Proceedings o f the 2 3 rd Linear Accelerator M eeting in Japan (Septem ber 16 - 18,1998, Tsukuba, Japan)〔F18p39〕DESIGN OF FEMTOSECOND PULSE RADIOLYSIS
AND LASER PHOTOLYSIS SYSTEM
T.Watanabe, Y.Muroya, N.Chitose, J.Sugahara, O.Urabe, T.Ueda，K.Yoshii,
M.Uesaka and Y.Katsumura
Nuclear Engineering Research Laboratory，University of Tokyo
Tokai-mum, Naka-gun, Ibaraki 319-1106, Japan
ABSTRACT

Subpicosecond pulseradiolysis and femtosecond laser photolysis system have been

designed. The system consists of the S-band linac with the laser photocathode rf gun, the femtosecond laser
and the femtosecond streak camera. Precision of the system is discussed in details from viewpoint of timing
jitter at several rf components and finally between electron pulses and laser pulses. Furthermore, theintroduction of the state-of -the-art technologies and their improvements for the system are proposed.

フェムト秒パルスラジオリシス• レーザーフォトリシスシステムの設計
1. はじめに2 . 同期システム

東大院エ原施ライナックでは従来より放射線化学パル

当施設において、サブピコ秒電子パルスの発生が可能スラジオリシス実験を行ってきた。パルスラジオリシス法

な 2 つのS バンドライナック（
3 5 L 、 18L) それぞれがと は 2 つの同期したパルスを使うポンプ& プローブ分析

T 3 (Table-topTerawatt)レ 一 ザ 一 と 3 〜 4 ps (rm s) 程 度の代表的な手法のひとつであり、電 子 パ ル ス （ポンプ）のの精度で制御されるシステムを構築した（
図 1 参照）[4,5]。

照射によって誘起された短寿命中間活性種の過渡現象を、

3 5 L ライナックは熱電子銃を用い、1 8 L ライナックは発光やレーザー光など（プローブ）の吸収の時間的変化をレーザーフォト力ソ ー ド r追跡することで解明していく手法を言う。フェムト秒パル

f ガンを使用している。

システムを構築した際の精度評価基準としてレーザースラジオリシス法において時間分解能向上を目指す場合、パルスと電子パルスの時間間隔を統計処理する手法を用ポンプ•プロ一 ブパルスの時間ジッ夕一の低減が最重要課いた。つまり、レーザーパルスと、電子ビームが空気中で題であり、未 だ lps(FW HM ) を切るシステムは存在して発生する空気チェレンコフ光をストリークカメラに導き、いない。世 界 的 に は BNL[l],Orsay[2] 、大阪大学 [3] など

それらの時間間隔のばらつきの分布を求めた。フェムト秒が挙げられるが、商品ベー ス の A /O 素子を用いた強制モストリークカメラによって計測した、レーザー及び 3 5 L一ド同期を使用しているため電子パルスとレーザー光とライナックの発生したフェムト秒電子パルスのチェレンの時間ジッタ一は rmsで 3 p s 程度である。

コフ光の像を図 2 に示す。図 2 と同様の分布図を多数取得

本研究では、 レーザーフォ卜力ソード r f ガン用光パし、電子ビームとレーザーとの時間間隔を統計処理した結ルスと分析光パルス両方を供給できるフェムト秒レーザ

果 、 3 5 L とレーザーとの時間ジッターは 3.7 ps (rms)で一を用いた新たなシステムの構築を目的とする。このシスあった。 同様に、 1 8 L とレーザーとは 3.5 ps (rms)であテムでは、フ ェ ム ト 秒 （含サブピコ秒、以下同様）オーダった 。1 8 L において統計処理を行った際のヒストグラム

一の電子パルス、1 0 0 f c レーザーパルスをフェムト秒時間を 図 3 に示す。 図 3 より、電子パルスとレーザーパルス領域で高精度に制御し、全体としてフエムト秒時間領域のの時間間隔が、ある値を中心にガウス分布に近似できる統分解能を持たせることを目標としている。

計的揺らぎを生じていることがわかる。この分布の拡がりによって、ジッターを評価した。また、ジッターを数値での相互間ジッターも生じる。ライナックにおいては 、 r f表す際には、分布を正規分布と仮定し、m is を使った。

を 増 幅 • 変 調 •供給するクライストロンにおけるジッターが存在する。レーザーオシレー夕でジッターは公称値 5 3(rm s) である 。 r f 周波数変 換 の ジ ッ タ 一 は SlOOfsps( r m s ) と把握されている [6] 。本ライナックでの実測値 3.5〜3.7 ps (rm s) には、 レーザーオシレー夕でのジッターとライナックでの r f ジッターが支配的と考えられ、後者は2 ps (rms)前後であることが推定される。 また、熱電子銃

熟霞拽

から発生する電子パルスはエネルギーが低い（90keV ) のため 、 3 5 L において S H B 及びプリバンチャー、加速管バンチャーセクションを通過する非相対論的電子はほぼ
図1

ツインライナック、 T 3レーザー

いつも安定加速 r f 位相に乗る。一方、レーザーフォトカ

同期システムソ ー ド r f ガンから発生する電子は既に 1 0 p s に圧縮され、相対論であるため（3MeV ) 、加速管において安定位相に乗らず 、r f ジッターがそのままエネルギージッターとなり、磁気パルス圧縮器中で軌道ジッターとなり、最終的には 電 子 • レーザー内の時間時間ジッターとなる。 1 8 L とレーザーとの同期について、2 つのレーザーオシレー夕を使用しているにも関わらず 、3 5 L とレーザーとの同期と有意な差がないことは解析中である。

TIME (psec)
図2

3 5 L サ ブ ピ コ 秒 電 子 • レーザーパルス

表13 5 L 、 1 8 L 同期モードにおけるジッター要因
ジッター要因同期像（フェムト秒ストリークカメラ像）

35L vsレ'一ザ'一才シレ一夕

T3

18L vs T3< 3ps(rms) 〇 < 3ps(rms)〇

2 つのレーザー〇X

オシレー夕一間クライス卜ロン

〇数 ps

〇数 ps

2 台のクライストロン間

〇数 ps

〇数 ps

ライナック中での rf位相

自己位相

A数 degree

制御

101520253035

電 子 • 光学素子のTim e D ifferen ce (p s)
図3 1 8O < lOOfs(rms) 〇 < lOOfs(rms)

周波数変換器

40〇〇〇?

?

量子ゆらぎ

L • T 3レーザー同期ヒストグラム〇有、X無、

A

有意ではない

3 5 L 、 1 8 L ライナックそれぞれにおける主なジッ
以 上 の 実 績 と 考 察 か ら 、 分 解 能 400 fs(rms)、 900 fs

夕一要因と概略ジッ夕ー値を表 1 に挙げた。
現在の商品ベースレーザーオシレー夕では強制モード(FWHM) のシステムを目指す設計を行った。

同 期 と K err レンズモード同期の 2 種類の方式が採用されている。前者では前述 の と お り 3ps (nns)のジッターを持ち、更 に 1 8 L においてはガン用 Y L F レーザーと T 3と一 427-

3 . 1 0 p s 時間分解能パルスラジオリシス実験
現状のピコ秒同期システムを用いて、パルスラジオリシス実験を開始した。電子ビームのパルス幅 1 0 ps 、ライ2 、 1 °C 以内に温度制御すればそれぞれのジッターは 2 、ナックとレーザーとの同期の時間分解能は 9 ps (FWHM)

1 ps (rm s) 以内と言われている。後者はミラー微調整ので、水和電子の過渡現象を測定した。

動的機構による。これら事項を注意深く高精度に設計•制御していけば、ジッターをフェムト秒時間領域に低減可能

4 . フエムト秒パルスラジオリシス• レーザーフォ卜リシであると考えられる。クライス卜ロンの電圧変動による加スシステム

速 r f 位相ジッターも詳細に検討中である。

新たに設計中である フエ ムト秒パルス ラジ オ リ シ ス •これらの考察に基づき、表 1 に挙げた様々なジッター

レーザー フ ォ トリシスシステムを図 4 に示す。ここでは 2

要 因 を 区 別 し て 評 価 • 低減していく。

台のレーザーオシレー夕間の ジ ッ 夕一 要因を除去するた

5 . まとめ

めに、ひとつのレーザーを使用しビームスプリ ッ夕 で 2 つサブピコ秒ツインライナックとフェムト秒 T 3レーザに分けることとした。
新 システムでは 基 本 モ ードは フエ ム 卜 秒 レ ー ザ ー と r

一とのピコ秒同期運転の実績に基づき、フェムト秒パルス

f ガ ン 付 き 1 8 L ライナックとの同期運転を行うが、熱電ラ ジ オ リ シ ス • レーザーフオト U シスシステムを設計し、

子 銃 付 き 3 5 L ライナックとの同期運転も実施する。また、システムの時間分解能について考察した。更に、各ジッタパルスラジオリシス実験時以外は、レーザー機器をレーザ一要因の定量的評価及び改善策を考察し、システム全体の一 本 体室に収納し、そこで フ エ ム卜秒レーザー フ オ トリシ

1 p s 以下の同期時間分解能の達成を目指す。

ス実験を行う。
謝辞
本研究での高エネルギー加速器研究機構• 中島一久助
教授、原研関西研の神門正城氏、小瀧秀行氏、酒井文雄氏、出羽英紀氏、近藤修司氏の協力に感謝します。

18Lラ イ ナ ッ ク シ ケ イ ン
J Timing Stabilizer
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0 «cllAtor
Rsflenarat ive
i AmplKtor

参考文献

分光翳

[1] http://www.chemistiy.bnl.gov/^Stretcher;i. M ulti-pass-：A m plifier

F21 J.Belloni, Univ. of Pans-Sud, personal communication.
『31 T.Kozawa et al., Proc. of 22nd Linear Acc. Meet., Sendai：-：(1997), 281-283.

レ 一 ザ 一 フ オ h y シ又

[4] M.Uesaka, T.Watanabe et al., J. Nucl. Mater., 248
図 4 . 新パルスラジオリシスシステム(1997) ,380-385.
[5] M.Uesaka, T.Watanabe et al., Proc. of EPAC98,

レーザーオシレー夕におけるジッターの低減は新たな(Stockholm,1998), in press.

システムにおいても最重要課題である。このジッターはオ[6] 小林克行、フェム卜秒 テ ク ノ ロ ジ ー 研究機構 、personal

シレー夕のモード同期法により異なる。現状では強制モーcommunication.

ド 同 期で S 3 ps 、K err レンズモード同期で 5 2 ps 、受動[ 7 ] 小林克行他、
第 5 9 回応用物理学会学術講演会、(1998),

モ ー ド 同 期 SESAMI 方式で £ 1 0 0 fs[7] であることが報告

17aY6.

されている。 また、オランダの FEL 装 置 FELIX では受動

[8] D.OeDts et al., Proc. of 6th Advanced Accelerator

モ ー ド 同 期 に よ っ て も 4 0 0 fs(r m s)、900 fs (FWHM) が

Concepts workshop (Baltimore, July,1998)，in press.

報告されている [8 ]。オシレー夕におけるジッターはモード同期における要因に加え、タイミング安定器による要因が挙げられる。前者は物理的応答速度限界と温度•湿度などの環境による。例 え ば K err レンズモード同期の場合、
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