Oct. 2009

高輝度光子ビーム源開発室
ニュース
Quantum Beam Technology Program supported by MEXT

2Vol.

高輝度光子ビーム源開発拠点：S-band 新 Photocathode RF Gun, 3m long S-band Accelerator,Optical Super-Cavity で構成された LUCX (Laser Undulator Compact X-ray source)。この装置を使って、10µC, 5MeV 電子ビームと 10mJ laser pulse の逆 Compton 軟Ｘ線生成実験の許可申請を次年度行い、2011 年度中に実用的な軟Ｘ線生成を実証する。これによってレーザー電子ビーム衝突技術を確立した後、最終実験に必要な設備を超伝導加速器試験施設 (STF) に構築して、2012 年に STF で応用上有用な硬Ｘ線生成実験を行う。

高輝度光子ビーム源開発室ニュース

高輝度光子ビーム源開発室ニュース Vol.2 をおた、レーザー蓄積共振器開発キックオフミーテ

送り致します。Quarterly 2 として出版しているィングの状況報告を広島大学高橋徹氏にお願いものです。高輝度光子ビーム源開発室ニュースとしました。ニュース Vol.3 の記事として、最新の呼ぶ方が親しみ易いと貴重な意見を頂きましたの

Yb fiber laser 増幅を利用した実用化の話と 9-cellで、今後 Quarterly の用語は使いません。ニューSuper Conducting Cavity 開発報告を担当者におス Vol.2 の内容として、新しいレーザー蓄積法の願い致しました。ご期待下さい。

解説を KEK の本田洋介氏にお願いしました。ま

■発振型共振器による高効率レーザー蓄積装置
本プロジェクトではレーザーコンプトン方式のわれてしまう。共鳴条件を機械的に制御し、レー小型 X 線発生装置を開発している。この装置のザー蓄積状態を維持するために、共振器鏡をピエ性能を議論するうえで、発生する X 線の強度はゾ駆動にして高度なフィードバック制御を行うこ最も重要な指標であるが、これにはレーザー標的とが必要とされる。現状ではこの制御技術の精度の強度が何よりも重要な因子である。本プロジェが安定に使用できる共振器の限界を決めており、クトではレーザー蓄積装置と呼ぶ光共振器を利用実用では増大率 1000 程度に留まっている。一方することで、レーザー発生装置から出力された光で高反射率低損失鏡は反射率 99.99% を超えるもを共振器内部で実効的に増大して、目的の高強度のが製作可能であることから、制御技術の問題をレーザー標的を実現する計画である。

解決できれば増大率 10000 を超える蓄積装置も従来から利用されてきたレーザー蓄積装置は図実用化の見込みがでてくる。

1 のような構成のものである。レーザー発振器かレーザー光源と外部共振器を一体化し、図 2らの出力をその外部に置かれた光共振器に入射すに示す装置構成を新たに考案した。レーザー蓄積る。光共振器とは複数の鏡で閉じた光路を構成し共振器を共鳴、通過したレーザー光を種光としてたもので、ここに入ってきた光を閉じ込める。共レーザー増幅部に再入力し誘導放出により増幅し振器内部の光に位相を揃えて入射を続けると、共た後、共振器に再入射する構成である。増幅部で振器は共鳴状態になり入射光よりはるかに高強度のゲインが共振器部を含めた周回のロスを上回れのレーザー光が実現できる。共鳴は定在波の条件、ば、系は発振回路となって自動的にレーザー光が即ち共振器の周長が波長の整数倍に合致する条件光路を周回しつづけることになる。発振は増幅器でのみ起こり、その共鳴幅は共振器鏡の反射率での自然放出光ノイズから始まり、ノイズ光のうち決まる。高反射率で低損失の共振器鏡を使用する

たまたま共振器の共鳴幅に受け入れられたスペク程、高増大率にできるが、一方で共鳴幅は狭くなトル成分が共振器を通過する。それが以降の種光る。例えば増大率 1000 の共振器では、共鳴幅はとなって周回の中で増幅されていき、最終的には共振器鏡の位置精度にしてサブナノメートルにな増幅器を励起する全エネルギーは全てこの成分にり、振動などの環境の擾乱で簡単に共鳴状態が失集約され、増幅部が飽和するところで系は定常状

図１ ： 従来の蓄積装置の構成2高輝度光子ビーム源開発室ニュース

図２ ： 周回発振型光蓄積装置態になる。このとき蓄積共振器内部にはその共振バ増幅器を用いることにし、同時に周回部の構成器鏡の反射率によって定まる増大率に相当する強要素もファイバ光学系を使用することで光路の調度のレーザー光が実現されることになる。

整を簡便にできる。

共振器部と増幅部が全体で一体となってレーザ

この新方式の周回発振型光蓄積装置について、ー発振器を構成する点が従来方式と異なる。従来

低出力での原理実証試験を行った。増幅部はコ方式では振動等によって共鳴条件が外れるのをフア励起の Yb 添加シングルモードファイバを最大ィードバック制御技術によって無理矢理に維持し500mW のレーザーダイオードにより励起して使ていたのに対し、この方式では発振のメカニズム用した。周回光路の一部のパワーをサンプルしモ自体が自動的に共鳴条件を追従することになる。

ニターしながら励起光の強度を上げていった。図

共振器の共鳴条件が変化したとしても、それにあ3 にその結果を示す。励起光の強度がある値を超わせた波長の光でレーザー発振が始まるため、人えると自発的に光の周回が始まり、励起光強度を為的なフィードバックを必要としないのが利点で上げるにつれ周回光強度が上がっていくことを示ある。このため、従来の方式では安定に制御できしている。この状態で共振器部を赤外線ビューアなかった高増大率の共振器を組み込んで使用するにより観察すると、高強度のレーザー光が蓄積さことも可能になる。レーザー増幅部は共振器部をれている様子が図 4 のように観測される。ここ含む周回のロスを補う必要があるため、単一パス

では反射率 99.99% の共振器鏡を使用した増大率でも十分な増幅率を得られるものを必要とする。

20000 の共振器を用いており、共振器内部ではこのような用途には最適と考えられる Yb ファイ

440W が蓄積されていると見積もられる。以上の試験により、新方式の原理を確認することができた。共振器の制御が不要であるために、レーザー

図３ ： 励起 LD の電流と発振強度

図４ ： IR ビューアで見た蓄積光3高輝度光子ビーム源開発室ニュース

増幅部の出力は低くとも超高増大率の共振器を利超えて、より効率的に高強度レーザー標的が実現用して効率的に高強度に達することが可能である。

できる可能性が示された。本プロジェクトにおい超高増大率の共振器を使用した際に細かい強度ては、特に連続運転加速器と組み合わせて使用す変動が生じており、今後改良が必要である。発振る際、高増大率のレーザー蓄積装置の要求が高いが定常状態に達するまでの時定数と環境の振動の為、新方式が魅力的であろう。

大きさの関係により変動量はきまると考えられ、周回発振型共振器の技術を高効率の高調波発生共振器の構造を強化して解決できると思われる。に応用することも可能である。高調波発生は非線今後は、高出力のファイバ増幅器を用いてより高形現象なので、基本波が高強度であるほど効率が強度での試験を行いたい。また、発振をモードロよくなる。共振器を用いて増大した箇所に変換結ックパルス化出来れば、同じ平均出力でもはるか晶を配置する図 5 のような構成にすれば、もともに高いピーク強度が得られるので魅力的である。との基本波の出力が低くとも高効率に 2 倍波を発パルス化は、系一周の光路長を共振器部の光路長生することが可能になる。理想的な状況で、系のの整数倍に一致させたうえで、何らかの変調をか損失は 2 倍高調波発生によるものが支配的であけることで可能ではないかと考えられる。どのよるとき、レーザー発振のために導入したパワーがうに微調整を行ってパルス化を実現させるか、こ全て 2 倍高調波として取り出されることになる。

れからの開発課題である。

このアイデアは、例えば ERL 電子銃のドライブ

以上により、新しく提案した周回発振型のレレーザーなど、連続的に 2 倍高調波が必要で発生ーザー蓄積装置の構成により、制御技術の限界を効率が問題になる場合に有用になると思われる。

図５ ： 高調波発生に応用■小型高輝度光子源のためのレーザー蓄積共振器の開発キック
オフミーティング
去 る 2009 年 6 月 16 日 に 広 島 大 学 に お い て，高輝度光子源のためには，高強度かつ高繰り返標記のミーティングを行った。レーザー・電子散

しのパルスレーザーが必須となる。小型光子源開乱による光子生成は，放射光を用いる方法に比べ発では，レーザーパルスを光共振器中に蓄積し，て低いエネルギーの電子で X 線やガンマ線生成その強度を増大させることを計画している。レーが可能であり，加速器施設を小型化できる。そのザーと電子の散乱効率を向上させるためには，レ一方，高輝度の光子源を構築するために，レーザーザーの強度を上げるとともに，レーザーを電子ーと電子線の強度をあげることが課題である。との交差点において，強く集光することが必要と

4

高輝度光子ビーム源開発室ニュース

図１ ： 2 枚の鏡を使ったレーザー蓄積共振器を用いたレーザーコンプトン散乱の概念

図２ ： 2 次元に鏡を配置した 4 鏡型レーザー蓄積共振器の概念図なる。したがって光共振器には，レーザーパルス一方，光共振器をもちいたレーザー電子散乱方の高い蓄積とともに，レーザー光をその内部で集式の光子生成は，本プロジェクトの発足以前から，光できることが求められる。レーザー蓄積共振器

偏極ガンマ線生成や高輝度Ｘ線源を目指した研究のもっとも簡単な構成は，図１に示すような 2 枚開発が行われているが，4 鏡リング共振器はそれの鏡を向かい合わせた，ファブリ・ぺロー型と呼らに共通する研究開発項目となっている。このよばれる構成である。

うな状況から，KEK，広島大学，早稲田大学の共しかし，この単純な構成では，レーザーの高蓄同で 4 鏡リング共振器の開発を進めることにな積と集光を同時に達成することが困難であることり，第一回の全体会合を広島大学にて開催した。

が知られている。この問題を克服する方法として，すでに昨年から，4 鏡共振器の基本特性につい4 枚の鏡を用いたリング型の共振器がある。図２て研究が進められてきたが，そのなかで，4 つは，4 鏡共振器の構成例であり，2 枚の球面鏡との鏡を 3 次元的に配置すると光共振器に蓄積さ2 枚の平面鏡を組み合わせてレーザーの高倍率のれるレーザーの偏極状態について特徴的な性質蓄積と集光を達成する。

があることが KEK の本田洋介氏らによって見いだされた。すなわち，4 鏡 3 次元共振器は，レーザーの円偏光状態にのみ共鳴し，且つ，右偏光，左偏光が共振器の長さの違いにより分離して共鳴するのである。本稿では省略するが，この状況の物理的な背景は本田氏らによって Optics
Communications 誌に公表されている。円偏光したレーザーと電子の散乱によって生じた X 線やガンマ線もその偏光状態を引き継ぐため，この性質を利用すると，円偏光した X 線やガンマ線を生成でき，かつ，左右偏光状態を簡単に（すなわ

図３ ： 3 次元に鏡を配置した 4 鏡レーザー蓄積共振器の概念図

ち高速で）変えることができる。このように 4 鏡
3 次元共振器はレーザーの高蓄積と集光を同時達

5高輝度光子ビーム源開発室ニュース成する方法であることに加えて，円偏光状態の X子といのは，光学でいう，λ /4 波長板の役目を線やガンマ線の生成に非常に有効であることが分し，直性偏光を円偏光Ｘ線に変換する。講演ではかった。

Spring-8 における装置の実例が紹介された。ここ前置きが長くなったが，このようなことから，では，5.6 ～ 13.7keV の円偏光硬Ｘ線を試料に加4 鏡 3 次元レーザー共振器の開発を目指した第一える磁場，温度，圧力を変化させながら測定する

回会合では，我々自身が円偏光Ｘ線の開発だけで装置が構築されている。

なくその応用についても学ぶことによって，開発このような物性研究の材料科学への応用も紹介の動機付けと発展の契機にすることを目的に，円された。2007 年のノーベル物理学賞受賞対象と偏光Ｘ線を用いた物性研究の専門家を招いてそのなった，巨大磁気抵抗効果の発見がスピントロニ研究について話を伺うとともに，Ｘ線源に対するクスの始まりと言われたことは記憶に新しいが，応用の観点からの要求について討論した。筆者は

円偏光Ｘ線による磁性研究はスピントロニクスと物性研究については素人であるが，理解できる範深く関連している。いまのところ，スピン（すな囲でその時の内容と雰囲気を伝えてみたい。

わち磁化の方向）は磁場で操作しているが，これを電場で操作することができればその速度が向上

ミーティングでは，本プロジェクトの責任者でする。そのために，強磁性と強誘電性を併せ持っある KEK の浦川順治氏による，小型高輝度光子た Multiferroics 物質が注目を集めている。偏光 X

源開発の概要の説明の後，広島大学の圓山裕氏に線は，直線偏光→誘電性，円偏光→磁性というよよる「偏光 X 線を用いた物性研究」についてのうに，Multiferroics の研究への応用性をもったプ解説があった。

ローブである。

圓山氏の講演は，有名なランダウ・リフシッツの教科書にある，磁気モーメントと電気モーメン

続いて広島大学の平谷篤也氏による「宇宙の分トの空間反転，荷電共役反転，時間反転に対する子進化と軟 X 線～アミノ酸の不斉化反応～」と性質の違いの紹介から始まった。この話は素粒子題した講演が行われた。DNA が右巻きの二重螺物理学を専門とするものにとってはなじみの深い旋構造をもっていることはよくしられている。ア

ものであり，冒頭から粒子物理学と物性物理の垣

ミノ酸には L 体，D 体という互いに鏡像の関係に根を低くするような氏の配慮が感じられた。一般ある 2 種類があるが，自然界のアミノ酸はすべてに，直線偏光した X 線は電気モーメント，すなわL 体である。

ち誘電分極に反応する。一方円偏光 X 線はスピン

これは生命体において左右対称性が破れているや軌道角運動量などの磁気モーメントに反応し，ということである 。しかし，我々の知っている物質の磁性に関する情報を調べるのに有用であ物質の基本相互作用は，弱い相互作用による小さる。実際の測定では，Ｘ線の左右偏光を変えたり，な効果を除いて左右を区別しない。特に，化学反物質に外から印可する磁場の方向を反転させた際応の元である電磁相互作用は，完全に左右対称でのＸ線の物質による散乱の変化，Ｘ線磁気円二色性（X-ray Magnetic Circular Dichroism = XMCD）
や，Ｘ線の直線偏光を変えた際の散乱の変化，Ｘ線二色性（X-ray Linear Dichroism = XLD）を測定し，そこから物質の磁性や誘電体情報を得る。講演で示されたＸ線の散乱断面積の表式は複雑だったが，散乱に対する，Ｘ線の偏光ベクトルや，物質の磁化ベクトルの外積や内積に依存する項を，実験から導くという手法は，素粒子実験でもよく

図４ ： L 体， D 体アミノ酸の鏡像関係（平谷氏のスライドより引用）使われており，共通性を感じた。研究に必要な偏光Ｘ線は放射光からの直線偏光Ｘ線からダイヤモンド移相子を使って得ている。ダイヤモンド移相

61

鏡像というのは文字通り鏡に映した像である。元の像と鏡に映った像は左右が入れ替わっている。

高輝度光子ビーム源開発室ニュースある。しかし現実に生命体は左右非対称であるので，自然界でアミノ酸が生成された過程において，何らかの理由で「L 体だけが生成された」，または「等量生成された後に L 体だけが生き残るような不斉化反応が起きた」はずである。また，太陽系の創生期に由来するマーチンソン隕石でも L 体アミノ酸が過剰であることから，その起源を宇宙にあるという説がある。平谷氏の講演は，現在我々が観測している L 体過剰状態の起源を，宇宙におけるアミノ酸と円偏光 X 線の反応に求める壮大な話である。
ところで，L 体過剰な状態を創り出すには；● L 体，D 体アミノ酸が光吸収過程で右偏光，左偏光に違いがあること。
自然円二色性図５ ： パルサーによる円偏光放射の概念図 （平谷氏のスライドより引用）(Natural Circular Dichroism=(N)CD)●宇宙に円偏光放射光源があること。

達する見込みであることが報告された。その感度が必要である。

は 0.01% に達している。これは，ロックインア

よく知られているように，螺旋運動する電子かンプ等を用いて左右の吸収差を高感度に測定する

らは円偏光した光が放射される。加速器の螺旋挿交流法（偏光変調法）で真空紫外領域に適用でき入光源（ヘリカルアンジュレータ）もその原理でる装置の開発による。一方，軟Ｘ線領域の測定はある。宇宙においては，高速で回転する中性子星，Spring-8 で行われた。図６は 2005 年に公表されすなわちパルサーが円偏光光源となると言われてた世界初の軟Ｘ線によるアミノ酸 CD の測定結果いる。図５はその様子を模式的に表したものであである。

る。

CD の強度はおよそ 0.2% と報告されている。

さらに，不斉化を起こすためには，光源が軟Ｘ線では，真空紫外のような交流法が開発さ●単色または，擬似的単色性をもつこと。

れておらず，ヘリカルアンジュレーターによるが必要となる。軟Ｘ線領域では，CO 分子などに0.1Hz 程度の偏光切り替えによって，偏光によるより特定の波長の X 線が吸収される。ノッチフ違いを測定した。そのために感度は 0.1% と交流ィルター効果が期待できる。軟Ｘ線は可視や紫外法を用いた真空紫外領域より一桁悪い値である。

光に比べ，星間雲の内部にまで進入できるなど，またアミノ酸の CD 値の値そのものが小さいた

Ｌ体過剰の起源となる可能生がある。一方，軟Ｘめ，試料以外からくる偽 CD 信号の排除，線二色線とアミノ酸の反応はまだ十分に調べられておら性の評価と分離，入射光の偏光度の測定などを慎ず，この仮定の検証には円偏光軟Ｘ線とアミノ酸重に行う必要があるが，田中氏らの最近の研究での反応の研究の進展が不可欠である。

はさらに精度を向上させており，優位な CD 値を平谷氏の話を受けて，産業技術総合研究所の田得ているようである。

中真人氏による，「軟 X 線領域におけるアミノ酸円二色性スペクトルの測定」についての講演が田中氏は最後に偏光Ｘ線に対する要求を示し行われた。これは，L 体，D 体アミノ酸の円偏光た。以下にその要求と本プロジェクトが目指すＸ

X 線に対する反応特性の違いを世界で始めて測定線源の特徴を示す。

した報告である。田中氏の講演ではまず，産業技1. 偏光切り替え：速い方が良いが数 Hz でも何と術総合研究所の放射光施設 TERAS において，世界最短波長の 75nm まで，真空紫外領域における CD 値測定がなされており，されに 40nm に到かなる→ 数 kHz で切り替え可能
2. 偏光度：測 定法があればキャリブレーション7できる。
→ 光 共振器原理および，コンプトン散乱の性質から偏光が決まってしまう。
3. エネルギー：吸収端に合わせる→ X 線の最高エネルギーはレーザーと電子のエネルギーと衝突角で高精度に決まる。
4. 安定度：測定中は安定→ 共振器の高精度制御で可能
5. 強度：強 すぎても試料を破壊する。分光後108 ～ 109/s 程度→ 本 プロジェクトの初期目標として適当な強度である。
6. ビームラインがたくさんあると良い→ 小型光子源としての本領が発揮できる。
このように，軟Ｘ線における CD 測定は生命の起源として科学的に興味があることはもちろん，本プロジェクトが目指す小型高輝度光子源の応用としても適しており，研究開発に力が入る話である。
以上，小型高輝度光子源のためのレーザー蓄積共振器の開発キックオフミーティングにおける，Ｘ線応用に関する話を簡単に報告した。今後もこのような機会を通じて我々自身がＸ線源のみでな

図６ ： 田中氏らによる軟Ｘ線によるＣＤ測定（Physica Scripta T115, 875, 2005）

く，その応用についても理解しプロジェクトの発展につながるように努力したい。

Acknowledgments

This News is supported by Quantum Beam Technology Program of the Ministry of Education,Science, Sports, Culture and Technology of Japan (MEXT).

量子ビーム基盤技術開発プログラム（2008-2012 年度）
Quantum Beam Technology Program supported by MEXT

次世代ビーム技術開発課題「超伝導加速による次世代小型高輝度光子ビーム源の開発」（拠点責任者：浦川順治）

Development for Next Generation Compact High Brightness X-ray Source using Super Conducting RF Acceleration Technique
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (KEK)High Energy Accelerator Research Organization〒 305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

TEL 029(879)6248