電気光学サンプリングによる電子ビーム周りの電場のシングルショット計測

菅晃一1、太田雅人2、王有為3、Verdad C. Agulto3 、Valynn Katrine Mag-usara3 、有川安信3、松井龍之介4、坂和洋一3、中嶋誠3
1:量研、2:核融合研、3:阪大レーザー研、4:三重大電気電子工

2023年08月31日 第20回日本加速器学会年会＠千葉

パルスラジオリシス（時間分解過渡吸収分光）
ドデカンにおけるカチオンラジカルと電子の時間変化

量子ビーム誘起超高速反応
Free ion+
RH+.

Geminate ion
recombination(a.u.)

e-Radiatione- @1200 nm

RH.＋@800 nm

RH.＋* → RH.＋

Spur size: ~nm
量子ビーム誘起超高速反応の解明は、その後に起こる反応解析・制御のために重要→電子ビーム診断を通して、反応解析の時間分解能の向上が可能
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フォトカソード高周波電子銃加速器の構成
Synchronization
Experiment,
measurementFemtosecondlaser

Compressed
electron beamPicosecondlaser

Klystron

UV pulse

RF
Electron beam
35 MeV, 10 Hz

Photoinjector(1.6 cell)

Magnetic bunchcompressor
Linac Q1 Q2 Q3 Q4Photoinjector linac

B1Beam energy： <35 MeVCharge： <1 nC/pulse
Operation: 10 Hz
RF: S-band (2.856 GHz)
Compression: R56 = -63 mm
at achromatic condition

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加速器の写真ND:YLF ps laser
1.4 mW @266 nm, 10 Hz

Picosecond laser

Photoinjector

Linac

Amplifier
740 mW @800 nm, 1kHz

Ti:Sapphire
fs laser

Femtosecond laser
Magnetic bunch compressorB1-2, S1-2, Q5-8

Beamport

Accelerator

Magnetic bunch compressor

4電気光学（EO, electro-optic）結晶による電場の計測
テラヘルツ
電場検出器へ電子ビーム
楕円偏光[0,0,1]

金属境界条件EO結晶
直線偏光[-1,1,0]

プローブ光
••
•

電子ビームの周りのテラヘルツ電場の計測
電気光学結晶のポッケルス効果により偏光が変化
空間分解・時間分解も可能

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シングルショット計測の開発の方針
Electron beam

多数回計測
・光学系が単純・ジッター影響あり

一光路シングルショット計測
・光学系が多素子・2回測定で電場解析・ジッター影響低減

二光路シングルショット計測

Femtosecond
laser

Delay

Femtosecond
laser

Alignment

Femtosecond
laser

Alignment

・光学系がより多素子・1回測定で電場解析・ジッター影響をより低減

Laser

Polarization
analysis
EOcrystal

2D-polarization
analysis
Different time delays
according to positions

2D-polarization
analysis (1)2D-polarization
analysis (2) 6

電気光学結晶による電場分布測定
電場の分布

電子ビーム周りの電場計測

偏光測定

電子ビーム
進行方向

ビームと電気光学結晶

•
•
•
•

レーザー
光学遅延

電子ビームの位置を変えては時間掃引して多数回計測
バランス検出（電場 E∝(Ix-Iy)/(Ix+Iy) ）完全な時空間分布ではない
電荷量370 pC, psuv

電子ビームのクーロン電場分布計測

M. Ota, K. Kan et al., Applied Physics Express 14, 026503 (2021).

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電場の時空間分布の変化
多数回測定の改良
多数回測定の時間遅延と観測点変更で測定

球面

D=5mm

測定

計算

平面

時間の経過 209 mm

測定

計算

同期時間ジッターの影響はあるが、Dによる曲率・分布の変化を観測
電荷量70 pC, fsuv

M. Ota, K. Kan et al., Nature Physics, 18, 1436 (2022). 8

シングルショットで時空間分布を可視化
x偏光変化

yz

2次元検出器へ

時間EO結晶
15 μm

3 μm

•
•
•

レーザーの時空間分布を調整（15 μm毎に~0.02 psの光学遅延）
偏光変化の時空間分布をカメラで検出
空間方向（x）と時間方向（進行方向, z）の電場分布に展開して解析

9エシェロンミラー導入とシングルショット計測
カメラによる計測測定結果（D = 204 mm）

電荷量70 pC, fsuv

位相オフセット法、4枚の画像、電場算出•𝐼 +𝜙, ∆𝐼 −𝜙, ∆2 sin ∆−=𝐼 +𝜙, 0𝐼 −𝜙, 0sin 2𝜙
2𝜋𝑛3 𝑟41 𝐸𝐿c.f., G. Asai et al., Optics∆=Express 29, 3515 (2021).
𝜆•1/4波長板(QWP)位相、ϕ = 0oでは電場の絶対値が分かる
ϕ = ±1.5oの画像演算により、電場符号と分布を解析可能
M. Ota, K. Kan et al.,Nature Physics, 18, 1436 (2022). 10電子ビームの周りの電場の時空間分布の（シングルショット）計測から得られたこと
計測

計算

ローレンツ変換の概念図
電気力線 v = ~0.94c
J. D. Jackson, ClassicalElectrodynamics

波面の概念図金属境界条件D = 204 mm

短距離でのLWPから長距離でのLTで表される電場に変化する相対論的現象を直接観測

リエナール・ヴィーヘル
ト・ポテンシャル（LWP）

ローレンツ変換（LT）
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二光路のシングルショット計測の構築
Electronbeam

Distance: DX
yAccelerator
P1

P2

ZnTe
PolTwo-path
2D-polarization
analysis

CL1Laser
BSFemtosecond
laser
A2

•
•
•

ZGrating

位相オフセット法による高感度化
二光路の分岐・結像（4fと縮小）
従来より同期時間ジッターに強い光学系
測定光学系
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光学系の写真

Analysis

ZnTe
P2Grating

P1
Laser

Electron beam

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二光路シングルショット計測の画像・解析例
電子ビーム有り
ϕ

1.
2.
3.
4.

解析例

ϕ

予めQWPの0°を確認•
QWPを光路に応じて調整
電子ビームの有無の画像データを取得 •右側を左右反転、フィルター11x11 pix
medianで画像の演算と解析波面の変化する様子を従来よりも詳細に確認
二光路シングルショット計測により、同期時間ジッターに強い系を構築
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まとめ
電気光学サンプリングによるサブピコ秒電子ビーム（20~370 pC,35 MeV）周りの電場のシングルショット計測• 電子ビームの周りの電場の時空間分布として、ローレンツ収縮の直接的な観測• エシェロンミラー・回折格子を用いたレーザーの時空間分布調整、位相オフセット法との組み合わせ• その他の放射現象・テラヘルツ電場計測へ応用が期待される
本研究は、JSPS科研費（JP23K11702, JP20H02206, JP23H00281,
JP19J20765, JP19K05331）による支援を受けました。本研究は、オートレースの補助を受けて実施しました（2022M-225）。

ご清聴ありがとうございました。

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