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

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コヒーレント放射光の概略

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)
100101

バンチ長(0.1mm,Gaussian)1210

INTENSITY (arb.units)

Coherent SR
910N ≈ 10610P ∝ N29P∝N
Ordinary SR

310010110100-1
WAVENUMBER (cm )100010000

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

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）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）

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

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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）
electronbeamS
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
M3

実験室：
放射線管理区域であるが運転中でも滞在可能

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

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）

安定性
パルス安定性

長時間安定性VOLTAGE (V)

0.02

±1%以内
0.01

0020

4060
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

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
interferogram2.0

補正前1.5CURRENT(b)beam current
1.51.00.5

VOLTAGEVOLTAGE3

変動補正用モニター検出器(c)monitor

212.5(d)correctedinterferogram

2.0

補正後

1.5-4-2024
OPTICAL PATH DIFFERENCE (cm)

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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)

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)0.040.02

バンチ間隔に相当
00cm

23cm

010203040
OPTICAL PATH DIFFERENCE (cm)

46cm
50

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

12

3
45-1
WAVENUMBER (cm )67

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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）

0.150.1

バンチ不純度
1.5%以下0.050-10-50510 230 235 240245 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

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

21.5
10.5J=19J=18J=17J=5J=4J=8J=7J=6J=20

J=16J=15J=14J=13J=12J=11J=10J=91510-1
WAVENUMBER (cm )50J=3J=2TRANSMISSIVITY

N2Oガスの吸収スペクトル（回転準位）
ENERGY (meV)1

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ERLにおけるコヒーレント放射光

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

JAEA-ERLでの実験配置
1stArcUndulator
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。

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)-410

上流の22μmFELの発振による変化
0.15-810-1010

INTENSITY (arb. units)

INTENSITY (W/0.1%b.w.)-6104ps-Gaussian
バンチを仮定-12100.1発振なし

0.05発振あり-1410-16100.10

高圧水銀灯

110100-1

WAVENUMBER (cm )受光角37mrad0510-1WAVENUMBER (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THz付近の放射光源の比較
210KURRI-LINAC（京大炉）
40MeV, 2μA, 5psec
1.3GHz, 68nsec, 13Hz75(H)×75(V)mrad

0INTENSITY (W/0.1%b.w.)

10JLab-ERL（米）40MeV, 5mA, 400fsec
37.4MHz, 1m
90(H)×90(V)mrad-2

10SPring-8 BL43IR
8GeV, 100mA, 40m
36(H)×12(V)mrad

JAEA-ERL
17MeV, 18μA, 4psec
20.8MHz, 20cm37(H)×37(V)mrad-410-610(incoherent SR)-810(coherent TR)-1010THz
1101001000-1WAVENUMBER (cm )

10000

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