and probe spectroscopy“How many-particle interactions develop after ultrafast
excitation of electron-hole plasma ”
R. Huber, F. Tauser, A. Brodschelm, M. Bichler, G. Abstrelter and A. Leitenstorfer
Nature. Vol.414 (2001) 286

Kyoto University 200426

Superconducting gap“Far-infrared optical conductivity gap in superconducting MgB2 films”
R. A. Kaindl, M. A. Carnahan, J. Orestein, D. S. Chemla, H.
M. Christen, H. Y. Zhai, M. Paranthaman and D. H. Lowndes

100nm MgB2薄膜における透過波形
6K（実線）と40K（破線）
Insetは100nm MgB2薄膜（□）と200nm
MgB2薄膜（●）の抵抗の温度変化

Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 027003

40Kの値で規格化した透過率(b)膜厚100nm MgB2
6K（●）, 20K（○） 27K（◆）, 30K（◇）, 33K（■）(c)膜厚200nm MgB2（6K, 20K 25K, 30K, 36K)
6K（●）, 20K（○） 25K（◆）, 30K（◇）, 36K（■）

Kyoto University 2004

27

TD-ATR spectroscopy in water
8
Water
Temperature-controlled
Si ATR prism

Re[ε]

6
4
2
0
344K
293K

Im[ε]

6

262K
265K
(Ice)

4
2
0
0.0

Nagai, et al. , Int. J. IRMMW, 27, 505 (2006).

0.5

1.0
1.5
2.0
Frequency (THz)

2.5

Kyoto University 2006

3.0
28

Relative dielectric const.
Relative
const.

Dielectric Constants in Water
4
2

ε2

ε1

10
4
4
2
2

1
4
4
2
2

0.1
0.1

KaatzeAlisonHastedThis work
Hasted ε ∞ +Water 2020 °C
°Cε S − ε11 + iωτ D
Orientational
relaxation
8 ps ,20 GHz
10
10 10

10

11
10 11

12
12
10

10
10
Frequency[Hz]
Frequency [Hz]A

ω02 − ω 2 + iωγIntermolecular
stretching mode13
10 13 200 fs, 5.4 THz
10

29

講演内容
• テラヘルツテクノロジーとは何か？
• 時間領域テラヘルツ分光法の基礎• 時間領域テラヘルツ分光法による物性測定
有機材料, 強誘電体、半導体、超伝導体
水、水溶液• 非線型テラヘルツ分光の必要性と戦略

Kyoto University 200630

Non-linear THz spectroscopy
State of the art of the THz pulse power using fs laser
Pump power
Ti: Al2O3 laser

THz power/pulseaverage/pulseElectric field(V/cm)

Amplifier@1KHz

650 mW

650 μJ

0.1μW

125 pJ

1 KV/cm

Oscillator with magnetic
field (Sarukura 1.7T,@80MHz)1500 mW
650 mW

18.75 nJ
8.125 nJ

650 μW
110 μW

8.125pJ
1.375pJ

0.25 KV/cm
0.1 KV/cm

Cherenkov radiation with
LiNbO3 2005

300 mW

300μ J

0.1 mW

100 nJ

30 KV/cm

MIT group (2007): １μJ （1015 photons/pulse@1KHz）
31

Non-linear THz spectroscopy• Cherenkov radiation

Cherenkov angle
32

Non-linear THz spectroscopy• Basic idea of velocity matching by pulse front using
Cherenkov effect with non-linear crystal
A. G. Stepanov, J. Hebling and J. Kuhl et al., Appl. Phys. Lett. 83, 3000 (2003).

33

Non-linear THz spectroscopy• High power single cycle THz generation using tilted
femtosecond light sources
J. Hebling and J. Kuhl et al., Appl. Phys. B 78, 593-599 (2004).

gr
ph
vvis
>> vTHznvgr << nTHz

34

Non-linear THz spectroscopy• High power single cycle THz generation using tilted
femtosecond light sources : Recent status
A. G. Stepanov and J. Heebling et al., Optics Express 13 5762 (2005).

Energy efficiency
5x10-4
Quantum Efficiency:
10%

PTHz= 100 nJ/pulse, 10 nJ/cm2, 10 MW/ cm2, |ETHz|～30kV/cm=3MV/m

35

「赤外光励起による半導体中の不純物拡散の制御」
白井光雲
大阪大学産業科学研究所ナノテクセンター

Control of impurity diffusion by IR excitation
Koun Shirai, Osaka University, ISIR, Nanotechnology Center
Control of impurity diffusion is an important element in the device technologies of the present days.
Usual thermal processes have an inherent disadvantage that not only the intended species but also all
impurities involved are equally affected.

This imposes many restrictions on the device process. In

order to remove such restrictions, it is desirable to diffuse the specific species only.
attempts is use of infrared (IR) excitation [1].

One of such

The idea is that every impurity has its own local

vibrations in the host crystal. The frequency is dependent of impurity species. Irradiation of IR laser
with the resonant frequency could cause excitation of the local impurity modes, which results in theselective enhancement of the diffusion of that impurity. Unfortunately, there is a well-known and big
problem for this aim, that is, there is no suitable IR laser source. In hoping that this technical problem
will be solved in near future, we have performed first-principles (FP) molecular dynamics (MD)simulations.
The missions of the theoretical study are to confirm this effect by simulations, and, if effective, toderive the conditions where this effect appears. This makes it possible to design the laser experiment,
if appropriate light sources are available. The phenomena which are encompassed in this simulation
are indeed in a wide range, from identification of impurity modes, IR resonance effects, finally todiffusion phenomena.

Therefore, this kind of simulation itself is a challenge for the MD simulation

based on the density-functional theoretic method [2-3]. We observe that IR excitation is effective for
O and B impurities, while is ineffective for P. In case of P, the impurity mode is buried in the hostphonon band, so that resonance effect is not appreciable.
Based on the present simulations, we are able to design the IR excitation experiment in order toobserve an appropriate effect on atom migrations.
lifetime of the local mode under investigation.

The needed power of IR laser depends on the

The lifetime of phonons is basically predictable by abinitio calculations [5, 6]. For those modes of sufficient long lifetime, a design of a real experiment isgiven in this study. Based on these FP-MD simulations, we have drawn the first draft of experimentin SPring-8 facility.
References: [1] H. Yamada-Kaneta and K. Tanahashi, Physica B 376-377, 66 (2006). [2] K. Shirai and
H. Katayama-Yoshida, Proc. 4th Int. Symp. on Advanced Sci. and Tech. of Silicon Materials, 2004,
Hawaii, p129. [3] K. Shirai, et al., J. Phys.: Condensed Matters, in press. [4] K. Shirai, et al., Physica
B 376-377, 41 (2006). [5] K. Shirai and H. Katayama-Yoshida, Phys. Soc. Jpn. 67, 3801 (1998).

title09 Jul 2007

ERL meeting㉝አකທ㉫䛱䜎䜑༖ᑙమ୯䛴୘⣟∸ᣉᩋ䛴โᚒ– Control of diffusion in seiconductors
by IR excitation –Ⓣ஬ක㞴ኬ㜨ኬᏕࠉ⏐ᴏ⛁Ꮥ◂✪ᡜ⏐ᴏ⛁Ꮥࢻࢿࢷࢠࢬࣤࢰ࣭
Koun Shirai
Nanoscience and Nanotechnology Center
ISIR, Osaka University1contents

Outline1

バックグラウンド• 産業応用からの• エネルギー緩和機構からの

２

赤外光励起による不純物拡散の試み

３

選択的拡散を目指したレーザー設計

2

1-1 need

⇍ฌ⌦⅌

㻃㼑

⿿㏸ᕝ⛤
㼑ᆵ୘⣟∸ᑙථ
(䡱䡢䡯䡶䢐䢌䡤䢏ᙟᠺ)㼑㻃㼓㻃㼓 ᣉᩋ⇍ฌ⌦䡂㼑䚭䡀㻃㼓ᆵ䡶䢉䢏䡮䢐䡯䡲
ᐁ㝷

䜪䜫䞀䝓

䝍䝰䜨䝷

䚭㼓

㻃㼑 ᣉᩋ⇍ฌ⌦㻃㼓ᆵ୘⣟∸ᑙථ(䡱䡢䡯䡶䢐䢌䡤䢏ᙟᠺ)

䜶䞀䝌

䝁䞀䜽

⌦᝷

㼋㼈㼄㼗㼈㼕

㐽ᢝⓏᣉᩋ䛴ᚪさᛮḗୠ௥㻦㻰㻲㻶㻃㼑ᆵ䡶䢉䢏䡮䢐䡯䡲 㻋㻙㻘㼑㼐㻵㼘㼏㼈㻌䡐㻕㻘㻃㼑㼐

䡂
䚭㼓

䡂

䡂

䚭䡀
㻦㻰㻲㻶䡶䢉䢏䡮䢐䡯䡲䛴᩷㟻ᦴᘟᅒᩝ㒂⛁Ꮥ┤䚮≺๭Ⓩ㠁᩺ᢇ⾙㛜Ⓠ◂✪䚮䚸㉝አ䝰䞀䜺↯ᑏ䛱䜎䜑༖ᑙమ୯୘⣟∸䛴㐽ᢝⓏ఩Ὼᣉᩋᢇ⾙䛴◂✪䚹䚭௥⾪䚮㔘⏛ᐰ䟺ᐣኃ㏳䟻䜎䜐

3

1-2 idea㞹Ꮔ䝰䝷䜼ຝᯕ
䝰䞀䜺䛴࿔ἴᩐ ν䠻䡄୘⣟∸䛴ᅖ᭯ᣲິᩐ 䃓㼑 , 䃓㼓භ㫾≁ᏽ䛴୘⣟∸䛴⇍ᣲິ䛴䜅ຊ⇍䝰䞀䜺䠌 ν䚭䠻䡄䝰䞀䜺࿔ἴᩐ䛮ฝງ䛭โᚒ
㼑

㼓

㻃㼑㻏㻃㼓

䜪䜫䞀䝓

ν

䚭䠻䡄

≅ 䃓㼑

ν

䚭䠻䡄䍫 䃓㼓䝰䞀䜺 㼒㼑 㼒㼉㼉ᣉᩋ 㐅⾔ ೳḾ䝰䞀䜺䛱භ㫾䛟䜑୘⣟∸䛴䜅ᣉᩋ䕹୘⣟∸⛸䜘㐽ᢝ䛭䛓䜑 䕹఩Ὼ䛭ᣉᩋ䛭䛓䜑 䕹ᣉᩋ䜘᛬ೳḾ䛭䛓䜑
4

1-4 evidence1

Laser-frequency dependence of
18O diffusion enhancement

18O concentration䚭 (1016 atoms/cm3)

H. Kaneta (Fujitsu Ltd.)
Wave number: 1085 cm-1

Wave number: 933 cm-1

2.0

2.0

1.5

1.5
Not irradiated point B

Not irradiated point B

1.0

0.5

0
0

1.0
Laser Irradiated point A

0.5

1173 ℃

50
100
Depth (µm)

Laser Irradiated point A

150

01163 ℃

0100
50
Depth (µm)

150

5merit

赤外光励起のメリット• 㞹Ꮔທ㉫䜘ᘤ䛓䛐䛙䛛䛰䛊䛙䛮䛒ᚪさ䛰ᚺ⏕䛱ཱི䛩䛬㔔さ๧ష⏕䛒䛰䛊
ཋᏄ⛛ິ䚮ᣉᩋ䚮䚮䚮䝭䝢䝷㐛⛤䜎䜐├᥃Ⓩ• ≁ᏽ䛴ཋᏄ⛸䛴㐽ᢝᛮ୘⣟∸ᣲິ䝦䞀䝍䛒䛌䜄䛕㐽ᢝ䛭䛓䜑䛮䚮䛣䛴ཋᏄ⛸䛴䜅䜘ን໩㞹Ꮔ⥾࿰䛱Ẓ䛿䛬ཋᏄ⥾࿰䛒㐔䛊
6

Phonon decay

フォノンのエネルギー緩和の研究

1
R(! ) = 2
! + i"! # ! 0 2

2[cm-1]] 10-1m[c 10 1alkali halides (IR)
Si
GaAs

10 0
10 -1

∆ω

!
!

(128 cm-1)"-qualtz

decay rate

B

! =

2"
#

Naphthaline(320 cm-1)

10 -2
10 -3

"-Nitrogen (Ag)
10 -4
0

100

200

300

T

[K]

400

!
"0
7

5-2 story ghost peak

Story of the ghost peak
Ghost peakunusual properties

Raman spectrum of α-boron• ∆ω < 1 cm-1
• librational mode
why so high ω ?
• no pressure dependence
no anharmonicity ?
W. Richter and K. Ploog,
Phys. Status Solidi B 68 (1975) 201.

8

3-8 in solids

Phonon decay rate
probing light

cubic anharmonic terms

2$(0 j, %kj1 , kj2 )#h
S(" )!(0 j, " ) =&16NM 3 kj1 j2 " (0 j)" (kj1 )" (kj2 )S(! ) = (1 + n1 + n2 )" (! 1 + ! 2 # ! ) + 2(n2 # n1 )" (! 1 # ! 2 # ! )2-phonon DOS
down conversion (difference part)up conversion (sum part)
!1
!
!2

!1

!2

!

9

5-2 ghost of B

phonon linewidth
calculation of ∆ωlibrational mode

(cm)

A1g

ρ2(ω)

0.5

1.0

diff. partsum part

0.5

Eg

j

∆ω/ω

ρ2

γ

ωι/ω0

B

ch.

36

1.7

1.1

0.142

0.22

1.21

11+11(40)

33

1.2

0.56

0.199

0.21

1.7

29+2 (8)

20

0.60

0.26

0.103

0.22

1.51

7+2 (16)

17

0.90

0.22

0.271

0.22

1.52

8+2 (30)

35

1.2

1.04

0.106

0.22

1.25

12+9 (9)

30

0.89

0.38

0.199

0.21

1.41

+3 (16)

23

0.86

0.27

0.231

0.22

1.45

6+6 (14)

19

0.85

0.25

0.186

0.22

1.43

8+1 (27)

11

0.62

0.36

0.078

1.19

0.25

20-1 (10)

6

0.10

0.58

0.008

1.90

0.18

33-6 (9)

x20

0
0

200

400

600

!

800

1000

1200

1400

( cm–1)

K. Shirai, H. K.-Yoshida, J. Phys. Soc. Jpn. 67 (1998) 3801

10

5-3 H vibration

decay time of H in Si~ 1 psin the bulk

2

cf.
on the free surface~ 1 ns
1
0

-3

20

x10

40

60

Time step

1

80

100

(48.3fs/step)Γ = 1.87 cm-1
K. Shirai, et al., submitted to PRB
4

0

1
0

2

3

500

exp.
1000

!

1500

2000
-1

[cm ]

∆t = 1.21 fs
every 1000 steps

Γ = 0.73 cm-1
Budde, et. al., Phys. Rev. Lett.
85, 1452 (2000)

11

issues㉝አකທ㉫䛱䜎䜑༖ᑙమ୯䛴୘⣟∸ᣉᩋ䛴โᚒ᭩ኬ䛴ၡ㢗Ⅴක″䛒㝀䜏䜒䜑

ゝ⟤ᶭ䜻䝣䝩䝰䞀䜻䝫䝷䛴ᚪさᛮ12

3-11 Results

IV. Results
㻥
5

x10

㻳

-3

-3

5

!ext

4

!"##
$%&'

3

x10

!"##
$%&'

4

!ext

3

2

2

1

1
0

0
0

200

400

!

600

800
[c m

-1

]

0

200

400

!

600
[c m

-1

]

Δω = 17.05 cm-1

13

3-14 example of O

Resonance effect on O mode
1040

-3

x 10

1020
1

1000
980

ω

960
940
920
0

800

free
1000

900

!

1100

-1

[cm ]

14

3-2 example of B

Resonance effect on B mode
-2

x 10

ωext= 560

580

1
600

620

ω

540
520

free

0
520

540

560

580

!

600

620

640

-1

[cm ]
15

4-1 Power dependencePower Dependence
B mode

3000

[K]

TB

input power

2000

T

!E
P=
"

deviation ofenergy fromtherm. eq.

1000
<T >

relaxation time
0
0

2
Power

4

τ ~ 1 psx 1012 (W/cm2)16

4-3 IR laser

Power consideration

input power

input powerτpulsephonon decay

τrelaxτrelaxtt

τphonon < τpulse < τdecay17Diffusion condition㓗 ⣪ ᣉ ᩋD = D0 exp(–Q/kT)
D [cm2/s] = 0.194 exp(-2.54[eV]/kT)
T. Y. Tan and U. Gösele, Appl. Phys. A37 1 (1985)

T [K]
1000
1600

[eV]
0.086
0.137

T [eV]

D [cm2/s]

0.137

3.0 x 10-14

τ [s]

LD [µm]D [cm2/s]
3.0 x 10-14
1.9 x 10-9
0.172

2000

0.172

7.6 x 10-8

2500

0.215

1.4 x 10-6

3000

0.258

1.0 x 10-5

0.215

7.6 x 10-8

1.4 x 10-6

1

0.3

10-1

0.1

1

2.7

10-2

0.27

1

11.8

10-3

0.3
18

power balance䝰䞀䜺䞀䝕䝯䜽䛴ᙁᗐ
ཋᏄ䛈䛥䜐

!E
Patom ="

ཋᏄ㐘ິ䜬䝑䝯䜲䞀䛴⇍ᖲ⾦䛑䜏䛴䛠䜒

0.2 eV䝙䜭䝒䝷⥾࿰᫤㛣

10 psPatom = 3 x 10-9 [W/atom]୘⣟∸⃨ᗐni = 1 x 1018 [/cm3]

Pabs = nixPatom= 3 x 109 [W/cm3]

ྺ཭౿ᩐ

α = 1 x 104 [cm-1]

Iin = Pabs/α = 3 x 105 [W/cm2]

Ppulse = 3x105 W/cm2
19

IR spring8

SPring-8

BL43IR

Ipulse!pulseτpulse = 40 ps

T = 25 nstT<I> = 45 µW
Ipulse = T

τpulseby power meterx <I >

Ipulse = 25 mW/pulse

1 s㛣䛴ᐁຝⓏ↯ᑏ᫤㛣
40 ps x1
25 ns

䝗䞀䝤ᙼ:10µm= 2 x 10-3 s

Ipulse = 25 kW/cm2•pulse
20

FEL

㜨ኬ⏐◂

FEL
!1
macro pulse

1 s㛣䛴ᐁຝⓏ↯ᑏ᫤㛣τpulset
1/f1

30 ps xfmicro1x

9.2 nsfmacro1.8 µs
16 ms= 0.36 µs!2

1 h 䛈䛥䜐
micro pulse

1.3 mst

1/f2

᭩ኬ䝘䞀䜳ฝງ

~ 1 MW

䟺100 ~ 1000 cm-1䟻䛙䛴䛌䛧∆ω = 10 cm-1 䛴䜅ཱི䜐ฝ䛟䛮䛝䛬
10
1 MW x= 10 kW1000䝗䞀䝤ᙼ䝕䝯䜽䛈䛥䜐

Ipulse = 100 kW/cm2~ 3 mm21

Conclusions

放射光を利用した実験
SPring-8利用者懇談会研究会「赤外光励起による新物質プロセッシング」

Ipulse[kW/cm2]
td [s]

requirement

BL43IR(SPring-8)

FEL(ISIR)

300

25

100

0.001

1

3600
22

4- magnitude

Estimation of electric field

fAC = 1x10-2 (Ry/Bohr)atomic units
E=

I=

1 e
= 5.1 # 10 9 !(V/cm)
24!" 0 a01
! 0 cE 2 = 3.51 " 1016 !(W/cm 2 )2

Q* = 1E = 5.1 ! 10 7 !(V/cm)
I = 3.51 ! 1012 !(W/cm 2 )23

FEL facility

䝕䝯䜽ᖕ

࿔ἴᩐ

䝘䞀䜳䝕䝳
䟺MW䟻

䝕䝳䞀ᐠᗐ
䟺MW/cm2䟻✒⟤↯ᑏ᫤㛣

᪝ᮇኬᏕ䚭䝢䜳䝱䝕䝯䜽

10 µ

12.5

䚭䝢䜨䜳䝱䝕䝯䜽

0.23 p2.856 G

0.87

6䚭䝢䜳䝱䝕䝯䜽

1µ10䚭䝢䜨䜳䝱䝕䝯䜽

2p

2.856 G416䚭ἴ㛏 µm6᮶ா⌦⛁ኬᏕ

䚭ἴ㛏µmኬ㜨ኬᏕᕝᏕ◂✪⛁Inst. FEL䚭䝢䜳䝱䝕䝯䜽

20 µ10䚭䝢䜨䜳䝱䝕䝯䜽

10 p

2.856 G

522䚭䝢䜳䝱䝕䝯䜽

1.8 µ60

䚭䝢䜨䜳䝱䝕䝯䜽

20-30 p

1.1 G

10

100

䚭ἴ㛏µm

4-12.55ኬ㜨ኬᏕ⏐◂

䚭ἴ㛏µm

1

0.1

1

24

京大炉ライナック及び JAEA-ERL におけるテラヘルツ・コヒーレント放射光の研究
高橋俊晴（京都大学原子炉実験所）

Experimental researches of THz coherent radiation at KURRI-LINAC
and JAEA-ERL
Toshiharu Takahashi
Research Reactor Institute, Kyoto University<Synopsis>
In the L-band electron linear accelerator at Research Reactor Institute in Kyoto University (KURRILINAC), the property of several types of coherent radiation (synchrotron radiation, transition radiation,
Cherenkov radiation, diffraction radiation, and Smith-Purcell radiation, and pre-bunched FEL) in the
millimeter and sub-millimeter wave regions, i.e. the sub-THz region, have been experimentallyinvestigated since 1991. The beamline for the millimeter wave spectroscopy has been constructed, inwhich coherent transition radiation (CTR) has been used as a light source, and the spectroscopic
research for gas and solid materials have been demonstrated. The spectrum of coherent radiation fromsuccessive bunches has been constituted of the higher harmonics of L-band RF (1.3 GHz) due to theinterference between wave packets. Single-bunch operation enables us to perform the high-resolution
measurement and to remove the restriction of the delay time in the time-resolved spectroscopy. The
spectrum of CSR has been also measured in the energy recovery linac at the Japan Atomic Energy
Agency (JAEA-ERL) in the wavenumber range from 0.5 to 15cm-1. The detected power through theacceptance angle of 37 mrad was 2×10-4 W/cm-1 at 2.5 cm-1 for the average beam current of 17.7 μA.

＜本文＞
本講演では、発表者がこれまで行ってきたコヒーレント放射の測定例[1]を、測定方法に関する注意点や問題点を含めて発表するとともに、国内唯一の ERL である原子力機構(JAEA)の ERL における測定結果についても言及する。京大原子炉電子ライナックでは、1991 年より、
短バンチ電子ビームからのコヒーレントな放射の実験的な研究を行っている。これまでに、
コヒーレントなシンクロトロン放射、遷移放射、チェレンコフ放射、回折放射、スミス・パーセル放射の観測を通して、これらの基礎的性質を解明したほか、コヒーレントな放射を種としたプリバンチ FEL や、フォトニック結晶と電子ビームの相互作用により放射されるコヒーレント放射の性質を調べてきた。ライナックはシングルユーザーのマシンであるため、コ
ヒーレント放射の実験に割り当てられるマシンタイムは年間 10 週程度に限られてしまうが、実験孔の一本をコヒーレント放射専用のビームラインとして使っており、ライナック運転中でも常時滞在できる実験室まで光を導き、そこに専用の分光装置を常設している。波長はミリ波・サブミリ波領域（サブテラヘルツ領域）であるが、電波としてではなく、遠赤外分光の延長として光学的な分光装置、分散型回折格子分光器及び Martin-Puplett 型フーリエ干渉分光計を使用している。通常の吸収反射測定には液体ヘリウム冷却の Si ボロメータ、InSb ホットエレクトロンボロメータを検出器として用いており、特に高速のパルス波形を見たい場合には、室温動作のミリ波ダイオード検波器（ビデオ帯域幅 1 GHz）を用いている。加速周波数が 1.3 GHz のため光は 770 ps 間隔のパルス列であり、干渉計のインターフェログラムには
パルス間隔おきに相互相関図形が現れる。これは各パルス間に可干渉性がある、つまりコヒーレント放射がパルス間隔以上のコヒーレンスの長さを持っていることを示している。しかしそのために、パルス列からのコヒーレント放射を高分解能で測定すると 1.3 GHz の高調波から成る線スペクトルとして観測されてしまうため、アバランシェトランジスタを使った高速パルサーを入射器に導入してシングルバンチの生成を実現した。これにより高分解能の測定が可能になると共に、時間分解分光における遅延時間の制限も取り去ることが可能となった。現在は大阪府立大、東北学院大のグループも共同利用研究として分光実験を行っている。
JAEA-ERL では、原子力機構 FEL グループ及び大阪府立大と共同で、フーリエ干渉分光計と Si ボロメータを用いてコヒーレント放射光を観測した結果、0.5〜15 cm-1 の範囲でスペク
トルを得て、縦横 37 mrad の受光角で受けた 2.5 cm-1 付近での放射強度は 1.6×10-5 W/1%b.w.
(6.4×10-4 W/cm-1)であった。運転パラメータは、エネルギー17 MeV、バンチ繰返し 20.8 MHz、
マクロパルス幅 230 μs、マクロパルス繰返し 10 Hz であり、平均ビーム電流は 17.7 μA であった。これは実験当時のマシンの状況から安定に運転できる条件であったために、この程度の電流値に留まったが、それでも受光角を制限しないと検出器が飽和するほどの大きな放射強度であった。
KURRI-LINAC は L バンドの RF を使うため、比較的大きな電荷量(2〜3 nC)を 1 バンチに詰め込むことができるので、コヒーレント放射のピーク強度が大きく、パルス光源として使う
場合に有効である。一方、ERL の場合はそのメカニズムから、繰返しを上げデューティーサ
イクルを大きくすることができ、平均パワーの非常に大きな光源となる。
[1]例えば日本語の解説記事として、高橋俊晴、日本加速器学会誌「加速器」2 (1), 11-19 (2005).

ERL研究会
2007年7月9日 KEK

京大炉ライナック及びJAEA-ERLにおける
テラヘルツ・コヒーレント放射光の研究

京都大学原子炉実験所
高橋俊晴

1

講演の概要コヒーレント放射光の初観測から18年。
現在どのような状況にあるのか。
¾ コヒーレント放射光の概略¾ 線型加速器（京大炉ライナック）
分光装置、光の性質、利用実験¾ ERL（原子力機構ERL)
スペクトル、放射強度2コヒーレント放射光の概略

3

コヒーレント放射光とは
10000

1000

・短バンチ
・バンチ内密度変調

WAVELENGTH (μm)
100

10

1

バンチ長(0.1mm,Gaussian)

12

10

INTENSITY (arb.units)

Coherent SR
910

N ≈ 10

6

10P ∝ N2

9P∝N
Ordinary SR

3

10

0

10

1

10

100
-1
WAVENUMBER (cm )

1000

10000
4

コヒーレント放射光で何ができるか？
加速器屋から見れば ・・・・ 高分解能のビーム診断ツール
放射スペクトルがバンチ形状に敏感

・・・・高分解能バンチ形状モニター

バンチ間の可干渉性・・・・高精度バンチ間隔モニター

利点
ストリークカメラでは追いつかない短バンチに有効
バンチ内の微細構造

5コヒーレント放射光で何ができるか？
分光屋から見れば ・・・ 強力なテラヘルツ光源
光と電波の境界 ＝ 未開拓の領域
テラヘルツTDSシステムの出現で活発化

ビームとの相互作用を利用できる
線型加速器でのＣＳＲ

利点

高強度のためダイナミックレンジが4～5桁とれる
吸収の大きな物質も測定可能
近接場分光が可能 （波長サイズ以下の局所構造観察）

励起光として利用できる
微小エネルギーギャップを多重励起することによる物性変化（FELでは単一モードの励起）

6線型加速器（京大炉ライナック）における研究
昭和39年（1964年）設置
全国共同利用装置 年間運転時間：約2,500時間

最大エネルギー：46MeV
最高出力：6kW 200μA@30MeV （公称10kW）
小型ライナックとしては最大級

Lバンド(1.3GHz)のマイクロ波で加速
国内では2台のみ（阪大産研ライナック）
7線型加速器でのコヒーレント放射光
ＣＳＲの初観測が線型加速器だった理由
放射光リングよりバンチが短かった（元々短バンチ）
つまりビームダクトによるSRの抑止効果が現れない

通常の遠赤外分光器で測定可能な波長領域
難しい技術は不要

特長は？
シンクロトロン「放射光」だけではない （遷移放射、チェレンコフ放射・・・・）
打ちっぱなしなので 電子線と物質との相互作用を利用
様々なタイプのコヒーレントな放射の基礎的性質を実験的に解明8

コヒーレントな諸放射
シンクロトロン放射（放射光）Y.Shibata, et al., NIM A 301 (1991) 161-166
K.Ishi, et al., Phys. Rev. A 43 (1991) 5597-5604
U.Happek, et al., Phys. Rev. Lett. 67 (1991) 2962
R.Kato, et al., Phys. Rev. E 57 (1998) 3454-3460

遷移放射Y.Shibata, et al., Phys. Rev. A 44 (1991) R3449-R3451
E.B.Blum, et al., NIM A 307 (1991) 568
T.Takahashi, et al., Phys. Rev. E 48 (1993) 4674-4677
Y.Shibata, et al., Phys. Rev. E 49 (1994) 785-793

回折放射Y.Shibata, et al., Phys. Rev. E 52 (1995) 6787-6794

スミス・パーセル放射K.Ishi, et al., Phys. Rev. E 51 (1995) R5212-R5215
Y.Shibata, et al., Phys. Rev. E 57 (1998) 1061-1074

チェレンコフ放射
J.Ohkuma, et al., Phys. Rev. Lett (1991) 1967
T.Takahashi, et al., Phys. Rev. E 50 (1994) 4041-4050
T.Takahashi, et al., Phys. Rev. E 62 (2000) 8606-8611

9京大炉ライナックのビームライン （遷移放射CTRを光源とする場合）
electron
beam

S
from
L‑band Linac

シンクロトロン放射光の場合には偏向電磁石を設置

W1
M2

Accelerator Room

W1: カプトン窓
光源室をライナックからTi窓で切り離す場合にはW1は無M1

S: Al foil
M2,M3: 球面鏡
W2: 結晶水晶窓

Shield WallExperimental Room
平行光束で輸送（光束径15cm)

M4
W2Interferometer
分光装置

実験室：
放射線管理区域であるが運転中でも滞在可能

M3
10

分光・検出装置

光学的な装置～遠赤外分光の延長

Martin-Puplett型
・一度に広帯域のスペクトルが欲しい場合
フーリエ変換干渉分光計

分光器

回折格子型分光器

・単色光を取り出す場合
・ダイナミックレンジが大きく縦軸の精度を求める場合

液体ヘリウム冷却Siボロメータ（付属のプリアンプは通常バイパス）

検出器

信号増幅

真空窓

高感度・低ノイズ・VBW1kHz

液体ヘリウム冷却InSbボロメータ

高感度・低ノイズ・VBW1MHz

ミリ波ダイオード検波器

狭帯域だが高速VBW1GHz

ロックインアンプ
ボックスカー積分器

パルス繰返し数が少なくduty比が小さい
場合（特にInSb使用時）

結晶水晶、ポリエチレン、カプトン（ウェッジ加工）

平行平板：窓材の厚さに注意
波長と同程度だと干渉が乗る

11

分光装置の写真

フーリエ干渉計

回折格子型分光器（干渉計使用時は回折格子を鏡に置き換え）12安定性
パルス安定性

長時間安定性VOLTAGE (V)

0.02

±1%以内
0.01

0

0

20

40
60
TIME (min.)Siボロメータ＠干渉計
ロックインアンプ(TC:0.3s)

80

Siボロメータ＠干渉計
パルス繰返し46Hz
オシロスコープ：
エンベロープモード
13放射強度変動モニターの有効性

Figure 3
Utilization of coherent ....
Takahashi et al.

VOLTAGE

もし放射強度が不安定でも・・・
2.5(a)observed
interferogram

2.0

補正前

1.5

CURRENT(b)beam current
1.5
1.0
0.5

VOLTAGEVOLTAGE3

変動補正用モニター検出器(c)monitor

2
1

2.5

(d)correctedinterferogram

2.0

補正後

1.5
-4

-2
0
2
4
OPTICAL PATH DIFFERENCE (cm)14

電子ビームの時間構造

すなわち コヒーレント放射の時間構造

例えば10ms@100Hz(1～300Hz)
37 ms (27 Hz)
Pulse train

33ns～4μs
4 μsecMacro pulse

L B =770 psec (23 cm)

Bunch

15

コヒーレント放射の時間構造（ミリ波ダイオード検波器）
W-band75-110GHz

マクロパルス幅47ns

拡大770ps (1.3GHz)

16

干渉計による大きな光路差のインターフェログラム

自分自身の波束との干渉隣のバンチの
波束との干渉１個おきのバンチの波束との干渉OUTPUT VOLTAGE (V)

0.04

0.02

バンチ間隔に相当
0

0cm

23cm

0

10
20
30
40
OPTICAL PATH DIFFERENCE (cm)

46cm
50
17

バンチ列からの放射
0.15

高分解

max.OPD=54.2cm-1

INTENSITY (arb. units)(Δν=0.018cm )max.OPD=5cm

0.10

低分解

-1

(Δν=0.20cm )回折格子型分光器
でも同様

0.05

0.00

1

2

3
4
5
-1
WAVENUMBER (cm )6

7

連続スペクトルとして見なせる波数分解：Δν＞f RF／c(cm-1)

マルチバンチのデメリット
・スペクトル→低分解能に制限
・時間分解分光での遅延時間の制限

1.3GHzでは0.043cm-1

シングルバンチ
運転の必要性18

シングルバンチの生成
通常は加速管の前にサブハーモニック
プリバンチャー(SHPB)を設置

京大炉ライナックでは・・・
入射器に
高速パルサーを開発・導入（アバランシェ・トランジスタ）

・予算
・スペース

OUTPUT VOLTAGE (V)

0.2

シングルバンチでのコヒーレント遷移放射の波形（ミリ波ダイオード検波器）

0.15

0.1

バンチ不純度
1.5%以下

0.05

0
-10

-5

0

5

10 230 235 240

245 250

OPTICAL PATH DIFFERENCE (mm)干渉計インターフェログラム

シングルバンチを安定化するためのトリガー・RF同期回路の製作 H18KEK大学等連携支援事業

19

京大炉ライナックにおけるCTRスペクトル
干渉分光計
Siボロメータ
受光角70mrad

20

2
1.5
1
0.5

J=19
J=18
J=17

J=5
J=4

J=8
J=7
J=6

J=20

J=16
J=15
J=14
J=13
J=12
J=11
J=10
J=9

15
10
-1
WAVENUMBER (cm )
5
0

J=3
J=2

TRANSMISSIVITY

N2Oガスの吸収スペクトル（回転準位）
ENERGY (meV)121京大炉で実施済・進行中の分光研究 （全国共同利用）
・大強度を利用したもの
・NaCl中不純物トンネル励起の直接観測
・超イオン導電体のミリ波吸収・反射スペクトル・水－アルコール混合系の吸収スペクトル・高分子材料への放射線照射による吸収スペクトル・高いピーク強度、パルス性を利用したもの
小型パルス強磁場発生装置を用いた強磁場光スペクトル・電子線と物質の相互作用を利用したもの
・フォトニック結晶からのSmith-Purcell放射・ミリ波パルスラジオリシス

・より高輝度の光源開発
Pre-bunched FEL

・コヒーレント放射光を種とする・広帯域で増幅22

ERLにおけるコヒーレント放射光

23赤外放射光源の特長の比較
蓄積リング
長
100ps

ライナック
短
1ps

極短
0.4ps

繰り返し
周波数

大
500MHz

小
10Hz

大
37MHz

平均電流

大
100mA

小
10μA

大
5mA

利用できる
波長領域

IRSR (近赤外
～遠赤外)

バンチ長

ERL

CSR (サブミリ波・ IRSR+CSR (近ミリ波)
赤外～ミリ波)赤外放射光ユーザーから見たERLのメリット

広帯域で高輝度
短いパルス
高いピーク強度24

JAEA-ERLでの実験配置
1stArc

Undulator
2nd Arc
1-cell SCA
SHB

Dump
Main 5-cell SCA

Electron Gun

運転パラメータ
エネルギー：17 MeV
バンチ繰返し：20.8 MHz
マクロパルス幅：230 μs
マクロパルス繰返し：10 Hz
平均電流：17.7μA
軌道半径：20cm

80mradの受光角で設計したが検出器が飽和したため
37mradに。

25

JAEA-ERLで観測された
CSRスペクトル
1.6×10-6 W/0.1%b.w.
(6.4×10-4 W/cm-1)-4

10

上流の22μmFELの発振による変化
0.15

-8

10

-10

10

INTENSITY (arb. units)

INTENSITY (W/0.1%b.w.)-6

10

4ps-Gaussian
バンチを仮定

-12

10

0.1

発振なし

0.05

発振あり

-14

10

-16

10

0.1

0

高圧水銀灯

1

10

100
-1

WAVENUMBER (cm )受光角37mrad

0

5
10-1
WAVENUMBER (cm )15

マイクロバンチングが発光点まで保存されないオプティクス

エネルギー広がりによりバンチが伸びた26

THz付近の放射光源の比較
2

10

KURRI-LINAC（京大炉）
40MeV, 2μA, 5psec
1.3GHz, 68nsec, 13Hz
75(H)×75(V)mrad0

INTENSITY (W/0.1%b.w.)

10

JLab-ERL（米）40MeV, 5mA, 400fsec
37.4MHz, 1m
90(H)×90(V)mrad-2

10

SPring-8 BL43IR
8GeV, 100mA, 40m
36(H)×12(V)mrad

JAEA-ERL
17MeV, 18μA, 4psec
20.8MHz, 20cm
37(H)×37(V)mrad

-4

10

-6

10

(incoherent SR)-810(coherent TR)

-10

10

THz
1

10

100

1000
-1

WAVENUMBER (cm )

10000
27

まとめ
京大炉ライナック
繰返しが少ないがバンチあたりの電荷大
コヒーレント放射の強度∝（バンチ内電子数）2
ピークパワー大

パルス利用に利点

JAEA-ERL
繰返しが多くできる
マクロパルス運転ではなくCWにできる？
（現在のところは冷凍機負荷の制限でCWは無理）
平均パワー大CWにできれば今より2～3桁増強
バンチ長を1桁短く：THzを網羅

・物性改変
・物質創製
28

タルボ型干渉計を用いたイメージング
百生

敦、東京大学大学院新領域創成科学研究科

Imaging by Talbot Interferometer
Atsushi Momose, Graduate School of Frontier Sciences, The University of Tokyo<Synopsis>
An X-ray Talbot interferometer, which consists of two transmission gratings, has been
attracting attention as a novel and simple phase imaging device. When the spatial coherence
length is larger than the pitch of the gratings, a moiré-fringe pattern is generated, from which
the structural information of a phase object located in front of the gratings is derived. An
image mapping the differential phase is obtained by using the technology of digital phasemeasurement, such as the fringe-scanning method, allowing three-dimensional image
reconstruction (phase tomography).
Because the X-ray Talbot interferometer functions with a cone beam of a broach energy band
width, an imaging optics with a high throughput can be constructed. This enables the
combination with various X-ray sources, and provides wide opportunities of phase-imaging
applications. Since a Compton scattering X-ray source emits a cone beam with a band
compatible with Talbot interferometry, almost 100% X-rays are available for phase imaging,allowing the construction of an ideal system.
＜本文＞
透過型 X 線格子を２枚用いる X 線 Talbot 干渉計[1-3]は、簡便な新しい X 線位相イメージン
グに利用できるとして最近注目されるようになっている。被写体とする位相物体の背後に位相格子を置き、格子のピッチと X 線波長で決まるある特定距離だけ下流に吸収格子を置く。
X 線の空間的可干渉距離が格子のピッチより長ければ、吸収格子背後にはモアレ縞画像が観察される。位相物体における X 線の屈折を反映するモアレ縞の変形から、位相物体の構造を検知することができる。縞走査法などのデジタル位相計測技術を使い、屈折によって X 線が曲げられる角度分布（すなわち位相シフトの微分像）を取得することができる。位相物体を回転させてこの計測を繰り返して得るデータから、位相物体の屈折率分布を示す三次元画像を再構成することも可能である（位相 CT）。
X 線 Talbot 干渉計は、エネルギーバンド幅の広いコーンビームで機能するので、スループ
ットの高い撮像光学系が構築できる。したがって、シンクロトロン放射光源以外の様々なタ
イプの X 線源とも組み合わせが可能であり、広い場面で X 線位相イメージングの利用が展開できるものと期待できる。レーザー逆コンプトン散乱 X 線は、X 線タルボ干渉計にとって適度なエネルギーバンド幅を持つコーンビームであるので、ほぼ全ての発生 X 線がタルボ干渉計で使用できる。すなわち、理想的な位相イメージングシステムが構築できるものと期待できる。
最近、X 線 Talbot-Lau 干渉計による位相イメージングが報告されている[4]。これは、空間的可干渉性に乏しい、すなわち光源サイズの大きい X 線源を用いても位相イメージングを可能とする方式である。X 線 Talbot 干渉計の構成に加えて、その上流にマルチスリットを配置するものである。各々のスリットは Talbot 干渉計に要求される空間的干渉性を満たすように狭くしておく。各スリットからの X 線はそれぞれモアレ縞を生成するが、隣り合うスリット
からの X 線が作るモアレ画像がちょうど一周期ずれて重なるようにスリット間隔を設計しておけば、モアレ縞が消滅することはない。こうすることにより、空間分解能は一定量低下す
るが、発光点サイズの大きい X 線源でも位相イメージングが可能となる。マルチスリットはコヒーレンスフィルター機能を果す。
このように、X 線 Talbot 干渉計による位相イメージングは柔軟性に富み、レーザー逆コン
プトン散乱 X 線との組み合わせは大いに期待できる。
[1] A. Momose et al., Jpn. J. Appl. Phys. 42, L866 (2003).
[2] T. Weitkamp et al., Appl. Phys. Lett. 86, 054101 (2005).
[3] A. Momose et al., Jpn. J. Appl. Phys. 45, 5254 (2006).
[4] F. Pfeiffer et al., Nat. Phys. 2, 258-261 (2006).

ERL研究会「コンパクトERLが拓く世界」

タルボ型干渉計を用いたイ
メージング
東京大学大学院新領域創成科学研究科
百生 敦1

タルボ効果とタルボ干渉計
1836

タルボ効果 (W. H. F. Talbot)

1971

タルボ干渉計(S. Yokozeki and T. Suzuki)(A. W. Lohmann and D. E. Silva)

1997

硬Ｘ線タルボ効果 (P. Cloetens et al.)2003

硬Ｘ線タルボ干渉計 (A. Momose et al.)2006

硬Ｘ線タルボ・ロー干渉計 (F. Pfeiffer et al.)2

タルボ効果
+2
0+1
-1
-2

?

波長 λ

d

振幅格子

0

1 d2
2 λ

d2

λ

3 d2
2 λ

2

d2

λ

5 d2
2 λ

z

位相格子
3

X線格子の複素透過関数nx ⎞⎛an exp⎜ i 2π ⎟
d ⎠
⎝
n

∑

下流位置 zにおける波動場⎛
nx ⎞n 2 zλ ⎞⎟⎛⎜an exp − iπ 2 ⎟ exp⎜ i 2π
⎟
⎜
d ⎠
d ⎠
⎝
⎝
n

∑

4

第二回折格子θyxz
X-raysχ

位相物体
Phase shift：Φ(x, y)
第一回折格子モアレ像

自己像

歪んだ自己像

nx ⎤
n∂Φ
⎛
⎡
⎡ n⎛ ⎡⎞∂⎤Φ ⎞⎤
b
i
⇒
−
b
i
exp
2
π
exp
2
π
x
z
⎜
+ χ ⎟⎥ ⎟⎥I ( x, y, z ) = bn 0 c0 +⎢ 2 bn ⎥cn cos ⎢2πn ⎜ y⎢θ + z
d∂⎝x
d⎝ ⎣
⎣ n >0 d ⎦⎠⎦∂x ⎠⎦
n
n⎣

∑

∑

∑

5

縞走査法による位相微分の定量計測⎡ n⎛λ ∂Φ kd ⎞⎤+ ⎟⎥I k ( x, y , z ) = A + ∑ Bn cos ⎢2π ⎜ yθ + z
2π ∂x M ⎠⎦
n ≥1
⎣ d⎝
回折格子の相対的位置ずれ: kd/M (M: integer)

⎡M
∂Φ d
k ⎞⎤
⎛
≅
arg ⎢ I k ( x, y, z ) exp⎜ − 2πi ⎟⎥
∂x λz
M ⎠⎥⎦
⎝
⎢⎣ k =1

∑

Φ=

∫

∂Φ
dx
∂x

計測画像
吸収ＣＴ
位相ＣＴ

位相トモグラフィ∫ μ dz
2π
Φ=
δ dz
λ ∫

− ln

I
=
Io

再構成画像

μ
δ
屈折率: 1 - δ

6画像変換の流れ
モアレ

微分位相 【wrapped】

位相シフト分布モアレ 【試料あり】

微分位相 【unwrapped】

位相トモグラム

A. Momose et al., Jpn. J. Appl. Phys. 42, L866 (2003).

7吸収格子製作上の要請
第二回折格子は吸収型である必要があり、すなわちパターン
が十分に厚くなければならない。
パターン厚 (µm)

100

Au

回折格子のピッチは、Ｘ線の可干渉距離と同等でなければ
ならない。
[ピッチ]
～ [ 波長] × [線源からの距離] ÷ [線源サイズ]

透過率 10%透過率 20%

80
60
40

Au

20
0
0

10

20
30
X-ray energy (keV)4050

高アスペクト比のパターン形成
8

SPring-8, BL20XU@12.4 keV
糸球体

ラット腎臓
A. Momose et al., SPEI Proc. 5535, 352 (2004).

9

SPring-8, BL20XU@12.4 keV

ウサギ肝臓 (VX2)
A

B

CancerA
B

Normal500 µm0

屈折率差500 µm

9.0 × 10-8
A. Momose et al., Jpn. J. Appl. Phys. 45, 5254 (2006).

10

1.5 × 10-7

6 × 10-7a

マウス尻尾
SPring-8, BL20XU@17.7 keV
a
b

500μm

a’

0

0

b
MuscleIntervertebral
disc
Ligamentcc@31.0 keV
A. Momose et al., Jpn. J. Appl. Phys. 45, 5254 (2006).

11

観賞魚 (Hasemania nana)1 × 10-7-1 × 10-7

SPring-8,
BL20B2@17.7 keV

A. Momose et al., AIP Proc. CP879, 1365 (2007).

12

手羽
微分位相

吸収

KEK-PF,
BL-14C1@27.6 keV
13

Ｘ線タルボ干渉計の利点
コーンビームが使用可能
準単色Ｘ線 (ΔE/E < 0.1) が使用可能
大きい回折格子が製作できれば、大視野化が可能
位相トモグラフィによる三次元観察が可能

コンパクトなＸ線源との組合せ

14ﾏｲｸﾛﾌｫｰｶｽX線源による位相ｲﾒｰｼﾞﾝｸﾞ
ポリプロピレン球
浜松ホトニクス、Ｌ９１８１Ｓ

ﾀｰｹﾞｯﾄ：W
120 µA/50 kV
焦点サイズ：5 µm

2 mm

小魚（Hasemania nana)15

空間的干渉性の要請
X線ﾀﾙﾎﾞ干渉計

可干渉距離＞格子ピッチ

X線ﾀﾙﾎﾞ・ﾛｰ干渉計 任意のX線源で機能する
コヒーレンスフィルター機能
通常フォーカスＸ線源
マルチスリット

各スリットを通るＸ線が形成する像が強めあうようにマルチスリッ
トの間隔を決める。

F. Pfeiffer et al., Nat. Phys. 2 (2006) 258.

16

レーザーコンプトン線源からの微小光源によるX 線イメージングの原理と応用
兵藤 一行
高エネルギー加速器研究機構
物質構造科学研究所 放射光科学研究施設

X--ray imaging using laser-Compton X-ray source
Kazuyuki Hyodo (PF, KEK)
<Synopsis>
The research field of X-ray imaging using synchrotron radiation monochromatic X-rays at the
PF has greatly advanced in recent five years. Especially, X-ray phase-contrast imaging
methods, such as X-ray phase-contrast CT using an X-ray interferometer, X-ray diffraction
enhanced imaging (DEI), X-ray dark field imaging (DFI), X-ray coherent diffraction
microscopy, etc., were remarkably developed. On the other hand, if one considers the dailyclinical use of monochromatic X-rays in a hospital, it is need to prepare a small compact
source for monochromatic X-rays. A laser-Compton scattering source, which can generate thehard X-rays with high spatial coherence from 10 to 50 keV at narrow bandwidths, has thepotential of improving the quality of images used in medical diagnostics by an edge effect due
to phase contrast while potentially reducing the radiation dose to patients. The principle andsome applications of this imaging method are presented.

レーザーコンプトン線源を X 線イメージングに用いる場合には、数十μm 程度の大きさの微小焦点と準単色光により高空間分解能、高濃度分解能のイメージングが可能になると期待され、多くのイメージングシステムの開発研究が行われている(1)。光学素子を必要としない
こと、エネルギー可変であることも、イメージングに関して、特に医学イメージングに関して大変優れた特長になると期待される。
微小焦点であることおよび発光点から被写体までの距離を大きく設定できることから、例
えば病院での通常の X 線撮影装置に比較して半陰影による幾何学的画像のボケが大変小さくなり、被写体と検出器の距離を最適化することで、いわゆる屈折効果によるイメージングも可能となる。将来的には、病院設置型小型装置の開発にも結びつけられると期待される。
我々は、現在まで放射光を用いて研究を進めてきた被写体の吸収効果によるイメージング法(2,4,7,9)や屈折効果によるイメージング法(2,3,5,6,8)などから得られた知見をもとに、

ERL 実証機からのレーザーコンプトン X 線を用いたイメージング法の開発・評価を行うことを計画している。超伝導キャビテイーを電子ビーム加速に用いた ERL 実証機では、単位時間あたりの平均 X 線光子数を大きくすることができ、実用的なイメージング法の開発・評価が可能になると期待される。
参考文献(1) 例えば、Proc. of the 3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan andthe 31st Linear Accelerator Meeting in Japan, Proc. of SPIE annual meeting など。
(2) K. Hyodo, et. al., Radiation 28(2002)269.
(3) T. Takeda, et. al., SPIE Proc. 5535(2004)380.
(4) S. Matsushita, et. al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 548(2005)94.
(5) D. Shimao, et. al., JJAP 44(2005)450.
(6) M. Ando, et. al., Bioimages 13(2005)1.
(7) S. Ohtsuka, et. al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 548(2005)73.
(8) A. Maksimenko, et. al., Appl. Phys. Lett. 86(2005)124105.
(9) S. Akishima, et. al., Circulation Journal 71(2007)418.

2007年7月9-10日
KEK-PF

レーザーコンプトン線源からの微小光源による
X線イメージングの原理と応用（イントロダクション）

兵藤 一行
高エネルギー加速器研究機構 ((KEK)
KEK)
物質構造科学研究所
放射光科学研究施設 ((PF)PF)

1

医用画像診断
不可視情報の可視化
視診、触診、聴診

画像診断

Ｘ線の利用

白色Ｘ線：単純撮影、CT
単色Ｘ線：放射光LCX-ray

超音波

準単色Ｘ線
装置の小型可磁気共鳴現象：MRI
赤外線
RI: PET、SPECT

医学応用
臨床応用
産業応用

2

放射光単色Ｘ線を用いた撮影方法

SampleDetector

SampleDetector

absorption
Si(220)SampleSi(220)Samplephase sift
干渉計
吸収、屈折、散乱、蛍光
位相変化

Diffraction
DEI, DFI

空間分解能
空間分解能
濃度分解能
濃度分解能

3

Ｘ線の吸収を利用した画像診断
蛍光体と
カメラ

微小血管造影

被写体

単色Ｘ線

分光結晶
Si (311)30 mm

腫瘍血管系 (東海大学提供)
東海大学提供)冠動脈の攣縮 (筑波大学提供)
筑波大学提供)X線エネルギ−線エネルギ− 33.3 keV
照射面積25 mm(V) × 30 mm(H)
空間分解能
28μ
28μm
照射時間
100 msec/image
msec/image
撮像系
CCDCCD-TV

X線エネルギ−線エネルギ− 33.3 keV
照射面積25 mm(V) × 30 mm(H)
空間分解能
25μ
25μm
照射時間
33 msec/image
msec/image
撮像系
HARPHARP-TV

4

Ｘ線の屈折を利用した画像診断
B

DEI(Diffraction Enhanced Imaging) 法

DEIDFI
DEI-CT

アナライザ−
アナライザ−
単色Ｘ線
被写体

濃度分解能の向上

吸収
D

C
1

B

相対強度

0.8

0.6

D

C
0.4

豚の骨
33 keV

0.2

0
-6

-4

-2

0

2

角度（μrad)465レーザーコンプトンＸ線(LCX-ray)の特性
発光点の大きさ（焦点サイズ）：50μm
光子密度(40 keV)：1.3×106 photons/mm2/sec
照射面積：直径 100 mm 程度
小焦点、大きな照射面積、準単色Ｘ線、エネルギー可変
小焦点、大きな照射面積、準単色Ｘ線、エネルギー可変光学素子は使用しなくても良い
光学素子は使用しなくても良い
屈折効果の方向性がない
屈折効果の方向性がない
吸収効果＋屈折効果による画像（照射Ｘ線の有効利用）
吸収効果＋屈折効果による画像（照射Ｘ線の有効利用）
通常のＸ線発生装置に比較して、高空間分解能、高濃度分解能
通常のＸ線発生装置に比較して、高空間分解能、高濃度分解能
装置を小型化できる可能性がある
装置を小型化できる可能性がある

医学応用、臨床応用、産業応用
6微小焦点によるイメージング I
被写体
X線源

60 kV, 20 μm

Ｂ＝D×R2/R1:半陰影
R2=1 mm, 15 sec

R2=1 mm, 120 sec

B

R1

R2

D

0.5 mm

1m

0.5 m

1 mm

50 μm

1m

0.5 m

0.1 mm

2.5 μm

10 m

0.5 m

0.05 mm

9E≧B：R1の範囲を決定
E≧検出器空間分解能：R2の決定
R2=1100 mm, 6600 sec
R2=1200 mm, 480 sec

S.W.Wilkins,et al., Nature 384(1996)335.

7微小焦点によるイメージング II

C. Honda,et al.
コニカミノルタHPより

8微小焦点によるイメージング III

全方向に境界領域の画像強調が見られる。
焦点サイズ: 100μm、R1: 1m、R2: 0.5m
Moターゲット
QuickTimeý Ç²
Planar RGB êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

QuickTimeý Ç²
Planar RGB êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

放射光によるファントーム撮影の例
9
K. Thoyama, et al: Medical Imaging, 23(2006)79.

LCX-rayによるイメージング の可能性
臨床応用の可能性（高齢化社会への対応、スクリーニング検査への適応）
１．乳がんの診断（石灰化、乳腺異常部位の描出）、肺がんの診断
２．骨、関節系疾患の診断
３．抹消血管系の形態・機能の診断、血管内蓄積物質の診断
４．薬の宅配便（標的組織）
基礎医学、生理学、動物学、薬学、、、、、
５．小動物に対する診断（疾患の機序の解明、創薬、ペットの診断）
産業応用の可能性
１．製品検査、荷物検査、、、
課 題
各種診断に最適なパラメータの検討得られる画像の医学的・臨床的評価 ☞ 付加価値はあるか？
検出器
時分割イメージングの可能性

10

ERL 研究会「コンパクト ERL が拓く世界」
医学イメージングへの応用酒井 俊
筑波大学大学院人間総合科学研究科循環病態制御医学

Implication of compact ERL to the medical imaging
Satoshi Sakai, MD, PhD
Cardiovascular Division, Medical Science for Control of Pathological Processes,
Graduate School of Comprehensive Human Sciences, University of Tsukuba<Synopsis>
The importance of medical imaging is well known for the diagnosis and therapy of patients.
We physicians can say that the understanding and our therapeutic level of disease depends onthe good imaging. Many imaging devices have been developed, such as angiography,
nuclear imaging, computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI).
Compact ERL will be added in near future, because ERL has a lot of beneficial features, suchas high resolution and low exposure; especially, it is hopeful for the application to diseases ofsoft tissue, bones and cartilages. From a viewpoint of medical fields, compact ERL should
has following features for the medical implication: 1) clear imaging rather than CT and MRI
imaging; 2) availability of 3D imaging; 3) low X-ray exposure; and 4) low cost and simplicity
to handle.
＜本文＞
患者にとっての疾患診断と治療に対する医学イメージングの重要性は論を待たない。われわ
れ医療従事者にとっては、疾患の理解および病気の治療レベルは医学イメージングに依存するといっても過言ではない。これまでに、血管撮影・核医学イメージング・CT・MRI といった多くの画像診断装置が開発されてきた。
それにコンパクト ERL が近い将来加わるであろう。
というのも、この方法は高解像度かつ低被爆といった優れた特徴を有しており、とりわけ軟部組織や骨・軟骨における疾患において期待が持てる。コンパクト ERL が現場の医療に応用されるには次の特徴を有することが求められる。1)CT および MRI 画像より鮮明な画像を有すること、2)3 次元画像を構成できること、3)X 線被爆が少ないこと、4)低コストかつ簡便に操作できること。以上の点が解決されれば、現在のイメージング機器に代わって用いられていくものと思われる。

医学イメージングへの応用
筑波大学人間総合科学研究科
酒井 俊

1我が国の主要死因別にみた死亡率2医学分野の画像診断• 諸臓器の性状診断– 悪性腫瘍・炎症・形態異常• 心血管系の描出– 動脈硬化・プラークの描出• 骨・軟部組織の描出– 骨折・骨および軟骨の形態変化

3

心血管系

4

全身の動脈系

5心臓の解剖

6

動脈硬化

7

冠動脈CT8放射光を利用した経静脈冠動脈造影
Ionization
Chamber

Monochromatic X-ray(120 mm by 95 mm)

X-ray shutter
35 keV

Filter

Monochromator
PF-AR NE1 (MPW beamline)

撮影結果の一例（筑波大学提供）
撮影結果の一例（筑波大学提供）
右冠動脈が明瞭に識別できる。
右冠動脈が明瞭に識別できる。

9動脈硬化のプラーク

10動脈硬化の性状診断

11

血管造影

12

放射光を利用した微小血管系の評価

ラットの心血管系の撮影結果（筑波大学提供）
ラットの心血管系の撮影結果（筑波大学提供）
X線エネルギ−線エネルギ− 33.3 keV
照射面積25 mm(V) 30 mm(H)
空間分解能
28μ
28μm
照射時間
100 msec/image
msec/image
撮像系
CCD-TV

13

骨・軟骨部の関節14

骨・軟骨・関節部

15

Ｘ線の屈折を利用した画像診断 IV

暗視野撮影法によるシステム
暗視野撮影法によるシステム

PF独自の新しいイメージング法の可能性(a)X線(a)X線吸収像(b)暗視野像(b)暗視野像

２次元画像の実時間撮影（２次元動画像）
２次元画像の実時間撮影（２次元動画像）
照射X
照射X線の有効利用
線の有効利用軟骨、靭帯が識別できる。
軟骨、靭帯が識別できる。
16
D. Shimao, et al., JJAP42(2003)5874.

軟部組織
特に、乳腺疾患17微小焦点によるイメージング I

C. Honda,et al.
コニカミノルタHPより 18

健診分野への応用

19健康診断における胸部X線

20臨床側から期待する新規のイメージング• CT, MRIより鮮明な画像• 3D画像を構成できること• X線被爆が少ない• 低コストかつ簡便• 機能的診断・質的診断もイメージング
できることが望ましい。

21

産総研のレーザーコンプトン線源を用いたイメージング研究○ 池浦広美 1、黒田隆之助 1、安本正人 1、豊川弘之 1、小池正記 1、丸山耕一 2、森浩一 3、岡寛 4
1
産業技術総合研究所、2 秋田工業高等専門学校、
3
茨城県立医療大学、4 聖マリアンナ医科大学<Synopsis>
A Laser-Compton Scattering X-ray source (LCS-X) is recently attracted to produce hard-x ray
with sufficient brightness and superior compactbility. In National Institute of Advanced Industrial
Science and Technology (AIST), we are producing brighter and higher stabilizing LCS-X than thepresent status as well as doing basic research and application using LCS-X for the purpose ofpromoting medical and industrial use. The LCS-X has characteristics such as high-brightness, small
size of light, and quasi-monochromatic beam. By further improvement of its compactbility and higher
brightness, measurements conducted by large-synchrotron radiation facilities are expected to bepossible using LCS-X operating at onsite hospital. One of our purposes for imaging research isapplication of tomosynthesis combined with reflection contrast imaging because it is difficult using an
ordinary x-ray tube. Tomosynthesis allows us to obtain diagnostic tomographic images during a single
breath-hold. Another research project of pulse imaging based on the advantage of short-pulse LCS-X
is under developing.
近年、レーザーコンプトンＸ線（LCS‑X）光源は小型で高輝度の硬Ｘ線源として注目されている[1]。産総研では、LCS‑X光源の高輝度化、高安定化[2]と並行し、医療および産業利用推進のための基礎研究を開始している。この光源は、高輝度・微小焦点・準単色性などの特徴を持ち、さらなる装置の小型化・高輝度化を実現することによって、将来的には、大型放射光を必要とする計測を病院などのオンサイトで行うことができるとして期待されている。産総研では、LCS‑X光源の利用研究のひとつとして、平成18年度から、茨城県立医療大学の森グ
ループと協力し、医療診断を目指したＸ線イメージングの研究を行っている。この光源はサ
イズを小さくすることができるため、試料中の境界における微小な密度差による屈折を検出して画像化すること（屈折コントラストイメージング）が可能である。そのため、吸収がほ
とんどない場合でも鮮鋭な画像が得られ、生体組織においては、特に組織と空気や骨との境界を明確に可視化できる[3]。最近、Ｘ線管を用いた屈折コントラストマンモグラフィ装置や、
トモシンセシス法を用いたＸ線撮影装置の実用化研究が進んでいる[4,5]。産総研では、LCS‑X
光源を用いて、従来のＸ線管では困難な、屈折コントラスト法でトモシンセシス撮影を行う
ことを目標の一つとしている。これにより、1回の息止めのみで断層撮影が可能で、被曝量を低減して立体画像情報を取得できるであろう。また、産業利用においても、半導体基板の検査などに応用できると考えている。現状では、屈折コントラストイメージングの測定を始めたところで、多くは計画の段階に過ぎないが、その進捗状況について報告する。将来的には、
LCS‑X光源のパルス特性を生かしたイメージング測定も行っていく予定である。
文 献[1] 柳田達哉、中條晃伸、伊藤紳二、酒井文雄、応用物理、 74、482‑486 (2005).
[2] R. Kuroda et.al., Int. J. Mod. Phys. B 21, 488‑496 (2007).
[3] K. Mori et.al., J.Synchrotron Rad. 9, 143‑147 (2002).
[4] J.T. Dobbins Ⅲ, D.J. Godfrey, Phys. Med. Biol. 48, R65‑R106 (2003).
[5] D. Shimao, et.al., Jpn. J. Appl. Phys. 46, L608‑L610（2007).

産総研のレーザーコンプトン線源を用いたイメージング研究○池浦広美、黒田隆之助、安本正人、豊川弘之、小池正記○池浦広美、黒田隆之助、安本正人、豊川弘之、小池正記
産業技術総合研究所
産業技術総合研究所
丸山耕一
丸山耕一
秋田工業高等専門学校
秋田工業高等専門学校
森浩一
森浩一
茨城県立医療大学
茨城県立医療大学
岡寛
岡寛
聖マリアンナ医科大学
聖マリアンナ医科大学
ERL研究会 2007.07.10

1

はじめに
• 産総研LCS-X光源利用実験の概要• PF BL14C光源との比較• 解像度の光源形状依存性• 医療用Ｘ線源との比較• ラット腰椎の屈折コントラストイメージング• イメージング測定例• 今後の予定
2

LCS-X光源
生成Ｘ線
Collisionangle (φ)

photon energy

Pulse width(rms)

Number of Photons

90

20 keV

150 fs~106 /s (max) @10Hz

165

10 keV ~ 40 keV

3 ps~107 /s (max) @10Hz

電子ビーム

Ti:Sa レーザー (CPA)

Electron energy

20 ~ 40 MeV

Energy spread

0.2%

Wave length

800 nmBunch charge/bunch

0.8 nC

Energy/pulse

140 mJ

Bunch length (rms)

3 ps

Pulse length (rms)

100 fsBeam size (σx/σy)

40/30 μm

Beam size (σx/σy)

30 μm
3

ＬＣＳ－Ｘ線装置の概要
X線利用ゾーン
電動ステージ回転ステージBe/カプトン窓
3cmΦ

XCCD

光源点
光学ベンチ

860-1170mm

X-ray

ビームダンプ

2070mm

光源点

Ti:Saレーザー

電子ビーム
Nd:YLFレーザー
偏向電磁石
Achromatic Arc

S-band 1.5m加速管×２
RF-gun偏向電磁石
4

LCS-X線の特長と利用
AISTのスペック
エネルギー

10 ~ 40 keV

単色性~

フラックス（＠165deg）

107 （*105 ） photons/s

フラックス（＠90deg）

106 photons/s

5％ （dE/E）

特長

利用

エネルギー可変準単色

吸収端コントラスト

高輝度

イメージング

時間幅

150 fs ~ 3 ps

極短パルス

動的現象（非平衡状態）の追跡取り出し角

15 mrad

広視野

医療診断

光源サイズ

40×40 μm (σ)

微小光源

屈折コントラスト

繰り返し

10pps

安定性

~ 6％ （15min）*実際に使用するフラックス

偏光特性5

吸収端イメージング
10～40keVにある吸収端
K1s

L1 2s

6

X線イメージング検出器

PI-SCX: 1300-2.5

BAS-MS 2025

S8985-02

視野

画素数
画素サイズ

ダイナミッ
クレンジ

分解能

解像度

エネルギー
範囲

シンチレーター

PI-SCX:
1300-2.5 (PI)

65×65
mm

1340×1300
20×20μm

16bit
65536

60-80μm<10 linepairs/mm

8-17keV
Be窓0.5mm

Gd2O2S:Tb~550nmIP(FUJI) BASMS 2025

200×250
mm

16bit
65536

50μm

10 linepairs/mm

S8985-02(HAMMATSU)

34×24
mm

12bit
4096

25μm

20 linepairs/mm

1700×1200
20×20μm

BaFBr:Eu2+~390nm25-80keV

CsI (FOP)~ 550nm7

X線チャートの実験
PF

ＬＣＳ－Ｘ

チャート
ＬＣＳ－Ｘ

X線CCD
7cm

26cm
Be窓
PF 30keV
産総研 LCS-X線 40keV、17keV

25mm

Ｘ線テストチャート Type 14 （極光）チャート厚さ 30μｍ
最高解像度 20 line pairs/mm (25μｍ)

20mm

8

解像度の光源形状依存性の実験
2.5cm

スリット 6（横）ｘ6（縦）mm
拡大率 １
ＬＣＳ－Ｘ
光源から3.27m

スリット

ビーム形状 114（横）ｘ85（縦）ミクロン
縦横比1.34

9

LCS-X 実験配置
制御室
インターネットで接続

測定室
IP
XCCD
試料

LCS-X

X線ポート
10

屈折コントラスの原理• 試料中の境界における微小な密度差による屈折を検出して画像化。
• 吸収がほとんどない場合でも鮮鋭な画像が得られ、生体組織においては、特に組織と空気や骨との境界を明確に可視化。
強度
吸収コントラストの境界が強調Ｘ線

試料

画像の鮮鋭性が向上
11

LCS-Xトモシンセシス• 標準的なX線イメージング
撮像物全体を単一画像としてとらえるため、あらゆるものが一つの二次元画像へ重なる。

• トモシンセシス
一回の断層走査において、対象物をX線の照射角度を変えながら撮影し、任意の断層面を再構成する。低被曝で、障害陰影の無い画像が得られる。

ドイツのグループのトモシンセシスの例

ＩＣチップ 33keV LCS-X ＠住重

30mm

３ｃｍ

From DGZfP Proceedings BB-67CD

今後トモシンセシスを行う予定。

12

実験準備施設• X線管を用いてトモシンセシスやパルスイメージングの立ち上げを行っている。
• 屈折コントラストイメージング実験が可能。

理学のＸ線管パルスイメージング用検出器（中性子標準グループの好意により借りています）

全長3mのハッチ

13

まとめ
•

•

Ｘ線チャートの測定から、ウィグラーＸ線より約３桁フォトン数/ 70μｍ2 /sが小さい。 X線管との比較から10min照射で1～2mAs相当。
→光源強度は２～３桁上がる予定。
ＸＣＣＤを用いて、60 ～ 80μｍの解像度の画像を取得。
→２５μｍの解像度かつ高感度測定が可能になる予定。
“14Ｃレベル”の光源が実現可能！！

•ラット腰椎の屈折コントラストイメージを測定。

•→屈折効果から光源の高い干渉性を示唆。
今後、屈折コントラストを利用したトモシンセシスやパルスイ
メージングを行っていく。

14

放射光 X 線による 100 ピコ秒時間分解研究の現状とフェムト秒時間分解実験への期待
足立伸一（KEK-PF）

Current status of 100picosecond-resolved X-ray studies using synchrotron
radiation and future prospects of femtosecond-resolved X-ray researchShin-ichi Adachi(KEK-PF)<Synopsis>
100 picosecond-resolved X-ray experiments using synchrotron radiation sources are becoming
general and powerful tools to explore structural dynamics of condensed matters in material andbiological sciences. We have been exploring such capabilities of X-ray diffraction, scattering andabsorption spectroscopy at 100-picosecond resolution at the beam line NW14A, PF-AR. The potential
and limitation of the current method with 100-picosecond resolution forces us to pursue thefemtosecond time resolution using the compact ERL. Based on our recent results, future prospects offemtosecond-resolved X-ray research will be presented.
.
＜要旨＞
レーザー光科学の進展により、超高速フェムト秒ダイナミクスの研究分野は大いに発展しているが、X線領域における超高速ダイナミクス研究に限っていえば、これまでのところ適当な光源が少な
く、ほとんど未開拓のままである。レーザーが主にカバーする赤外から紫外域は物質の価電子帯の励起に相当するのに対して、X線領域は内殻電子の励起エネルギーに相当し、またX線と電子との弾性・非弾性散乱過程を観測することにより、物質中の電子の密度分布や運動量分布をプローブすることができる。したがって、超短パルスX線光源が実現すれば、これまでのレーザー光科学では得ることのできなかった情報、たとえば物質構造そのものの超高速ダイナミクスの直接観測、内殻励起過程のダイナミクス観測などが可能となり、その利用研究は基礎科学のみならず応用分野においても多くのブレークスルーをもたらすことが期待される。
さて、シンクロトロン放射光は加速器中の高周波電場によってほぼ光速まで加速され、かつ数センチほどの長さにバンチ化された電子群から放出される電磁波であり、元来電子バンチ長程度の時間幅（σ～50 ピコ秒）を持つパルス光である。超短パルス X 線光源というには少しおこがましいが、
サブナノ秒オーダー程度の時間分解実験には十分有用な短パルス X 線光源といえる。特に現在建設が進められている次世代 X 線光源の利用研究計画とも絡んで、パルス X 線の利用実験は近年世界各地で活発化しつつある。我々は高エネルギー加速器研究機構の放射光科学研究施設 PF-AR

を利用して、以下の表に示すようないくつかの測定系についてサブナノ秒分解 X 線実験を進めている。講演では、まず放射光を用いたサブナノ秒オーダーの時間分解 X 線回折実験の現状を報告し、その可能性と限界について述べる。さらに、その延長線上にコンパクト ERL において実現が期待されるサイエンス、X 線領域における超高速フェムト秒ダイナミクス研究への期待について述べ、以降の講演者の方々による話題提供のためのイントロダクションとしたい。

測定対象

測定手法

入射 X 線

入射 X 線の

繰り返し

入射光子数

入射光子数

周波数

photons/pulse

photons/sec

エネルギー

エネルギー
バンド幅
光反応性タンパク質結晶構造の光誘起ダイナミクス

X 線回折 (Laue)～12keV

～10%

1Hz

10

9

10

X 線回折 (Laue)～15keV～10%single shot

10

9

-

10-18keV～0.01%

10Hz-1kHz

10

6

10

10-18keV～0.01%

1kHz

10

6

10

X 線吸収分光5-9keV～0.01%

1kHz

10

6

10

X 線溶液散乱15-18keV

～1%

1kHz

10

8

10

レーザー誘起衝撃波圧縮による圧力相転移有機・無機単結晶中の分子のX 線回折

励起状態構造解析(Bragg)遷移金属酸化物のX 線回折

光誘起相転移(Bragg)遷移金属化合物の光誘起化学反応ダイナミクス
溶液中の有機・無機化合物の光誘起化学反応ダイナミクス

9

9

9

9

11

放射光X線による100ピコ秒時間分解研究の現状とフェムト秒時間分解実験への期待
KEK-PF
足立伸一• はじめに• 100ピコ秒X線研究の現状• サブピコ秒X線への期待

1

光源のエネルギーとパルス幅
Pulse duration (sec)

10-6
micro
放射光

10-9
nano

赤外・可視・紫外
レーザー

10-12
pico

レーザー・プラズマ
X線
未開拓地
レーザー
高次高調波

10-15
femto
10-18
atto

1

10

102

103

104

Energy (eV)2

Bond softening in Bismuth (SPPS)
Phonon-polariton wave
in LiTaO3 (ALS)Fritz et al. (2007) Science 315, 633.

Cavalleri at al. (2006) Nature 442 664.

Magnetic excitations inpermalloy squares (SLS)
Raabe et al. (2005) Phys. Rev. Lett. 94,217204

Time Domain Science with SR
最近の報告例Ni(II) porphyrin (APS)
Chen et al. (2001) Science 292, 262.

C2H4I2 in methanol (ESRF)
Ihee, et al., (2005) Science 309, 1223.

Mutant myoglobin (ESRF)
Schotte et al.(2003) Science 300, 1944.

3

Femtosecond X-ray Pulses at 0.4 ÅGenerated by 90º Thomson Scattering: A Tool
for Probing the Structural Dynamics of Materials
Schoenlein et al. (1996) Science 274, 236.

Electron: 50 MeV, 1.3nC, 20 ps (FWHM)
Laser: 60mJ, 100fs, 10Hz, 800 nm
X-ray: 30 keV, ~300fs, 2 x 105 photons/pulse/15%
4

“Rapid advances in diode-pumped, solid state lasers andsuperconducting linac structures may provide
substantially higher x-ray brightness in future Thomson
sources by operating at very high repetition rates.”

1996
Electron: 50 MeV, 1.3nC, 20 ps (FWHM)
Laser: 60mJ, 100fs, 10Hz, 800 nm
X-ray: 30 keV, ~300fs,

2 x 105 photons/sec/15%b.w.

2007Electron: 60 MeV, 0.1nC, 0.1 ps
Laser: 10 mJ, 0.1 ps, 1 kHz, 800 nm
X-ray: 42 keV,1 X 109 photons/sec/10%b.w. !!
5

Laser-Compton X-ray source at ERL test
facility (60-150MeV)
EXray = 2γ2ELaser(1-cosθL)/(1+γ2θ2)
Flux = (NLNe/wh)(Leff/Lb)σc
ELaser = 1.55eV, Eelectron = 60 MeV (γ=117), θL = 90 degree のとき、軸上(θ=0)でEXray = 42.4 keVelectron

laser

θL

レーザーパルス（1.55eV, 10mJ)のフォトン数： NL = 4 x 1016 photons
電子バンチ中の電子数（60MeV, 0.1nC)： Ne = 6 x 108 electrons
電子バンチの水平幅： w = 50 x 10-6 m
電子バンチの高さ：
h = 50 x 10-6 m
コンプトン散乱断面積： 1 x 10-28

1パルスあたり、
Flux = 1 x 106 phs/pulse/10%b.w.
1 kHzのとき、
Flux = 1 x 109 phs/sec/10%b.w.

6既存放射光との比較• 同じエネルギーバンド幅、繰り返し周波数で比較すると（１０Wレーザー使用）、– AR-NW14A: 1012 phs/s/10%b.w. @ 1kHz
– Compact ERL: 109 phs/s/10%b.w. @ 1kHz

• エンハンスメント共振器が使用できると、（小林先生（産総研）の昨日の講演、1GHz、10µJ）
レーザー出力は10Wから10kWへ。単位時間当たりのX線フォトン数は1000倍。既存放射光と同等以上。
– 109 → 1012 phs/s/10%b.w.
7Source

Pulse length(fs)

Repetition
rate (Hz)Photon flux

Energy range

Compact ERL/LaserCompton Source(1nC, 10kHz)

~150

1000

1 x 109 phs/sec/10%b.w.
1 x 106 phs/sec/0.1%b.w.
1 x 106 phs/pulse/10%b.w.

10-100 keV

PF-AR NW14(80nC, 794kHz, 60mA)

100 x 103794 x 103

1 x 1015 phs/sec/10%b.w.
1 x 1012 phs/sec/0.1%b.w.
1 x 109 phs/pulse/10%b.w.
1 x 106 phs/pulse/0.1%b.w.

5-30 keVKEK-ERL
Low-rep. mode
(1nC, 10kHz, 0.01mA)

100 – 1000

10000

1 x 1011 phs/sec/10%b.w.
1 x 107 phs/sec/0.1%b.w.
1 x 107 phs/pulse/10%b.w.

5-30 keV

Laser Bunch Slicing(ALS upgrade)

200

40000

5 x 107 phs/sec/0.1%b.w.

0.2-10 keV

Laser-produced plasma
X-ray

~100

10

6 x 1010 phs/pulse/4πsr

8 keV (Cu-Kα)

Laser / high harmonic
generation

100 - 0.1

10 - 10000~ 108 phs/sec/0.1%b.w.

10 eV-1 keV

Sub-Picosecond Pulse
Source (SLAC)80

102 x 107 phs/pulse/1.5%b.w.

8-10 keV

KEK PF-BT line

500

20

~ 107 phs/pulse/10%b.w.

0.2-10 keV

X-FEL （LCLS, SCSS,
European XFEL)

230

120

2 x 1012 phs/pulse/0.2%b.w.

1-10 keV8

X-ray beam characteristics fromsuperconducting-linac-based LaserCompton X-ray sources• High repetition frequency (< 1GHz)• Hard X-ray available (~ 10-100 keV)
• Short pulse duration (~ 100 fs)• Large beam divergence (~ 10 mrad)• Relatively high average photon flux (~ 1010
photons/sec/~10%b.w. @ 10 kHz)9

100ピコ秒X線研究の現状とサブピコ秒X線への期待
pulse laser

Nozawa et al.
J. Synchrotron Rad. (2007). 14, 313-319.

PF-AR NW14A
通年大強度単バンチ 時間分解実験に最適
ERATO腰原非平衡ダイナミクスプロジェクト
10Bond softening in Bismuth (SPPS)
Fritz et al. (2007) Science 315, 633.

Photo-induced Phase Transition
Chollet et al. (2005) Science, 307, 86.

Motivations forfemtosecond X-ray

C2H4I2 in methanol (ESRF)
Ihee, et al., (2005) Science 309, 1223.

Mutant myoglobin (ESRF)
Schotte et al.(2003) Science 300, 1944.

11

Motivations for femtosecond X-rayex.1) coherent phonon

Ultrafast Bond Softening in Bismuth:
Mapping a Solid’s Interatomic
Potential with X-rays
Fritz et al. (2007) Science, 315, 633.

Laser Power: 0.7 (green), 1.2 (red), 1.7 (blue), and 2.3(gray) mJ/cm2

12

Shockwave-induced lattice
deformation at NW14A

13

レーザー誘起衝撃圧縮下のCdSのナノ秒分解白色X線回折KouheiIchiyanagi

・CdS単結晶は約3万気圧でウルツ鉱型から岩塩型構造になることが知られている。
・時間分解分光衝撃実験によってナノ秒オーダーで変化し、寿命の短い中間相が存在することが示唆されている。

M. D. Kundson and Y. M. Gupta, et al. Phys. Rev. B. 59.
11704 (1999).
14

ナノ秒分解白色X線回折実験のセットアップレーザー入射前のラウエ回折パターン

X-ray
pulse
入射X線スペクトル

Laser
pulse
実験条件

レーザー YAG 1064 nm, 850 mJ, 8 ns, 10 Hz
Spot size φ400 μm
X-ray 100 ps, white X-ray, 1 kHz
Spot size 250x250 μm

15Motivations for femtosecond X-rayex.2) photo-induced phase transition

Gigantic Photoresponse in ¼-FilledBand Organic Salt (EDO-TTF)2PF6
Chollet et al. (2005) Science, 307, 86.

16

Toward time-resolved
electron density analysis @ NW14A

Matthieu
Chollet

MEM analysis
300K
700 me-/A3
沖本洋一先生「強相関電子材料における光誘起相転移の17超高速ダイナミクス」

Motivations for femtosecond X-rayex.3) reaction dynamics in solution

Ultrafast X-ray Diffraction ofTransient Molecular
Structures in Solution
Ihee et al. Science (2005) 309, 1223.

18

Reaction dynamics in solution@ NW14
Liquid jet nozzle

Multilayer chamber

Collaboration with
Hyotcherl Ihee Group(KAIST, Korea)
19

Solution scattering profiles

λ= 0.827 Ådetx = 51.8 mm
q < 7 Å-1

20

UV spectroscopy revealed dumped oscillations
in femtosecond time domain
Caging and Geminate Recombination Following
Photolysis of Triiodide in Solution
Gershgoren et al., J. Phys. Chem. A 1998, 102, 9-16

田原太平先生「超高速反応する分子の核波束運動実時間観測と励起状態ポテンシャル曲線のトポロジー」
21

Motivations for femtosecond X-rayex.4) proteins

Watching a Protein as it Functions
with 150-ps Time-Resolved X-ray
Crystallography
Schotte et al. Science (2003) 300, 1944.

22

Myoglobin (Mb)
• Stores molecularoxygen in muscle• M.W. ~ 16,000• 1290 atoms• 153 amino acids• Contains 1 heme
• Reversibly binds O2,
CO, NO etc

23

Fe(II) porphyrin (heme) in myoglobin
MbL + hν ⇄ Mb + L (L=O2, CO, NO, etc)
Photo-switchable
Structural distortion causeschanges in electronic structure
Fe(II) d6 LS

Fe(II) d6 HS

24

Experimental setup
X-ray: 0.827 Å (15 keV)
Laser: YAG SHG (532 nm)
15 kHz, 10 mW/mm2
Sample temperature: 40 K
Detector: marccd165
Data statistics:
Resolution: 50 – 1.1 Å
No. of observations: 138,198
No. of unique refs: 37,292
Rmerge: 3.3 %Completeness: 94.7 %Redundancy: 3.7
CCD
sampleX-ray (0.827 Å)

Ayana Tomita
Laser (532 nm, 10 kHz, 10 mW/mm2)25

Visible absorption spectra of Mb and MbCO
MbCO + hν ⇄ Mb + CO

532 nm26

Electron density of the heme
before and after photo-excitation
Cyan: MbCO
Magenta: Photo-excited

MbCO andMb
Mbw.o.
withligand
CO
Photo-excited
Photo-excited!
Fe(II) HSLS
overlapped27

Switching protein structureby photo-excitation
Cyan: MbCO
Magenta: Photo-excited28

Summary• X線を用いた時間分解測定法は、非平衡状態（短寿命種）の構造情報、電子密度分布を直接観測できることが最大の利点。
• 現在の100ピコ秒分解能では不十分であり、サブピコ秒分解能が必要な実験系が多く存在する。
• そのためには、コンパクトERLによるサブピコ
秒X線光源が極めて有望。
29

Project members @ KEK NW14
Shunsuke Nozawa(ERATO)

Tokushi Sato
(TITECH DC)

Ryoko Tazaki(ERATO)

Ayana Tomita(TITECH DC)

Hirohiko Ichikawa(ERATO)

Sachiko Maki
(TITECH MC)

Laurent Guérin(ERATO)Jiro Itatani(Group Leader,
LBNL)

Kouhei Ichiyanagi(KEK PD)

Masahiro Daimon(Research Manager)

Matthieu Chollet(JPSJ PD)

Shin-ya Koshihara(Project Director)30Collaborators
Beam line NW14

Time-resolved solution scattering

•

•

KEK
– Hiroshi Sawa
– Hiroshi Kawata– Takeharu Mori
– Shigeru Yamamoto– Kimichika Tsuchiya– Tatsuro Shioya– and all Photon Factory
StaffsMyoglobin•

Yokohama City University– Sam-Yong Park

(EDO-TTF)2PF6•

Kyoto University– Hideki Yamochi– Gunji Saito

Korea Advanced Institute of
Science and Technology– Hyotcherl Ihee
– Kyung Huan Kim– Jae Hyuk Lee

Other collaborations
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Tokyo Institute of Technology
The University of Chicago
Univ. Rennes 1
State Univ. of New York at Buffalo
Univ. of Copenhagen
Laurence Berkley National Lab.
Oxford Univ.
Tohoku Univ.
Osaka City Univ.

31

光誘起キャリアとコヒーレントフォノンの超高速ダイナミクス
Ultrafasy dynamics of photo-induced carriers and coherent phonons
中村一隆 （東京工業大学応用セラミックス研究所）
Kazutaka G. Nakamura, Materials and Structures Laboratory<Synopsis>
Ultrafast dynamics of photo-induced carriers and coherent phonons are investigated by time-resolved
x-ray diffraction. Transient lattice deformation by acoustic phonon in GaAs and coherent opticalphonon vibrations are directly monitored.

コヒーレントフォノンは位相の揃った格子振動集団のことで、格子振動の振動周期よりも十分に短いパルスレーザー光照射によって発生することができる。一般にコヒーレントフォ
ノンのダイナミクスはフェムト秒の過渡反射率や過渡透過率測定により調べられている。また、光吸収のある物質では光誘起のキャリアの寿命計測も行われている。
我々のグループでは、半導体への光照射によって発生する、コヒーレントな音響フォノン
パルスによる過渡格子変形のダイナミクス光学フォノン振動変位を、時間分解 X 線回折法を用いて研究している。その結果について報告する。
超短パルス X 線は、50fs のレーザー光を 1017W/cm2 以上の強度で金属に集光照射することで発生し、ポンプープローブ法を用いてピコ秒およびフェムト秒時間分解での X 線回折測定を行った。フェムト秒レーザー照射 GaAs(111)表面では、音響フォノンパルスの試料内部進展に伴う過渡格子変形をピコ秒時間分解 X 線回折により直接計測した。また、フェムト秒レー
ザー照射 CdTe(111)表面ではフェムト秒時間分解 X 線回折により、200fs 振動周期を持つコヒーレント光学フォノン振動を直接計測することに成功した。

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ERL@KEK(2007/7/10)

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5䜷䝖䞀䝰䝷䝌䝙䜭䝒䝷䜷䝷䝌䝱䞀䝯䟺Bi䟻

Stop

Enhance

Hase et al. Appl. Phys. Lett., 69 (1996) 2474
6••කᏕῼᏽ䜘⏕䛊䛥䜷䝖䞀䝰䝷䝌䝙䜭䝒䝷䛴ゝῼ䛭䝙䜭䝒䝷䛴ᑋ࿤䚮㞹Ꮔ䝙䜭䝒䝷┞பష⏕䛒◂✪䛛䜒䛬䛊䜑䚯䝕䝯䜽ἴᙟᩒᙟ䛱䜎䜐䜷䝖䞀䝰䝷䝌䝙䜭䝒䝷䜘โᚒ䛝䚮ක䛱䜎䜑ᵋ㏸โᚒ䜘┘ᣞ䛝䛥◂✪⾔䜕䜒䛬䛊䜑䚯කᏕῼᏽ䛭䛵䚮ཋᏄንన㔖䜊ᵋ㏸䛒䜎䛕ฦ䛑䜏䛰䛊㉰㧏㏷᫤㛣ฦよX⥲ᅂᢙ䜘⏕䛊䛥䜷䝖䞀䝰䝷䝌䝙䜭䝒䝷◂✪7

Time-resolved measurement of coherent phonon• Coherent phonon has been studied extensively using
several optical measurement techniques: timedomain spectroscopy– reflection or transmission, SHG, THz radiation• T.K. Cheng, APL 59 (1991) 1923
• M. Hase et al. PRL 88 (2002) 067401.

• Lattice displacement has been directly studied with Xray diffraction by several groups– Acoustic phonon propagation• A. Rousse et al. Nature 410 (2001) 65– Coherent optical phonon• K. Sokolowski-Tinten et al. Nature 420 (2003) 287.

8

Motivation: Materials Dynamics
Elucidate dynamics of phase transition of condensed matter and control•Transition time (Δt)?
䟼• Pathway of structural changes (A1-A2) ?
• Transition structure (*) ?

A

䟼

A䠃

A䠄

B

Δt
Rate constant

Laser
Δt

X-raysDiffraction

How
Structural change is directly monitored byusing ultrafast X-ray diffraction with pumpand probe technique
Ultrashort pulsed X-rays are required!

Picture of atomic motion

9Quantum emissions
High-energy short-pulsed beams of electrons, ions and photons (X-rays)
generated from femtosecond intense laser field (>1016W/cm2).

Hard X-ray pulse
Ponderomotive
force

Intense femtosecond
laser pulse(>1016W/cm2)

High-energy electron pulse

Target materials (Z)10Quantum emission

High-energy short-pulsed beams of electrons, ions and photons (X-rays)
generated from femtosecond intense laser field (>1016W/cm2).
protons

electrons
X raysLasere,pCu-foil at I=2x1018W/cm2

11

Femtosecond laser induced Hard X-ray pulse (I = 1017 W/cm2)

Energy spectra

Pulse width of CuKa
6.5x1010photons/4πsr/pulse

Characteristic X-rays obtained by X-ray CCD
camera at power density of 3×1016 W/cm2.

The temporal profiles obtained by the X-ray streak
camera. The energy extends from 1 to 10 keV are
accumulated. I ~㻃㻔㻓㻔㻚㻃㻺㻒㼆㼐㻕

M. Yoshida et al. APL 73 (1998) 2393; Y. Fujimoto et al. JJAP 38 (1999) 6754

12

Picosecond time-resolved X-ray diffraction fromfemtosecond laser-excited GaAs(111):
Acoustic phonon propagation

Ref: C. Rose-Petruck et al., Nature 398 (1999) 310
H. Kishimura et al., JCP 117 (2002)10239

13

Schematic of experimental setup

Pump Laser Pulse

X-ray
CCD
Probe X-ray
pulse

TW laser system (Ocs. Reg. Amp)
300ps, 800 mJ/max

300ps

Sample crystal

Time-step: 10ps
Pulse compressor

60fs
Optical delay line

70mJ/cm2
50fs
Pulse compressor

vacuumX-ray generationchamber

CuKa

X-ray CCD

GaAs(111)

14

CCD image and rocking curve of X-ray diffraction from laser irradiated GaAs(111)

Under laser irradiatedInitial state
2d sinθ = λDiffraction Angle
CCD camera image

A low angle shift䊲㻨xpansion
A high angle shifts䊲㻦ompression)(300shot integrated

15

Picosecond time-resolved X-ray diffraction from 60-fs laser irradiated GaAs(111)16

Electronic system

Lattice system

Carrierabsorption

Lattice expansion
Phononexcitation

Interband
absorption

Auger
recombination

Acoustic phonon
propagation
Temperature
increases

Rate equations: N(x,t), T(x,t)

Diffusion equations: T(x,t)
Hydro-dynamic equations: u(x,t)
17Model of laser heating and phonon generation

Laser irradiation# (1 ! R) 2"N N
" 2 N $ (1 ! R)+=D+
I ( x, t ) +I ( x, t ) 22"t % R"x
E
2E

Inter-band absorption%
I ( x, t ) = $[" + #N + !I ( x, t )]I ( x, t )%tRate eq., diffusion eq.

Electron-hole plasma
Carrier absorption
Carrier diffusion"R =Auger recombination

Optical phonon
Temperature increase
Thermal diffusion

1
!N 2

2
#
/T
/ 2 T E g N - E ' E g * &- 1 (1 ' R)
* 0 (1 ' R)
+
(
= DT
+
+
+
.
N
+
I
(
x
,
t
)
+
(
$
! I ( x, t )/t/x 2 C v2 R +, C v () %,
E
2E
)
"

Acoustic phonon pulse
Hydro-dynamics

Lattice deformation
2!E g !N
! 2u
!T
2 ! u
# 2 = #v
+
B
+
3
B
"
!t
!z 2
!P !z
!z

18

Strain generated by impulsive laser excitation

z#vt
vt
+ #z%
.
# (
#
1
1
$
$
$
" = "0 -e ''1# e ** # esgn(z # vt)0-, & 20/) 2!

η: strain
V: sound velocity
ξ: absorption length

C.Thomsen, et al., Phys. Rev. B 34, 4129 (1986)
19

Simulation of strain profile inside the GaAs(111) crystal

Maximum strain㻃䚭㻃㻃㻃㻃0.30%
Absorption length㻃䚭255nm
20Obtained effective absorption length in this study: ξ= 255 nm
c.f. linear absorption length of GaAs at 800nm: ξ= 900 nm

I䠌Intensityα䠌 An absorption coefficient
α0䠌 A linear absorption coefficientβ䠌 A two-photon absorption coefficient

Intensity䚭I = 1.17 GW/cm2
䊲㻃A two-photon absorption coefficient㻃䚭β= 27±11 cm/GW
c.f. β= 26±8 cm/GW (using ps laser pulse)(T.F.Boggess, et al., IEEE J. Quantum Electron. 21, 5 (1985))
21

Femtosecond time-resolved X-ray diffraction fromfemtosecond laser-excited CdTe:
Coherent optical phonon

Ref: K. Sokolowski-Tinten et al., Nature 422 (2003) 287 and (2006): Bi-film
Y. Hironka et al., Ultrafast Phenomena (2006)22

Effect of coherent optical phonons in ultrafast time-resolved X-ray diffraction• No change in diffraction angle• Diffraction intensity changes as a change of structural factor: F
2

F = FF * = I " f l f l' exp(
l

2#i
2#i
(S % S0 )(Rl % Rl' ))exp((S % S0 )(&l % &l' ))$$2' F0 + " iQexp(i(t + ) l )(Thermal: Debye-Waller factor)

l

!

Rl

δl

23

Experimental geometry and diffraction image

Pump Laser Pulse

X-ray CCD

Position at the sample

CCD image of X-ray diffraction

Probe X-ray
pulse
Sample crystal
Diffraction angle

Symmetric Bragg diffraction geometry
2dsinθ=λ

Reflecting Plane : CdTe(111)θB=11.88384 deg. θB=11.9138 deg
24

fs-TRXD from 50-fs laser irradiated CdTe(111)Intensity ratio

1.00

0.98

0.96
11.811.9 12.0
Angle (degree)
0.94
-30

-20

-10

0

10

20

30

Relative delay time (ps)Temporal profile of diffracted X-ray
intensity

Diffraction angle

No shift of the diffraction peak but
modulation of diffracted X-ray intensity
25

Coherent optical phonons in CdTe(111):fs-TRXRD

60

10

8

Intensity (arb. unit)

8

6

50

4

6

40

4

2

0
3.0

2

4.0

5.0

6.0

14

16

30

0

20

-2

10

-4
-6
0.0

0
0.5

1.0

1.5

Relative delay time (ps)Modulation in X-ray diffraction intensity

0

2

4

6

8

10

12

Frequency (THz)
Fourier power spectrum of modulation in X-ray
diffraction intensities and normal Raman
spectrum of CdTe (inset).
26

Phonon dispersion of CdTe

Phonon frequency (THz)

Phonon dispersion curve of CdTe

Γ (k=0)

7

[001]

[111]
LO phonon

5
0

3

1

X

Λ

Γ

A

L

Wave vector (k-space)
From J.M. Rowe et al. PRB10(1974)27

Experimental setup for fs time-resolved optical reflection @NIMS

http://www.nims.go.jp/ldynami
cs/Femto/SU.html

28

Fs-time resolved optical reflection from CdTe(111)
K. Ishioka et al., Jpn. J. Appl. Phys.45 (2006) 9111

6
-6

5

4

2
Intensity

Intensity change !"/"

4x10

0

3

2

-2
1

-4
0

0.0

0.5

1.0

1.5

Delay time (ps)modulation in phonons (5mW):

2.0

2

3

4

5

6

7

8

Frequency (THz)

Fourier spectrum

LO(CdTe): 4.97 THz, τ =2.39 ps
A(Te): 3.82 THz, τ =1.49 ps
29

Summary• Transient lattice deformation due to propagation of acoustic••

phonon and shock wave inside semiconductor crystals has been
observed by picosecond TR-XRD
Coherent optical phonons of CdTe (5THz) has been observed byfemtoseconf TR-XRD
Time-resolution of 200fs in TR-XRD has been achieved30

Acknowledgement• TRXRD– TokyoTech: Prof. K. Kondo, Dr. Y. Hironaka, Dr. H. Kishimura, Dr. Y. Okano• CP by optical reflection– NIMS: Prof. M. Kitajima, Prof. K. Ishioka, Dr. M. Hase

• Coherent control in condensed matter– Ohmori group, Matsumoto group (IMS), Kitajima group (NIMS)– Funds: MEXT, IMS

31

強相関電子材料における光誘起相転移の超高速ダイナミクス
沖本洋一
東京工業大学大学院理工学研究科

Ultrafast dynamics of photoinduced phase transition in strongly
correlated materials
Yoichi Okimoto
Department of Materials Science, Graduate School of Science and Engineering,Tokyo Institute of Technology<Synopsis>
We performed femtosecond reflection spectroscopy on a charge and orbital ordered manganite,
Gd0.55Sr0.45MnO3, locating near the phase boundary between the charge ordered state and theferromagnetic metallic state. Just after the photo-irradiation, we observed a large increase of thereflectivity in the mid-infrared region. The optical conductivity spectrum after the photoirradiation
obtained from the Kramers-Kronig analyses demonstrates a formation of a metallic state. This
indicates that ferromagnetic spin arrangements take place within the time resolution through the
double exchange interaction, resulting in an ultrafast switching from the charge/orbital ordered state to
the ferromagnetic metallic state.

典型的な強相関電子材料の一つであるペロブスカイト型マンガン酸化物は、超巨大磁気抵抗効果や磁場誘起絶縁体-金属転移の発見により大きな注目を集めている。特に後者の現象は、
Mn3+ イオンと Mn4+イオンが実空間で交互に並ぶ「電荷が整列した絶縁体」状態が、外部磁場の印加により「強磁性金属」の状態へと変化する現象であり、これまでに類を見ない劇的な「電子相制御」の例として現在でも盛んに研究が行われている。更に注目すべき点として、
このマンガン系の強磁性金属相転移は、磁場印加ばかりでなくレーザ光照射によっても引き起こすことができることが挙げられる[1]。しかし、光生成された強磁性金属相がどのよう時間スケールで生成し、そして緩和していくかという問題はまだ明らかになっていない。今回の講演では、典型的な電荷整列絶縁体である Gd0.55Sr0.45MnO3 結晶におけるフェムト秒レーザ
パルスを用いた時間分解反射分光の結果について報告し[2]、マンガン酸化物で見られる「光誘起相転移」の超高速ダイナミクスについて詳細に議論する。
（本研究の主要部分は、強相関電子技術研究センターにて行われたものであり、松原正和、富岡泰秀、小笠原剛、岡本博、十倉好紀の各氏との共同研究である。）[1] K. Miyano et al. Phys. Rev. Lett. 78, 4257 (1998).
[2] Y. Okimoto et al., J. Phys. Soc. Jpn. 76, 043702 (2007).

強相関電子材料における光誘起相転移の超高速ダイナミクス
東工大院理工沖本洋一
Collaborators●1CERC-AIST, 2Univ. of Tokyo
松原正和１、松崎弘幸1,2、富岡泰秀1 、 I. Kezsmarki2 、
小笠原剛1 、 岡本博1,2 、十倉好紀1,2●東工大院理工遠藤将人、腰原伸也●東北大多元研
有馬孝尚
ERL研究会「コンパクトERLが拓く世界」

1

Outline
1. Introduction…
ペロブスカイト型Mn酸化物の電荷整列絶縁体ー強磁性
金属相転移とPhoto-induced phase transition (PIPT)
2. フェムト秒レーザを用いた
電荷整列絶縁体Gd0.55Sr0.45MnO3 結晶の超高速ポンププローブ分光
電荷の応答① 反射率変化 ΔR/R
Y.Okimoto et al., JPSJ 76, 043702 (2007).

② カー回転 Δθ

スピンの応答M. Matsubara、Y.O. et al., submitted.

・「光誘起強磁性金属状態」はどのように光で見えるのか？
・その生成・緩和の時間スケールはどうなっているのか？
3. 光誘起強磁性金属相の緩和状態は？？？
2

Introduction
マンガン酸化物 ⇒ 全く異なる二つの基底状態(electric/magnetic field)
photoirradiation
Mn3+
Mn3+

Mn 4+

電荷整列絶縁体

外場による電子相制御が可能！

強磁性金属
9

109
10

光誘起相転移….
Miyano et al., PRL (1998)
in Pr0.7Ca0.3MnO3Resistance (Ω)

108

30K

7

10 7
10
10

Pr0.7Ca0.3MnO3

6
5

10 5
10
104
3

10 3
10

レーザパルス電気抵抗率の急激な落下

102⇒強磁性金属相発生の示唆

1011
10
0

↑
Laser pulse

10
-20

0

40
20
20
40
Time (μs)

603Motivation
Miyano et al., PRL (1998): current infection isessential to keep the photo-induced FM domains.
⇒ 光照射によって発生したドメインはそのままでは維持できず、始状態へ緩和して行く

Questions:･光誘起状態の発生・緩和のダイナミクス
生成・緩和の時間スケール？

･光誘起相はどのような電子状態なのか？（強磁性金属相?）「光誘起強磁性金属状態」はどのように光で見えるのか？

フェムト秒レーザパルスを用いた時間分解反射分光
4時間分解ポンププローブ反射分光
Variabledelay stage

Regenerated Ti :sapphire laser system(100 fs, 800nm, 1kHz)

OpticalchopperpumpτdsampleOPA

Trigger

SHG : β-BaB2O4
DFG : AgGaS2

DFG
ＳＨＧ

probe
Detector(signal)Detector(reference)

Trigger

BoxcarIntegrator

A/D

PC

時間分解能 ~ 150 fs
Pump光（電荷整列を壊す励起光）: 800 nm
Probe光（電子状態を見る光）: 0.5 ~ 9μm
5Target： Gd0.55Sr0.45MnO3強磁性金属相に近い (短距離相関) 電荷整列絶縁体
Pr

La

106

300
(short range)
CO
200

FM

100

0

ρ(Ωcm)

Tc and TSG (K)R=GdEuSmNd

1.32

1.36

7T

100

10
1.4

large

…... Gd, Eu, Sm, Nd, Pr, La

insulator
Bandwidth

102

R=Gd

-4

<r> (Å)
Ionic radius small

0T

10-2

R0.55Sr0.45MnO3

SGI

104

0

100

200

300

T (K)
R=Gd: Magnetic field-induced
CO-FM transition in 7 T

Ferromagnetic metal
6

① Gd0.55Sr0.45MnO3の時間分解測光： 反射率変化
1
Gd0.55Sr0.45MnO3pump: 800 nm, 5 K～9 mJ/cm2

0.5 0.5 eV

ΔR/R

0.6 eV
0.7 eV
0.8 eV
0.9 eV
1.0 eV
1.1 eV
1.2 eV0

2.1 eV
2.0 eV
1.9 eV

1.8 eV
1.7 eV-0.2 1.6 eV
1.5 eV
1.4 eV
1.3 eV-0.4-2

VIS
0

2

4

t (ps)★すべての波長においてに緩和す
る高速成分 と その後変化しない
フラット成分

0

NIR

-2

ΔR/R

0.12 eV
0.14 eV
0.26eV0.3 eV
0.4 eV

MIR

0.2

0

2

4

★ΔR/R の符号は～0.7eV と～
1.9eVで変化する

t (ps)
7

Spectra of ΔR/R

R

1

(c)

Gd0.55Sr0.45MnO3
10K
photo excitation

0.5★ レーザパルス照射により 0.7 eV
以下の中赤外部が増大し、それより高エネルギー側が減少する⇒ 光誘起金属化の示唆

1
〜0 ps
1 ps
5 ps
20ps

ΔR/R

0.5

0
[R300K-R10K]/R10K

-0.5
0

1
Photon Energy (eV)

★ 1 ps後の反射率変化は少ない⇒ 高速成分＋フラット成分2★得られた光誘起状態のスペクト
ルは、測定温度と室温との差分ス
ペクトル[R(300K)－R(10K)]/R(10K)とは全く異なる⇒ 光誘起された相は高温相とは異なる
8

Analysis of time-profile
・Response:

高速成分

Flat成分

・Spectral function: 畳み込み （★） with pump & probe pulse (gaussian-type)

1
ΔR/R

0.8
0.6
0.4

★ The two components weredivided by the convolution fitting.

0.12 eV

0.2

ΔR/R

0

★高速成分の緩和のタイムスケー
ル…..τ１～280 fs @ 0.12 eV-0.1⇒ Ultrafast!

-0.2
1.3 eV-0.3

01
t (ps)

2

3

9

Power dependence in ΔR/R
Pr0.7Ca0.3MnO3系の閾値

ΔR/R around 0 ps

1
0.8

pump: 1.55 eVprobe: 0.12 eV★ ΔR/Rは、照射したレーザ
光の強度にほぼ比例して増大（入れた光分だけ変化）

total

0.6

★ 変化は～9mJ/cm2で飽和
fast component

0.4
flat component

0.2
00★damage threshold が高い（PCMO系では3-4 mJ/cm2）

2

4
6
8
2
Power density (mJ/cm )1010

光誘起状態の考察
The pumping light is exponentiallydiminished with z.

1[ the penetration length d～530Å]

The photo-induced domain also decays
with the power of the pump light.
crystalLinear combination of the initial and final states:

pump

εCO: dielectric constant of GdSrMnO3 (known)
εPIPT: dielectric constant of the photo-induced phase (unknown!)

ΔR/R は εPIPT（ =(nPIPT –i kPIPT)2)の関数として計算される。
（多層膜の複素フレネル係数の計算）
11

光誘起状態の誘電関数εPIPTの算出
Step1: Rexp=R(1+ΔR/R)
Step2: Kramers-Kronig analysis: Rexp⇒ Θexp
Step3: Solves Maxwell’s equation:
R=R(nPIPT,kPIPT), Θ=Θ(nPIPT,kPIPT)

Rexp =R(n,k)Θexp=Θ(n,k)
Nonlinear equationk
Reflectivity: RPIPT=@ 0.26 eV

10

8 R(n
,k)=
0.5
6

(nPIPT-1)2+ kPIPT2

4(nPIPT+1)2+ kPIPT2

2

Optical conductivity : σPIPT =ωImεPIPT/4π

Θ

Numerical solution: (nPIPT, kPIPT)
only one solution!

(n
,k)
=0
.1

Contour plot of R(n,k)/Θ(n,k)=const.

Solution

0
0

2

4

n

6

8

10

12

光誘起相の電子状態…….光学伝導度スペクトル⇒光学伝導度（光吸収）スペクトル : σPIPT =ωImεPIPT/4π

photo-excitation
around 0 ps

linear σ(ω)
at 10 K

2
10K
50K
100K
105K
110K
130K

–1

–1

Optical Conductivity (10 Ω cm )

1000

σ（0）

00

130K
10K

3

Optical Conductivity (Ω-1cm-1)

2000

E//ab
1

290K

Gd0.55Sr0.45MnO3

E//c
0

1
Photon Energy (eV)2

Photo-induced Ultrafast FM phase2
Energy (eV)4

T. Ishikawa et al., PRB

13

Summary
電荷整列絶縁体マンガン酸化物 Gd0.55Sr0.45MnO3 に対して超高速分光を行った。

★反射分光の結果：
・反射率スペクトルの瞬間的（パルス幅以内）変化
・スペクトルの形状の変化：絶縁体的⇒強磁性金属的・緩和の時間スケール ～240 fs, at 0.12 eV★カー回転測定の結果：
・光照射により正のカー回転角⇒強磁性ドメインの生成・ ΔΘは～１psかけて増大し、 ～10psかけて減衰
マンガン系の光誘起相転移⇒
光誘起強磁性ドメインの緩和 と ドメインが回転し磁場方向にそろう効果の二つの要因で説明可能
14

超高速反応する分子の核波束運動実時間観測と励起状態ポテンシャル曲面のトポロジー
田原太平（理化学研究所 田原分子分光研究室）

Observation of nuclear wavepacket motion in ultrafast chemical reactions
and the topology of the excited-state potential energy surfaces
Tahei Tahara
Molecular Spectroscopy Laboratory, RIKEN<Synopsis>Thanks to the advance of ultrafast lasers, we are now able to use sub-10-fs pulses in a variety of
femtosecond spectroscopy. This kind of short optical pulse can excite bunch of vibrational eigen states
coherently, and the evolution of the vibrational coherent state induces real-time nuclear motion ofmolecules (nuclear wavepacket motion). Creation and observation of the nuclear wavepacket motion
is one of the most important aspects of femtosecond spectroscopy and is attracting much interest.
Especially, the observation of the wavepacket motion of short-lived excited states that undergo
ultrafast chemical reactions provide crucial information about the topology of the relevant potential
energy surfaces that is essential for understanding of realistic reaction coordinates of polyatomic
molecules.
＜本文＞
チタンサファイアレーザーの発明をはじめとする超高速レーザー技術の長足の進歩を背景にして、われわれは現在、10 fs をきる短い時間幅の光パルスを比較的自由に様々な実験に用いることができるようになっている。このような極短パルスを用いた分光実験の大きな特長の一つは、その広いエネルギー幅を利用して、一群の振動固有状態をコヒーレントに励起できることである。このようにコヒーレントに励起された状態は時間発展するが、これは古典的にいうところの分子の核の運動にほかならない。すなわち、極短パルスを用いたフェムト秒
分光では、一般的に、分子の核運動（振動）が直接、分光信号の時間変化として観測される。
振動分光学の立場にたつと、このような分子の核の運動（核波束運動）の実時間観測は、｢時間領域の振動分光 time-domain vibrational spectroscopy｣であると考えることできる。時間領域の振動分光は、原理的には、スペクトル測定を行う伝統的な振動数領域の振動分光
frequency-domain spectroscopy と等価な情報を与える。しかし、超高速反応する電子励起状態のように、極めて短い寿命しかもたない化学種の研究においてはきわめて強力であり、これによって、本質的に多次元である、多原子分子の反応性エネルギーポテンシャル曲面に関する貴重な情報を得ることができる。講演では、われわれが最近行った、1 ピコ秒、あるいはそれ以下の寿命しかもたない

反応する

電子励起状態の核波束運動の観測について述べ、そこから得られた多原子分子の反応座標に関する新しい知見について議論する。
参考文献
1. T. Tahara, S. Takeuchi, K. Ishii, J. Chin. Chem. Soc., 2006, 53, 181-189.
2. S. Fujiyoshi, S. Takeuchi, T. Tahara, J. Phys. Chem. A, 2003, 107, 494-500.
3. S. Takeuchi, T. Tahara, J. Chem. Phys., 2004, 120, 4768-4776.
4. S. Takeuchi, T. Tahara, J. Phys. Chem. A, 2005, 109, 10199 -10207.
5. K. Ishii, S. Takeuchi, T. Tahara, Chem. Phys. Lett., 2004, 398, 400-406.
6. S. Takeuchi, S. Ruhman, K Ishii, T. Tahara, Ultrafast Phenomena XV, in press.
7. S. Takeuchi, S. Ruhman, T. Tsuneda, M. Chiba, T. Taketsugu, T. Tahara, in preparation.
8. M. Iwamura, S. Takeuchi, T. Tahara, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 5248-5256.
9. M. Iwamura, H. Watanabe, K. Ishii, S. Takeuchi, T. Tahara, in preparation.

超高速反応する分子の核波束実時間観測と励起状態ポテンシャル曲面のトポロジー
Real-Time Observation of Nuclear Wavepacket Motion of
Reacting Molecules and Topology of Potential Energy Surfaces

Molecular Spectroscopy Laboratory, RIKEN
JAPANTahei TAHARA
ER研究会, Ｊｕｌｙ 9, 2007

1

The Band Width in Time and Energy

Δt·Δν≥R
1 ps

15 cm-1

100 fs150 cm-1

10 fs

1500 cm-1
for Gaussian2

Observation of Nuclear Wavepacket Motion

oscillatory feature

probe

pump
v=1

v=0

We can observe the wavepacket motion
using ultrashort laser pulses(time-domain vibrational spectroscopy)3Time-domain vs Frequency domain
Heterodyned Impulsive Stimulated Raman of CCl4

Matsuo and Tahara, CPL, 264, 636(1997)

time

4

Time-domain vs Frequency domain
Heterodyned Impulsive Stimulated Raman of CCl4

Matsuo and Tahara, CPL, 264, 636(1997)

Time-domain vibrational data is equivalent to frequency-domain data.
They are converted to each other by Fourier transformation.
5

Why Time-Domain Measurement?

Time-domain vibrational spectroscopy
is very powerfulto study excited-state molecules,
especially when
they have only very short lifetimes.
We can get insight about
reactive potential energy surfaces,
which are not simply harmonic!
6

Energy

Ultrafast reactions are weird special problems?

S1hν

Product

S0
Reactant

Nuclear Coordinate
7

Nuclear Wavepacket Motion of Potential Energy Surface
Photodissociation
Diphenylcyclopropenone

Excited-State Proton Transfer
10-Hydrobenzoquinoline

O

O

hν

Photoisomerization
cis-Stilbene

N
H

hν

hν
O

N
H

parallelassistperpendicular

8

Observation of nuclear wavepacket motionof“reacting” short-lived excited states
Photoisomerization of cis-stilbene
Photo-induced structural change ofbis(2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline)copper (I)9Photoisomerizationof cis-stilbene

Stilbene:
A Fundamental Molecule in Organic Photochemistry10Performance
NOPA
Tunability
Pulse Duration
Pulse Energy
Rep. Rate

500 – 750 nm
10 – 15 fs
10 μJ
1 kHz

Two Color Pump-Probe Experiments
Pump
250 - 375 nm, 20 fs
Probe
500 - 750 nm, 10 - 15 fs
Time Resolution
30 fs
Sensivitity
0.03 mOD
11

Apparatus: Tunable Two-Color Pump-Probe Spectrometer based on NOPA

Tunability: Pump 250 - 375 nm

Riedle; Kobayashi; Cerullo & Silvestri

Probe 500 - 750 nm

Time-Resolution of UV-vis Two Color Pump-Probe: 30 - 40 fs (Cross Correlation)

12

Photoisomerization of Stilbene

13

Photoisomerization of Stilbene14ε (103 M-1 cm-1)

Absorption Spectra of cis-Stilbene

15

Observation of Pump-Induced Wavepacket Motion of S1 cis-Stilbene

Observation of wavepacket motion
through Sn ← S1 absorption
Creation of wavepacket motion

ΔT

Probe

Pump

16

Time-Resolved Absorption Signal of cis-Stilbene
pump 315 nm; probe 660 nm; 5x10-3 M

Oscillation (~240 cm-1)
Dephasing is much fasterthan isomerization.

S1 lifetime :1.25 ps

17

Time-Resolved Absorption of cis-Stilbene
The isomerization rate significantly
depends on the solvent.
The observed wavepacket motion
is not directly correlated to
the reaction coordinate.

18Decay of Vibrational Coherence of S1 cis-Stilbene

The wavepacket motion is insensitive to the change of solvent.
19

Wavepacket Motion in Photoisomerization of cis-Stilbene

Initial Wavepacket Motion

IVR

The observed wavepacket
motion is“perpendicular”
to the reaction coordinate.

Isomerization Coordinate

20

Pump-Induced Wavepacket Motion in S1 cis-Stilbene

S1 potential

A curvature of S1 potentialthat determines the wavepacket
motion observed

Dumping time ~ 200 fs:
Time window for the wavepacket
motion to monitor the S1 potential

Fast dumping indicates highanharmonicity of the potential
21

Observation of Raman-Induced Wavepacket Motion
in S1 cis-Stilbene
Creation of wavepacket motion

Observation of wavepacket motion
through Sn ← S1 absorption

Probe 1

Probe 2ΔT
td

Time-domain Raman
Measurements

Pump
Generation of S1 population

22

Observation of Raman-Induced Wavepacket Motion
in S1 cis-Stilbene
pump 267 nm, 170 fs; probe1 & 2 620 nm, 11 fs
0.02 mol dm-3 in hexadecaneprobe1ΔA (a.u.)probe1probe1Sn← S1 abs
pump – probe2

ΔΔA (mO.D.)

ΔT = 2.0 ps
ΔT = 1.2 ps

ΔT = 0.3 ps23

Mutlidimensional S1 Potential of S1 cis-Stilbene

The coordinate of the observed nuclear
wavepacket motion, Qi, is anharmonicallycoupled with another coordinate, Qs.

∂ ⎛ ∂ 2V ⎞ ∂ kQi
⎜
⎟=
2 ⎟
⎜
∂QS ⎝ ∂Qi ⎠ ∂QS

is significant.

The vibrational coordinate of
the wavepacket motion observed

The nuclear coordinate
close to the reaction coordinate

24

Photoinduced Structural Chage(Jahn-Teller Distortion)of Cu complex

Bis(2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline)copper (I):A Fundamental Molecule in Inorganic Photochemistry25

Bis(2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline)copper (I):
Flattening distortion takes place.

D
D2d
2

[Cu(I)(dmphen)2]+
degeneraged☺ Promising as the photocatalyst
and photosensitizer in solar
energy conversion☺ Candidate for molecular switch☺ Real-time observation of
Jahn-Teller Distortion

dxz ,dyzπ∗
MLCT
excitation

dxydz2
dx2-y2
Metal Orbital

Ligand Orbital
26

Femtosecond Time-Resolved Fluorescence Spectra

Iwamura, Takeuchi, Tahara, JACS, 129, 5248 (2007).

isoemissive point

0.3 ~ 1 ps

27

Fluorescence Spectral Change Corresponding to Flattening Distortion

A gradual spectral shift is expected.

S1

hν
S0
Q
0
28

Fluorescence Spectral Change Corresponding to Flattening Distortion

The data suggests “a hollow” on the S1 potential
at the perpendicular configuration.
isoemissive point

S1

S0
Q
0
29

A Realistic Potential Curve of the Jahn-Teller Distortion

1B (S )
2
2

45 fs
Flattening Distortion
660 fs1A (S )
2
1

D2d

(1B1)

D2

7.4 psT1

Hollow ?

hν

IfIfthere
thereisisaaboundboundstate,state,
we
weshould
shouldobserve
observevibrations.
vibrations.

S090°dihedral angle
30

Ultrafast Pump-Probe Signal of [Cu(dmphen)2]+
pump 550 nm; probe 650 nm; 7x10-2 M in dichloromethane

1B
2

1A
2

31

Ultrafast Dynamics of Photo-Induced Flattening of [Cu(dmphen)2]+

D2d

D2

660 fsS1 (1A2)

Flattening distortion (b1)

A hollow on the S1 potential

S0
90°

θ
32

What do I expect for femtosecond X-ray?

Direct Information on Structural Change
Pulse width > 100 fs (or 1 ps )Structural Information of Short-Lived Transients
Pulse width < 100 fs (or 1 ps )Direct Observation on Coherent Motion

Seeing what we could not see before
creates new science.
33

Collaborators
Molecular Spectroscopy Laboratory, RIKEN
Satoshi TAKEUCHI
Shoichi YAMAGUCHI
Kunihiko ISHIIHaruko HOSOI
Kentaro SEKIGUCHI
Munetaka IWAMURA
Hidekazu WATANABE
Takumi NAKAMURA
Satoshi NIHONYANAGI
Sobhan SEN
Pratik SEN
Prof. Sanford RUHMAN(Hebrew Univ.)
Akiko ZUSHI

Members, April 2007
34

総合討論
－コンパクトＥＲＬが拓く世界－1コンパクトＥＲＬが目指すもの
ＥＲＬの特徴：高輝度、短パルス性、高い繰り返し周波数

現・東カウンタホール

１）レーザーコンプトンＸ線源

コンパクトＥＲＬ
60~200MeV
0.01~100mA

微小焦点Ｘ線光源（病院に入る医学Ｘ線屈折イメージング光源）
短パルスＸ線源（フェムト秒サイエンス）
２）テラヘルツ領域のCSRの利用研究
従来光源より７～８桁強い干渉性光源

第１段階：低電流運転でも可能なレーザーコンプトンを用いたＸ線イメージング研究、フェム
ト秒サイエンスを展開。（レーザーのタイミング系の開発を含む）
第２段階：数１０mA電流の運転を実現し、テラヘルツ光源を用いたサイエンスを展開。
第３段階：エネルギー増強（~200MeV)により、高輝度短パルスＶＵＶ光源を用いたサイエンスを展開。
実機ＥＲＬ（5GeVクラス）の要素技術の取得、実験測定技術の取得 ⇒ 実機の実現へ

2

本研究会の目的• コンパクトＥＲＬの技術的な可能性（加速器技術として）は？
• ＴＨｚ領域のＣＳＲで展開可能となる応用研究は？
• レーザー･コンプトン散乱によって展開可能となる応用研究は？
１）Ｘ線イメージング（微小光源を利用した）
２）サブピコ秒のＸ線パルスを用いた応用研究3コンパクトＥＲＬの技術的な可能性は？ （加速器技術として）• ＴＨＺ光源（ＣＳＲ）
原理的に可能ただし以下のような点を考慮する必要あり。
○0.1 psのバンチ圧縮は400pC程度のチャージ量が現時点の最適化での限界。
○加速エネルギーが高いほど良い。
○CSR取り出しのミラー等の真空ダクト内の設計は注意が必要。

• レーザー逆コンプトン散乱Ｘ線源
すでに多くの常伝導加速器を用いての実績があり、超伝導加速器での高繰り返しは実用強度を得る有力な手法。
○電子ビーム（電子銃ドライブレーザー）と衝突レーザーの同期を確実に取ることが必須。
○電子ビームの高品位化だけではなく。レーザーの高強度化（エンハンスメント･キャビティー）が有効。ただしこの技術は100MHz以上の繰り返しが必要でイメージングにのみ有効。
○サブピコ秒時間分解の場合には10kHz程度のパルス周波数が最適。この場合どうするか？

上記の加速器技術として高輝度性、短パルス性、高繰り返し性がどの程度必要か整理する必要あり。

4

ＴＨｚ領域のＣＳＲで展開可能となる応用研究は？
• 情報通信、バイオサイエンスのプラットホーム• 励起光としての展開（ポンプ･プローブ実験としての励起光源）• 半導体のプロセス技術光源（不純物拡散の制御）の可能性• 分子振動、回転モードの測定による物質科学、材料
化学の展開

新しいアイデアによる非線形光学を用いたチェレ
ンコフ放射源（~10MW/cm2)との競合は？
5

レーザー･コンプトン散乱による応用研究は？
１）Ｘ線イメージング（微小光源を利用した）• 微小光源のため、屈折イメージング光源として十分な性能を有している。
• タルボ干渉計によって吸収率、屈折率の分離したイメージン
グを大強度で可能（良いマッチング）• コンパクト化による一般臨床用として医学イメージング装置としての期待および実現性が高い。
• 時間分解イメージングの可能性（タービン等の産業応用）

強度の更なる増大の可能性⇒エンハンス・キャ
ビティーの導入（100MHz以上）
6レーザー逆コンプトン散乱Ｘ線源の可能性
Flux = (NLNe/wh)(Leff/Lb)σc
電荷量
（nＣ）

繰り返し周波数
（Ｈｚ）

電流
（ｍＡ）

レーザーパ
ワー
(mJ/pulse)

フラックス
(光子/秒
/10%b.w.）

運転モード

0.1

1k

0.01

10

1x109

時間分解・モー
ド

0.1

1G

100

1x10-5

1x109

イメージング・モー
ド

0.1

1G

100

1X10-2

1x1012

110

1x10-5200～1x107

エンハンスメント・
キャビティー利用
AIST

繰り返し周波数 ｘ レーザーパワー （パルス） ＝一定、として評価

7

レーザー･コンプトン散乱による応用研究は？
２）サブピコ秒のＸ線パルスを用いた応用研究• 100ピコ秒から１００フェムト秒へ○コヒーレントフォノン（ＴＨｚ光源の励起状態の計測）○光誘起反応の初期過程の解明
強相関電子系物質材料
バイオマテリアル、溶液反応 etc.
レーザーコンプトン散乱の強度はどこまで上げられるか？
集光光学系は必須？
8コンパクトＥＲＬ実現に向けて• コンパクトＥＲＬで展開できるサイエンスを提案し、加速器開発とサイエンスを両輪にして進める。
○ユーザー・コミュニティーの形成のスターティング・ポイント○種々の予算獲得への原動力（２００８年度の学術創成等の外部資金獲得へ）

今後ともにご協力ください！

9

ERL 研究会「コンパクト ERL が拓く世界」の報告
放射光科学第二研究系 河田洋

放射光科学第二研究系 足立 伸一
放射光科学第二研究系 平野 馨一
放射光科学第一研究系 兵藤 一行
放射光源研究系 原田健太郎
分子科学研究所 極端紫外光研究施設 木村 真一
2007 年 7 月 9，10 日，KEK 4 号館 1 階セミナーホールにおいて標記研究会が開催された。
総勢 70 名の参加があり，盛況な研究会となった。現在，60〜200 MeV 程度の小型 ERL（コン
パクト ERL）を KEK つくばキャンパスの東カウンターホールに建設することが予定されており，その技術的可能性とそれが拓くサイエンスを明確にすることを目的として研究会が開催された。
コンパクト ERL の特長の一つは，テラヘルツ・遠赤外領域で大強度のコヒーレント放射光（CSR）が得られることである。また，レーザー逆コンプトン散乱を利用すれば微小光源でフェムト秒Ｘ線を発生させることができるため，Ｘ線イメージング研究や時間分解・ダイナミ
クス研究等にも大いに有用である。そこで研究会の構成を，光源，テラヘルツ CSR 利用研究，
イメージング研究，時間分解・ダイナミクス研究の四部構成とした。
最初の光源に関するセッションでは，CSR 及びレーザー逆コンプトン散乱による光を発生させる装置に関して講演が行われた。ユーザーにとって最も気がかりな光の強度については，
CSR の場合 E = 10 meV で約 1016 photons/sec/
mrad2/0.1%b.w.となること，レーザー逆コンプトン散乱では E = 43 keV のＸ線がパルス幅 0.3
ps で約 106 photons/pulse 得られることが示された。これは新しいサイエンスを拓くのに十分な強度であり，コンパクト ERL が原理実証機としてだけでなく利用研
究にも役立つことが確認された。
さらに，バンチ圧縮の可能性に関するシミュレーション結果，ATF
や産総研におけるレーザーコン
プトン散乱実験の現状等が紹介された。
次のセッションでは，テラヘル

ツ放射光利用研究の現状と，大強度テラヘルツ CSR によって可能となる利用研究に関する講演が行われた。まず現状について
は，テラヘルツ帯には様々な物
質の特徴的現象が存在すること，そのため工業・医療・バイオ・
農業・セキュリティ・情報通信等の広範な分野で利用研究が急速に進みつつあることが示され，聴衆の強い関心を集めた。また，
京大原子炉ライナックや原子力機構 ERL におけるテラヘルツ
CSR 研究の現状についても紹介された。次にコンパクト ERL によって得られる大強度テラヘ
ルツ CSR の利用研究については，近接場分光や半導体中不純物の拡散制御への応用，励起光としての利用等が提案された。
三番目のセッションでは，レーザー逆コンプトンＸ線源（LCX）によるＸ線イメージング研
究に関する講演が行われた。LCX では光源サイズは約 50 mm と小さくなり，光源点から 10 m
離れた地点におけるビームサイズは直径約 100 mm，ビーム強度は約 106 photons/sec/mm2 となる（E = 40 keV，繰り返し周波数 10 kHz の場合）。このことから LCX は伝搬ベースの位相
イメージングに適した光源であると言える。また，タルボ干渉計を用いた位相イメージング
は非常に柔軟性に富んだ強力な手法であり，LCX を含む従来型のＸ線発生装置にも適用可能である。将来的に LCX は病院設置型の小型装置へ発展する可能性があるが，臨床応用のためには被写体の立体的情報表示と機能評価イメージングが特に重要であるとの指摘がなされた。
最後のセッションでは，LCX からのフェムト秒Ｘ線を利用した時間分解・ダイナミクス分野の利用研究の可能性について講演が行われた。まず，100 ピコ秒分解能のＸ線研究の現状について，衝撃波圧縮，光誘起相転移，溶液反応，タンパク質構造解析の 4 つの例が紹介された。続いてフェムト秒レーザーとレーザープラズマＸ線を組み合わせたコヒーレントフォノ
ンの観測例，ペロブスカイト型マンガン酸化物における光誘起強磁性金属相転移，溶液反応のフェムトケミストリーの最先端等が相次いで報告され，この分野の著しい発展ぶりを聴衆に印象づけた。
研究会最後の総合討論では，研究会提案代表者である河田が全体のまとめを行い，聴衆にコンパクト ERL 計画への協力を呼びかけて研究会を終了した。以下にプログラムを記す。尚，研究会での講演要旨，発表スライドについては以下のサイトを参照。
http://pfwww.kek.jp/pf‑seminar/ERL/ERL̲07July.html

参加者リスト（敬称略・あいうえお順）
氏名所属朝倉 大輔 KEK PF
芦田 昌明 阪大院基礎工
足立 伸一 KEK PF
飯田 厚夫 KEK PF
池浦 広美 産総研
市川 広彦 KEK PF
一柳 光平 KEK PF
伊藤 功 東大物性研
伊藤 健二 KEK PF
岩住 俊明 KEK PF
梅森 健成 KEK PF
浦川 順治 KEK・加速器
岡村 英一 神戸大理
沖本 洋一 東工大理工
春日 俊夫 KEK PF
川合 將義 KEK 加速器研究施設
河田 洋 KEK PF
菊澤 信宏 原研機構
菊谷 英司 KEK 加速器研究施設
木村 真一 分子研栗木 雅夫 KEK 加速器研究施設
黒田隆之助 KEK 加速器研究施設
小池 正記 産総研
小出 常晴 KEK PF
腰原 伸也 東工大フロンティア創造共同研究セ小林 幸則 KEK PF
小林 洋平 産総研
酒井 俊 筑波大人間総合科学
阪井 寛志 東大物性研
酒井 文雄 住友重機械
櫻井 浩 群馬大工
佐藤 篤志 東工大
佐藤康太郎 KEK 加速器研究施設
沢村 勝 原研機構
篠原 邦夫 高輝度光科学研究セ

氏名所属
島田 美帆 分子研下村 理 KEK 物構研
白井 光雲 阪大産業科学研究所
杉山 弘 KEK PF
清 紀弘 産総研
大門 正博 KEK PF
高橋 俊晴 京大原子炉武田 佳彦 東大院新領域創成科学
竹中 久貴 NTTアドバンステクノロジー（株）
田崎 遼子 KEK PF
田中耕一郎 京大院理田原 太平 理研
斗内 政吉 阪大レーザーエネルギー学研究セ
富田 文菜 東工大
虎谷 秀穂 リガク X線研究所
永井 良治 原研機構
永園 充 理研推進本部
中村 一隆 東工大応用セラミックス研
中村 典雄 大学物性研
並河 一道 東京学芸大教育部
難波 孝夫 神戸大院理西森 信行 原研機構
野澤 俊介 KEK PF
野村 昌治 KEK PF
羽島 良一 原研機構
原田健太郎 KEK PF
原田 仁平 リガク
東 保男 KEK 機械工学センター
兵藤 一行 KEK PF
平野 馨一 KEK PF
藤澤 正美 東大物性研
松下 正 KEK PF
百生 敦 東大院新領域創成科学
矢橋 牧名 理研
若槻 壮市 KEK PF