光・量子融合連携研究開発プログラムでcERLにて行う研究開発に関する報告。
加速器研究機構 浦川順治 2013.10.24「光・量子融合連携研究開発プログラム」の英語名称はPhoton and Quantum Basic Research Coordinated Development Program
小型高輝度X線源イメージング基盤技術開発
Fundamental Technology Development for High Brightness X-ray Source and theImaging by Compact Accelerator


http://kocbeam.kek.jp/ from 2008.9 to 2013.3

文部科学省委託事業
http://nkocbeam.kek.jp/ from 2013.8

Application of advanced
laser and accelerator
technology for our life.

1

概要
電子ビーム(200～600MeV)による逆コンプトン散乱(ICS)。
サブMeVから～7MeV範囲のTunable高輝度ガンマ線生成技術開発。
この為に波長1µmのパルスレーザー蓄積共振器開発。
目標はMW級平均パワーと安定な20µm(σ) waist sizeを光共振器内に安定に実現することである。
レーザー蓄積装置開発の詳しい報告：「次世代レーザーコンプトン散乱ガンマ線とその応用」(ISSN 1342-3185, IAE-RR-2013 No.101, pp.128-141)
本講演：開発状況と問題点、今後の開発計画。

ATF Damping Ring: 1.3GeV, 10µm Electron beam
210W mode-lock laser Oscillator, 357MHz-av.24MeV γ generation

γ-ray generation based on ICS with 3D Optical Cavities

Experiments at the KEK ATF
Optical cavity
detectorγ

ATF parameter
1.3GeV
1×1010 electron/bunch
Up to 10 bunch/train
2.16×106 turn/s

4 mirror cavities are at the ATF
KEK-Hiroshima
installed 2011

LAL-Orsayinstalled summer 2010

relatively simple control system
employs new feed back scheme

sophisticated control
digital PDH feedback
2013年、再インストール及びレーザー再調整によって、peak 101kW蓄積及び100% 近いCoupling確認。
現在、ATFでlock時39kW蓄積。
コンプトンガンマ生成12月から開始予定。

γ-ray Generation
5 bunches/train

laser

γ

Bunch current [A.U.]

5.6ns

Gamma yield [A.U.]

e-5 bunch/train (7.7mA)time [ns]2970±20 MeV⇒ ~120γs / train
ATF 2.16MHz~2.6×108/sec

Gamma energy [GeV]

time [ns]光共振器の共鳴制御
3D-4M Cavityの偏極特性を利用した制御
circumference of the cavityleft handed

right handed

Different slope in left and right pol.
transmitted light6

Stack power

Cavity control

L-pol

R-pol
10pm

control

1.4% fluctuation->8pm control

Laser power = 2.6kW
Timing jitter = 8ps
Enhancement 1230
due to mirror
contamination and injection coupling.

Stacking power [W]最近の開発状況と問題点

Finesse measurement

Airy Function

Decay time measurement
Pockels cellPD

Airy Function

Life time of the laser lightFinesse: FWHM / FSR=4040±4202πcτ / L=4040±110Laser spot size
13µm achieved

vertical deirection

σe=10µm

γ ray yield [A.U]

electrons

σ=18µmσL=13µm
30µm w/ 2 M cavity

vertical position[ m]ミラーの熱変形

透過光強度

蓄積光の一部が鏡に熱吸収され、鏡の曲率が変化？
→共振器への入射すべき
レーザープロファイルが変化→入射効率の低下

20s

低損失の鏡が不可欠
蓄積開始直後強度安定後

鏡のマイクロダスト除去
鏡表面をマイクロダスト除去することによる損失の低下の確認試験
薬品：ファーストコンタクト

透過光強度
共振器長

τ=1.02×10-5±1.34×10-7[s]⇒R=0.999866±2.62×10-6⇒損失=30ppm
損失の改善に成功

20um

今後の開発方針およびスケジュール

マイクロダスト除去用イオン銃の利用
真空引きや大気解放時、バルブを使ってslowに行う。

123次元光共振器2台を串刺し~100MHzX線円偏光切換え実験。
問題点：移動架台の上に設置できるか？
©Rey.Hori/KEK13360 mm
690 mm

345 mm14

LUCX Optical Cavity~2m,2 inches mirror

昨年度(2012年)の構想イメージ

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LUCXタイプの４枚ミラー光共振器
衝突角14度2 inches mirror 4枚使用
ダブルベローズ方式、ヘキサポットムーバーで真空外からサポートして6軸で動かす。
レーザー光路で収束する光路と収束させない光路がビームダクトと交差するので、ビームダクトに大きな穴が必要。短バンチビームにとって問題である。
解決策：水平2次元4枚ミラー共振器から垂直2次元4枚ミラー共振器へ。
収束点でのレーザービームプロファイルが猫目形状になる。
ヘキサポットムーバーによる高フィネス実験は今後の課題。増大率1000倍は可能か？？？
図案は本田君提供。

16

新しい案として、同じ２台の２次元垂直平面共振器を右図のように重ねること可能である。
それぞれの共振器に偏光性の違ったレーザーパル
スを蓄積して、電子ビーム衝突とのタイミング制御により、高速でX線やγ線の偏極性が切り替え可能。
真空対応のSUSで製作した鳥籠と呼んでいるフレームは、機械加工で高精度に製作でき162.5MHzの光共振器製作を仮定する場合、178.5MHzの３次元共振器製作の実績から十分な剛性がほぼ保証される。
この共振器によりミラー破壊や熱効果による共鳴状態悪化をFactor 2で緩和できる。
共振器複数台の重ね合わせ技術への展開へつながる。

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鳥籠３次元光共振器開発によって、long 及び short piezoの取り付けや制御技術、ミラーあおり機構等の技術はほぼ増大率10000倍を達成できる状況にある。
実績のある共振器ムーバーが必要であるが、以下のものを既に所有・運転している。次年度の７月までにcERLで利用できるように準備できる。

３台のムーバーは再利用、床常磐と光学テーブルはcERL施設に合わせる。
剛性と振動抑制対策を行う。
600mW及び45W、162.5MHz
Mode-lock laser systemがOptical table上設置可能となるように光学テーブルを拡張する。

235cm

80cm

80~120cm120cm

210cm

ただし、162.5MHz 600mW mode-lock 発振器を使った調整によって、新光共振器を３月までにreadyにする。その後、45W mode-lock発振器でミラー耐久試験や特性測定を６月まで行い、７月から８月の期間でcERL施設にムーバー架台と新光共振器設置および制御系移設を行い９月から運転を開始する。（レーザー安全検査申請、運転許可）

コンパクトERLにおけるガンマ線生成実証実験
コンパクトＥＲＬに機器を追加して、レーザーコンプトンγ線の発生と利用の実証実験を行う。(in 2015) X-ray生成。

超伝導空洞（設置調整中）35MeVから60MeV
Second phase ofcERL plan in ~2018?

Illustration by Rey Hori

電子銃
500kV DCLCS実験設備

Detector facility for
Gamma-ray detection

LCS-ガンマ線発生装置（光・量子融合連携の小型高輝度X線源イ
メージング基盤技術開発で開発）
Four mirror opticalcavity for Gamma-raygeneration

60MeV Electron Beam, 532nm (green laser)
1.3GHz collision, X-ray 130keV
Number of photons per 1% width
5x1013 photons/sec
130keVx5x1013=1.04J/s
330 kGy (X-ray size 0.2mm diameter)19

おまけ2021