レーザーコンプトン散乱装置（産総研の装置）

酒井 文雄
住友重機械工業㈱2007.7.9 PF研究会資料-1-フェムト秒テクノロジー研究(NEDOプロジェクト）
第1期1995（H7）-2000（H12）
第2期2001（H13）-2004（H16）
研究開発内容(1)超短パルス光エレクトロニクス技術の研究開発
超高速の物理現象、超微細プロセス技術、デバイス化技術
テラビット情報通信用の超高速光源・スイッチ等の光デバイスの開発(NEC,日立,三菱電,東芝,松下,冨士ｾﾞﾛｯｸｽ、富士通、ﾊﾟﾅｿﾆｯｸ）(2)超短光パルス応用計測技術の研究開発
フェムト秒光パルスと高密度電子線パルスの衝突による高輝度X線パルス発生
超高速動体のモニタリング等に利用 できる新計測技術の開発（住友重機械）

-2-

発表内容

１．レーザーコンプトン散乱によるＸ線発生
２．発生装置
３．X線の利用例
４．産総研の装置の現状
５．まとめ

-3-

フェムト秒レーザと電子線の衝突によるフェムト秒高輝度Ｘ線発生

レーザーパルス
Ｘ線パルス

電子線パルスe-発生Ｘ線の特徴
1. 短パルス性(数ｐs－数100fs)
2. 波長可変性
3. 準単色性
4. 指向性5．高偏極性
6. 装置のコンパクト性

-4-

ー

発生Ｘ線の特徴（エネルギーの可変性と準単色性）
ーザ

波長：１μmαレ

E p = 1.2eV電子

E e = γ ⋅ m 0c2Ｘ

θ・散乱Ｘ線のエネルギー（γmoc2>>Ep)

1 − β cos α
Ex =Ep1 − β cos θ

α=180°、θ=0°の時
Ee=14MeV
Ee=40MeV

Ex=4.6keV
Ex=30keV-5-

発生Ｘ線の特徴（短パルス性）
レーザー

X線

電子・散乱Ｘ線のパルス幅は各々のパルスの相互作用時間・90度での衝突

σ Xt =σ Le
2222σ Le+ σ We+ σ Wp
+ σ Lp・180度での衝突

222222σWe+ σWp+ σ Lp
≈ σWe+ σWp+ σ Lp
(電子パルス幅は十分長い）σ Le
σ t = σ Le + 2 ≈ σ Le
4γ-6-

主な技術開発項目
１．発生Ｘ線量の増大・発生するＸ線量は衝突する領域での電子とフォトン数の積（密度)に比例する

N x ∝ ρe ⋅ ρ p ⋅V

短パルス性と高収束(高品質)・高輝度電子源の開発（フォトカソードＲＦ電子銃）
・短パルス高輝度レーザーの開発（TWレーザー）

２．安定的なX線の発生・パルス幅は相互作用時間（衝突時間）である。電子線パルス幅が1ps以上あるため、９０゜での衝突によりフェムト秒Ｘ線を発生する。
強度、空間、時間領域での安定・フェムト秒領域での電子線とレーザーの同期技術の開発

-7-

発表内容

１．レーザーコンプトン散乱によるＸ線発生
２．発生装置(電子線、短パルスレーザー、同期系）

３．X線の利用例
４．産総研の装置の現状
５．まとめ

-8-

X線発生ステムPhotocathode RF gun
Picosecond
UV laser
Femtosecond
TW laser

35Mev linac

Angle selector

Beam dumper
Imaging sample
X-ray camera

AchromaticBending magnets
Interactionpoint
Focusing magnets

MCP-9-レーザーフォトカソードＲＦ電子銃

本RF電子銃の主構造としては、無酸素銅で作られたS-バンド1.6セルとなっている。
更にエミッタンス補正のため、高精度ソレノイ
ド電磁石が取り付けられている。
コンプトンＸ線の発生
自由電子レーザー
リニアコライダー
高速現象の動解析hν

主要仕様
Electron energy>3 MeV@6MW
Charge/pulse>1 nC @100μ@100μJ laser pulse
Pulse length
3 ps @10ps laser pulse
Normalized emittance <3 mmmm-mrade-10-高品質電子ビーム(低エミッタンス)＊マスクイメージをｶｿｰﾄﾞ上にイメージ転送

Mask

20mm

SHI
UV laser

Phosphorscreen＊ｶｿｰﾄﾞ上での電子分布のまま電子ビームを輸送-11-レーザーパルス時間波形整形による低エミッタンス電子ビームの発生

Pulse Shaper
Pulse Stretcher

Ti:sapphire
Femtosecond Laser

Regenerative
Amplifier

矩形波整形
矩形波整形
Gauss
波形整形
Gauss波形整形
パルス幅可変パルス幅可変Compressor
THG
Linac
RF GunLow-emittanceElectron Beam

-12-エミッタンスの測定結果
ε n = (a'⋅Q ) 2 + b'2

Gaussian(9ps)
Square (9ps)a'b' = ε rf2 + ε th2

πmm-mrad/nC

πmm-mrad1.85±1.85±0.13
0.92±0.92±0.05

0.83±0.83±0.05
0.81±0.81±0.03

ε rf ≈ 0.6πmm − mrad
Laser pulsewidth:
pulsewidth: 9ps FWHM

ε th ≈ 0.6πmm − mrad

-13-

波面制御
レーザーパルス

参照光デフォーマブルミラー

BD波面センサー

19電極

CCD

BD

ビーム

デフォーマブルミラーを用いた閉ループ（10Hz）波面補正
0.33λ@rms

0.05λ@rms

波面データ

遠視野像

補正前

補正後

FESTA集中研究所-14-繰り返しの異なるレーザーの同期PLL(Phase-Locked Loop)制御と相関光による制御の併用
1.高調波を用いた高精度同期(短時間)2.相関光を用いた長時間同期PLL(Phase-Locked Loop)制御

ループ
フィルタ

位相比較器
基本波

フェーズシフター
BPF

ピエゾ ドライバ

2856MHz

BPF

x24

2856MHz繰り返しレーザー
非線形結晶光検出器
PZT

119MHz繰り返しレーザー
ピエゾ ドライバ

ループ
フィルタ

相関光による制御-15-相互相関光を用いたジッター評価2856MHz繰り返しレーザー①

非線形結晶光検出器②③PZT
119MHz繰り返しレーザー
ピエゾ 電源

ループ
フィルタ

相関光強度プロファイル③

片側のスロープを利用

時間遅延①②-16-低タイミングジッターの同期システム
・2台のレーザー発振器は繰り返し周波数(79.3MHz)の36倍高調波で基準周波数2856MHzに同期し、その差を10fsに制御 (Proceedings of SPIE, 5194, 149-156 (2003)）
・電子線加速位相は、温度変化等のドリフトを補正
36th harmonics(2856MHz)

TimingPicosecond laser

stabilizer
fiber

79.3 MHzTo photocathode RF gun

PDMaster
Oscillator

Timing

2856MHzstabilizer
2856MHz

Femtosecond laser
79.3 MHz

Driftcompensator

To CPA laser system

To gun & ｌinacs
2856 MHzKlystron Directional Coupler

Drift compensator

将来的には、レーザー、電子線、X線を利用して同期系の補正を行う-17-実験条件
・Electron parameters
Energy38 MeV (σ=0.2%)

Bunch charge

0.8 nC

Bunch width

3 ps (rms)Beam size

30 - 50μm (rms)Normalized emittance

3 mm∙mrad

・Laser parameters
Pulse energy

200 mJ

Pulse width

50 fs (FWHM)

Wavelength

800 nmBeam size～10 μm (rms)Interaction angle

90 °, 165 °-18-

X線発生実験結果(Ⅰ)ー強度Interaction angle

165°

90°

Energy*34keV17 keV

Number of total photons 2 ×106(photons/pulse)

5 ×105

Pulse width (rms)*
Repetition rate
* Calculated value

3 ps150 fs10Hz)
es 1.5lup/
snoothp(1601×ysar- 0.5
Xoferbmu
N 0165°90°050

100150Laser pulse energy (mJ)

Laser energy vs. Number of X-ray photons-19-

X線発生実験結果(Ⅰ)ー安定性

165°

6% (rms)( ＊Laser intensity 5%(rms) )90°

Normalized X-ray
intensity (arb. unit)

・Shot-to-shot の安定性 (15 min)1.5
10.50011% (rms)・長時間での安定性 (7h))
y ti
ar n90°- u
X b.
de ar(zi y8 % (rms)al stimnor et( 10秒間(100pulses)の積算の変化 ) N ni

51015Time (min)1.510.500123456Time (hour)-20-X線強度およびエネルギーの空間分布測定
・X線CCDカメラを用いたX線の強度およびエネルギーの空間分布の測定
・最大エネルギー：15keV (36 MeV electron, 90 °interaction)

Be Window (30mm dia.)

X-ray CCD camera
Polari

3zed
laeV
M
6ser

E

onrt
le cm
2 .6Interaction
point-21-

X-線強度の２D分布
・空間分布は楕円形であり、その向きはレーザーの偏光向きに依存する

Aperture of the window

・空間分布はシミュレーション結果とよく一致する

P-polarization

Simulation (horizontal)
Simulation (vertical)
Exp. P-Pol. X
Exp. P-Pol. Y
Exp. S-Pol. X
Exp. S-Pol. Y).
1u.
a(ytsinetnide 0.9
zilamroN
0.8

Laser photons(P-polarized)

Eelectrons
Scattered X-rays

S-polarization
Laser photons(S-polarized)

E-10-50510

electrons

Distance from the beam center (mm)Scattered X-rays-22-X-線エネルギーの２D分布
1 5 .5

X-ray energy (keV)

S-polarization
15

X-rayEnergy(keV)

1 4 .514

1 3 .5-1 55-5051015fiiting curve calculated by 3 π m m *m rad,3.6% offset

Energy dispersion(%, rms)

P-polarization-1 0

EnergyDispersion(%,rms)4.5

4

Solid-line:
simulation
3.5-15-10-50510
D istance from the beam center (m m )15Distance from the beam center (mm)

-23-

発表内容

１．レーザーコンプトン散乱によるＸ線発生
２．発生装置
３．X線の利用例（動解析、イメージング）
４．産総研の装置の現状
５．まとめ

-24-

フェムト秒での構造変化の時分割測定（Lawrence Berkeley National Lab.より)-25-

レーザーコンプトン散乱によるフェムト秒Ｘ線を用いた測定例（Lawrence Berkeley National Lab.)

Laser Heated InSb

-26-

屈折コントラストイメージング
・従来の吸収コントラストと比較して、異なった屈折率の物質の境界が強調される・光源には高い空間コヒーレントが要求される

SampleIntensityX-rays

Density
HighLow

Edge enhancement
is observed-27-屈折コントラストの測定例
・接着剤中の気泡
・X線エネルギー： 17keV
Edge enhancement is observed.

CCD images at

1m

15mm

0.1m behind the sample-28-

接着剤中の気泡の屈折コントラスト（２）13cm離れたところでの像

ファイバー
1mm

1.1m離れたところでの像
-29-

発表内容

１．レーザーコンプトン散乱によるＸ線発生
２．発生装置
３．X線の利用例（動解析、イメージング）
４．産総研の装置の現状（平均X線量増大のための開発)
５．まとめ
-30-

マルチ衝突レーザー開発
マルチパルスＸ線

Ti:Sa レーザー

レーザー結晶Seed

共振器ミラー

共振器ミラー

レーザー (ビルドアップ波形）

マルチバンチ電子線
共振器長：5.7 m（3本seed)、7.6 m(4本） 9.5 m(5本)レーザー波長： 800nm
レーザー出力： 平均100 mJ×100 pulse (total 10J)

電子ビーム

レーザーパルス幅：10 ps ~ 20 ps
レーザースポットサイズ： 40 ~ 50μm
-31-

LCS硬Ｘ線発生装置アップグレードについて
１．マルチバンチ電子ビーム生成•フォトカソード用マルチパルスレーザーの開発•半導体フォトカソード(Cs2Te) ロードロックシステムの開発
２．マルチ衝突レーザーの開発
Cs2Te

LCS硬Ｘ線の２桁以上の収量増加を目指す → 109 photon/s (全エネルギー）-32-

マルチバンチ電子ビーム生成
小型全固体マルチパルスレーザー• 8μJ × 100 pulse/ macro pulse@UV
マルチバンチ電子ビームの現状（Mgカソード）• 0.6 nC × 100 bunch/ macro pulse1m

半導体(Cs2Te) カソードロードロックシステム-33-

Development of compact load-lock system
for multi-bunch electron beam generation(Collaborating with KEK)Compact Cs-Te cathodeRF-gunload-lock system

Delivering unit

Evaporation Chamber at KEK

・ Cs2Te蒸着実験は開始。
・ 7月中 本格的にRF-gunへ装着し、1nC/bunch×100bunchのマルチバンチ電子ビーム生成を目指す。
Mo plug

Evaporation has finished !

After evaporation
-34-

まとめ
レーザーコンプトン散乱によるX線の安定発生に成功.
•

エネルギーは15-34KeV。

•

X線強度は165度で最大 2×106 photons/pulse (全散乱フォトン）.
90度で最大 5×105 photons/pulse (全散乱フォトン）.

•同期システムの安定化等により、X線強度の安定性の向上
・90度衝突で１１％(rms)、165度（ほぼ正面）で６％の安定度
・7時間の長時間運転も行い、安定度8％(100pulse積算で）•X線の強度分布およびエネルギー分布を測定し、計算と比較してよい一致を確認•

屈折コントラスト によるイメージングをデモンストレーション

現在、開発装置は産総研に移設(2005年度）、運転が開始されている。利用実験を再開するとともに、強度向上を目指した開発を進めている。
-35-