Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SAP014

蓄積リングレーザ Compton 散乱ガンマ線による利用研究
APPLICATION STUDY BY LASER COMPTON SCATTERING GAMMA-RAY SOURCEON STORAGE RING
宮本 修治#, A)，天野 壯 A)，橋本 智 A)，武元 亮頼 A)，山口 将志 A)，小高 拓也 A), 南山 康人 A), 寺澤 倫孝 A)坂井 信彦 A)，小泉 昭久 B)，宇都宮 弘章 C)，山県 民穂 C)，秋宗 秀俊 C)，嶋 達志 D)，高久 圭二 D)，早川 岳人 E)，静間 俊行 E)，李 大治 F)，井澤 靖和 F)，堀 史説 G)，岩瀬 彰宏 G)
浅野 芳裕 H)，大熊 春夫 I)
Shuji Miyamoto#, A), Sho AmanoA), Satoshi HashimotoA), Akinori TakemotoA), Masashi YamaguchiA),Takuya KodakaA), Yasuto MinamiyamaA), Terasawa MichitakaA), Nobuhiko SakaiA), Akihisa KoizumiB), Hiroaki
UtsunomiyaC), Tamio YamagataC), Hidetoshi AkimuneC), Tatsushi ShimaD), Keiji TakahisaD), Takehito HayakawaE)
Toshiyuki ShizumaE), Dazhi LiF), Yasukazu IzawaF), Fuminobu HoriG), Akihiro IwaseG)
Yoshihiro AsanoH), Haruo OhkumaI)
A)
Laboratory of Advanced Science and Technplogy for Industry, University of HyogoB)
Graduate School of Material Science, University of HyogoC)Department of Physics, Konan UniversityD)
Research Center of Nuclear Physics, Osaka University, E)Japan Atomic Energy AgencyF)
Institute for Laser Technology, G) Graduate School of Engineering, Osaka Prefecture UniversityH)
RIKEN SPring-8 Center, I) Japan Synchrotron Radiation Research Institute

Abstract
Laser Compton scattering gamma-ray beam source has been developed at the NewSUBARU synchrotron light facility.
The available maximum Gamma-ray photon energy is 76 MeV. The flux of quasi-monochromatic gamma-ray photons(for 16.7 MeV, ∆E/E 5%) is more than 106 photons/sec using a 35 W Nd:YVO4 laser combined with the 1 GeV storage
electron beam with an intensity of 300 mA. We used the electron beams at 0.55 1.47 GeV for changing the energy ofquasi-monochromatic gamma-ray beam. Gamma-ray beams were used for application experiments, a nuclear physics
research, a nondestructive inspection of thick material, a generation of positron by pair creation, a magnetic Compton
scattering measurements, and a nuclear transmutation.
により、17-MeV 領域の γ 線ビームを発生し、鉛タ1. はじめにーゲットで、効率よく対生成陽電子を発生させた。
[1]
兵庫県立大学ニュースバル放射光施設 では、放 磁場で高速陽電子を切り出し非破壊検査試料に照射
射光利用研究と並行して、2005 年度より専用ガンマ し、対消滅ガンマ線スペクトルから、試料のボイド線ビームライン[2]を用いてレーザ・コンプトン散乱 欠陥を評価した。欠陥が多い疲労金属試料では欠陥(LCS)ガンマ線の発生試験と利用実験を行なってき が少ない試料に比べて、ガンマ線スペクトルが狭くた[3-14]。現在、放射光施設の運転・利用と同時に、 なることから、材料ボイド欠陥が評価できる。(3)1-MeV から 76-MeV の準単色ガンマ線を安定に発生 は、CO2 レーザーを用い、1/4 波長板でレーザの左でき、最大パワー0.33-mW のガンマ線ビームが利用 右円偏光を切り替えることにより、ガンマ線のスピ可能である。
このようなガンマ線ビーム源の利用研究を推進するために、(1)ガンマ線による蓄積電子ビームエネルギーの校正、(2)陽電子による材料ボイド欠陥の非破壊検査、(3)ガンマ線磁気コンプトン散乱試験を行った。
(1)では、入射レーザに CO2 レーザを用いて、電子ビームエネルギー公称値を En=550〜974-MeV に変化させた時に発生す低エネルギー領域の LCS ガンマ線を、HP-Ge 検出器で測定し、放射性同位体から発生する、同じエネルギー帯のガンマ線チェッキング
ソースと比較することで、電子エネルギーを高精度[15]に評価した。(2)では、Nd レーザーと 1-GeV 電子___________________________________________# miyamoto@lasti.u-hyogo.ac.jp- 475 -

Table 1: Parameters of NewSUBARU Ring
Storage energy

0.55 – 1.47 GeV

TopUp operation

0.974 GeV / 300 mA

Circumference

118.731 m

RF frequency

499.955 MHz

Harmonic number

198

ΔE/E (1.0/1.5 GeV)

0.05% / 0.07%

Emittance(1.0/1.5 GeV)

40 nmrad / 70 nmrad

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collision
point(Nd laser)

collision
point(CO2 laser)

electronFigure 1: Layout of gamma-ray beamline BL01. Part of electron storage ring in the shielding tunnel is shown, andgamma-ray irradiation hutch-1 and hutch-2 are shown.

ン偏極を切り替えることができる。スピン偏極ガン
マ線と電子とのコンプトン散乱強度が、電子スピン方向に依存するため、試料の電子スピンを直接測定でき、磁化評価手法として試験した。
Table 1 にはニュースバル電子蓄積リングのパラメーターを示す。通常運転モードは、電子エネルギー
1-GeV の TopUp モード(公称電子エネルギー974MeV)と、電子蓄積後、電子を 1.5-GeV まで加速する高エネルギー蓄積モード(公称電子エネルギー1.47GeV)が、週間スケジュールされている。電子エネ
ルギーは、0.55-GeV から 1.47-GeV の範囲で変更可能であるが、標準エネルギー以外での運転は、特別スケジュールに限られる。

2.

ガンマ線源と電子エネルギー評価

Fig.1 に、ニュースバル放射光施設実験ホールの南東部に設置している、レーザ・コンプトン散乱ガ
ンマ線ビームライン BL01 の配置を示す。加速器収
納トンネル内の電子蓄積リングの一部も示している。電子は蓄積リングを左回りに蓄積される。ガンマ線実験ハッチは 2 箇所あり、加速器収納トンネルに隣接して、コンクリート壁で囲まれた”Gammahutch-1"と、この実験ハッチ右側のガンマ線ダンプ(鉛 30cm 厚+コンクリート 45cm 厚）にガンマ線通過孔をあけ、その後方でガンマ線照射可能な"Gammahutch-2"である。ハッチ１のみでガンマ線照射利用も可能であるが、コリメーターハッチとして利用することで、ハッチ２での計測のバックグラウンド・ノイズを低減できる。コリメーターは、XYθ ステー
ジによりガンマ線光軸とのアライメント調整を行うことができる。
ガンマ線発生に使用するレーザ光は、加速器収納トンネル壁面の開口を通して、トンネル内の固定ミラーへ導かれ、集光レンズを介して、真空ダクト内のミラーにより、電子ビームとの散乱点まで導入される。準単色ガンマ線の利用には、直径 1mm から6mm のコリメーター（鉛製厚さ 100mm）を用いた。鉛コリメーターでビーム軸成分のみを取り出すことで準単色とすることができる。Table 2 に、使用している主なレーザと、対応するガンマ線エネルギーおよび利用可能なフラックスを示す。

Table 2: Expected Gamma-ray Energy and Flux of NewSUBARU LCS Gamma-ray Source
Parameter / Lasers
Laser wavelength λLaser power (max) PL
Gamma-ray energy
Ee= 974 MeV(no collimator)
Ee=1470 MeVYield (no collimator)
Ee= 974
Gamma-ray energy
Ee= 974 MeV(3mmφ collimator)
Yield
Ee= 974 MeV(3mmφ collimator)
I=250 mA

Nd(ω)
1064 nm
35 W
5-16.7 MeV
8-37.6 MeV
6000 γ/s/mA/W

Nd(2 ω)532 nm
20 W
10-33.4 MeV
15-73 MeV
3000 γ/s/mA/W

3.5-11.5 MeV
5-25.7 MeV
7000 γ/s/mA/W

CO210592 nm
7.5 W
0.5-1.7 MeV
0.7-3.9 MeV
7200 γ/s/mA/W

15.4-16.7 MeV

30.5-33.3 MeV

10.6-11.5 MeV

1.57-1.7 MeV

2×106 γ/s

6×105 γ/s

3×105 γ/s

1×106 γ/s- 476 -Er1540 nm4W

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Polarization monitor
γ-detector: HP-Ge

Flux monitor: NaI(12”)

Laser alignment tool

Figure 2: Experimental setup of LCS gamma-ray spectra measurements at GACKO, gamma-ray irradiation hutch 2 at NewSUBARU.

準単色ガンマ線のエネルギー幅は、Nd レーザの場
合、衝突点から約 15.6m に設置したコリメーターにより、ΔE/E=10%(6mmφ)および 5%(3mmφ)程度の広がりとなっている。
ガンマ線利用における光核反応断面積計測で、反応のエネルギー閾値の計測が必用な核物理研究利用
では、正確なガンマ線エネルギーが必用である。
4MeV 程度までの低エネルギーガンマ線に対しては、検出器のエネルギー校正を行うための標準線源として、放射性同位体チェッキングソースが利用できる。しかしながら、10MeV を超えるガンマ線エネルギー領域では、利用できる標準線源がない。この(a)ため、電子蓄積リングの電子エネルギーが高い安定性を持つことを利用して、高エネルギーLCS ガンマ線を標準とする手法を試験した。これは、安定な長波長 CO2 レーザと電子との散乱により、1〜4-MeVのガンマ線を発生し、放射性同位体チェッキングソースでそのエネルギーを正確に同定し、蓄積リングの電子エネルギーを高精度で評価する手法である。
この手法で求めた電子エネルギーと、短波長レーザの波長から、高いエネルギー領域のガンマ線エネルギーも高精度に評価が可能となった。
Fig.2(a) に 、 蓄 積 リ ン グ の 公 称 電 子 エ ネ ル ギ ー
800MeV で、CO2 レーザを散乱させた場合のガンマ線を HP-Ge 検出器で計測した信号例を示す。コリメーターは直径 1mm のものを用いて準単色化している。全エネルギーピークがはっきり見えており、スペクトル広がりは 3%程度である。LCS ガンマ線の最大エネルギーエッジは、自然放射性元素 40K も含めた放射性同位体線源 60Co, 133Ba, 137Cs, 152Eu を用い、シミュレーションも援用して求めた。このガンマ線エネルギーから逆算して、蓄積電子エネルギーの絶対値を評価した。
Fig.2(b)に、上記手法で評価した電子エネルギーEeと、加速器制御で用いている公称電子エネルギーEnの差∆E=Ee-En を、公称電子エネルギーEn の関数として表した結果を示す。データ点（●)を４次関数でフィットすることで、ニュースバル電子ビームエネルギーに関して以下の関数が得られている。
∆E3.
(b)Figure 3: (a) A measured γ-ray energy signal with a HP-Gedetector. A 800 MeV nominal energy electron beam and a
CO2 laser are used. The diameter of the collimator used is
1 mm. (b)The difference ∆E of the calibrated energy Eefrom the nominal energy En of the electron beam, ∆E= EeEn, at the NewSUBARU storage ring.

=−4.6949 ×10−10(En)4 + 1.3017×10-6(En)3− 1.3596×10-3(En)2 + 0.63854(En) −103.94 (1)LCS ガンマ線ビーム源利用研究

ガンマ線利用実験として、陽電子による材料ボイド欠陥の非破壊検査と、ガンマ線領域の磁気コンプトン散乱試験を行なった。
陽電子の利用には、1GeV 電子と Nd レーザ(波長1064nm）を用いた。直径 6mm のコリメーターを通して、10%程度のエネルギー広がりの 16.7MeV ガンマ線を対生成ターゲット(鉛）に照射した。このエネルギー領域では、ガンマ線と鉛の相互作用は対生成が 70%程度となるが、厚いターゲットを用いると、- 477 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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子エネルギーを高精度で評価できたことで、ガンマ線利用実験に於けるガンマ線エネルギー評価精度を向上できた。利用実験では、高効率対生成による高エネルギー陽電子を発生でき、これを物性評価に用いる試験を実施した。円偏光ガンマ線の磁気物性評価のための、磁気コンプトン散乱試験もデータ取得できた。物性研究にはさらなる計測精度の改善が必用である。

参考文献

Figure 4: Schematic of annihilation gamma-ray spectra.
The pectrum become narrow when the positron annihilate
in the material having many void defect.

陽電子の取り出しが困難になるため、3mm 程度の厚さの鉛ターゲットを用いた。この場合、入射ガンマ線フラックスに対する陽電子取り出し効率は 3%程度と計算される。対生成後、入射ガンマ線進行方向に射出する電子陽電子対を、磁場で分離し陽電子を物性評価用試料に入射する。物質中での陽電子は、空孔欠陥に集まりやすく、その周辺で電子と対消滅する。その時発生する 511keV 消滅ガンマ線は、電子のエネルギーによりドプラーシフトするため、周辺電子の情報を得ることができる。具体的には、空孔近傍で消滅する場合、原子の外郭電子と対消滅する確率が高くなり、ドプラーシフトは低くなり、狭いスペクトルとなる。このスペクトル幅パラメーターを用いて、金属疲労試験片試料で試すと、疲労の種類にも依存するが、疲労度合いのパラメータとして利用できることがわかった。従来低エネルギーの陽電子利用が中心であったが、LCS ガンマ線からの高エネルギー陽電子を用いることで、物質内部の状態評価が可能となる。今後データを集積する必要がある。
円偏光レーザーを用いることで、円偏光（スピン偏極）ガンマ線を利用することができる。ガンマ線
スピンと電子スピンの向きにより、コンプトン散乱
強度が異なる。この差を検出して、試料の電子スピン磁化だけを分離して計測することができる。これが磁気コンプトン散乱の応用の一つである。鉄を磁化させると、4d 軌道の電子スピンが磁場方向を向き、これに左右円偏光ガンマ線を照射した時に散乱されるガンマ線強度を測定した。C02 レーザを用いた、1.7MeV ガンマ線では、4%程度の散乱強度さを観測でき、ほぼ理論予想通りであった。物性評価には、この 4%の散乱強度差を、1/100 程度以上の精度で計測する必要があり、レーザ偏光の安定性もふくめ、今後この高精度化を目的とした試験を行う。

4.

まとめ

ニュースバル LCS ガンマ線ビーム源では、数種類の波長の異なるレーザを組み合わせることで、1.7MeV から 76-MeV の間で、いくつかのエネルギー領域のガンマ線ビームを利用できる。また、新たに電[1] 宮本 修治 他, "ニュースバル放射光施設の現状", 本年会
プロシーディングス, FSP018 第 11 回日本加速器学会
年会,リンクステーションホール青森,8 月 9-10 日(2014).
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