Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Laser circulation system for compact monochromatic hard X-ray source
F.Ebina1,A), A.FukasawaA), F.SakamotoA), H.OginoA), M.UesakaA), K.DobashiB)A)
The University of Tokyo Nuclear engineering research Laboratory
2-22 Shirakata Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken, 319-1188
B)
National Institute of Radiological Sciences
4-9-1 Anagawa, Inage-ku, Chiba-shi, JAPAN, 263-8555
Abstract
We are going to develop a compact monochromatic hard X-ray (10-50 keV) source based on laser-electron
collision using by the X-band (11.424 GHz) linac system. To enhance the luminosity of laser-beam collision, we adopt
the technique of circulation of laser light. Pulse length of Q-switch Nd:YAG laser is shorter than RF-pulse length. This
mean that most of electron bunch don't collide the laser light. Laser Circulation system (or ring laser system) is
effective to increase the X-ray yield for the proposed system. The colliding laser light is bent by a mirror and its
polarization plane is changed by a pockels cell. Laser light from Q-switch laser system and circulated laser light are
merged by polarized beam splitter. Laser light can be collide with electron beam more times.

小 型 単 色 硬 X線 源 用 レ ー ザ ー 周 回 シ ス テ ム
周回システムの০‫ڐ‬方針を定めるとともに、導入による効果を見積もった。

１．はじめに
我々は、医療、生命科学への応用が期待される単色硬X線を、Xバンドライナックからの஢子ビームとレーザーとの衝突によって発生させる装置を開発中である。
衝突によって発生するX線の量はルミノシティの‫ڐ‬算から求められ、஢子数（ビーム஢流）、レーザーの光子数（レーザーエネルギー）に比例する。
だが 、 導 入予 定 の レ ーザ ー の パル ス 幅 （ 10ns,FWHM）は஢子ビームのパルス幅（1ms ）と比べて短く、X線発生に寄与するのは全体のごく一൉である。そこで我々は、レーザーの偏光を利用して光路の切り替えを行うことでレーザーを周回路中に閉じこめ、同一のレーザー光を繰りඉし衝突点に入射するレーザー周回システム（レーザーサーキュレーションシステム）の導入を検討している。レーザー

２．レーザー周回システム導入検討
2.1

レーザー周回システム概要

レーザー周回システムの概要を図１に示す。レー
ザー光は入射レンズ群によって調整された後、偏光ビームスプリッターを透過して周回路に入射される。
入射されたレーザー光は衝突点で஢子ビームと衝突した後に l /2波ସ板を通過、このとき偏光面が90°回転するため偏光ビームスプリッターで90°反射され、再び衝突点へ導かれる。二度目以降の周回ではポッケルスセルにて偏光面を90°回転させるように஢圧を印可（ l /2条件）するため、 l /2波ସ板と合せて180°回転することになり、偏光面は変化しない。こ

1400

1400

周回ミラーレンズ（f=1500）
400l /2 波 ੹
板 レンズ（f=1200）

衝突点

周回ミラーレンズ（f=1500）

ポッケルスセル

偏光ビームスプリッターレンズ（f=1200）

周回ミラー

入射レンズ群Nd:YAG Laser

入射ミラー

図１：レーザー周回システム概要
1E-mail: ebina@utnl.jp453

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

れによりレーザー光は常に偏光ビームスプリッターで反射され、周回路中に閉じこめられる。

３．実証実験

2.2

3.1

X線発生量の見積り

単色硬X線を用いた撮像の種་と、撮像に必要な光子数を表１に示した。本研究の主要な目的の一つである経ৌ脈‫ڥ‬管造影には、1011photons/secと、第３世代放射光源相当の光量が必要となってくる。
表１：撮像に必要な光子数
撮像の種་ 光子数[photons/sec]
マモグラフィー（乳房撮像） 106
単色CT 108
Auger Cascade Therapy 109
経ৌ脈‫ڥ‬管造影 1011
Xバンドライナックからの஢子ビームとパルスレーザー（Q-switch Nd:YAG laser）との衝突を考える。஢子ビームは運動エネルギー50MeV、஢荷量20pC/bunch、パルス幅1ms、繰りඉし10ppsで、レーザーは波ସ1064nm、エネルギー2.5J/pulse、パルス幅10ns (FWHM)、繰りඉしは஢子ビームと同じ10ppsである。ビームサイズ100mm (rms)としてルミノシ
ティを‫ڐ‬算した結果、X線発生量は108photons/secであった。これはマモグラフィー等ৌ止画像の取得には適用できるが、経ৌ脈‫ڥ‬管造影のようなリアルタイムでの動画像取得には不十分な量である。
レーザー周回システムにおける見掛け上のエネル
ギーINは以下の式によって表される。
NI N = Â I 0A n = I 0
n=01- A n1- A

I0は入射レーザーの初期エネルギー、Aは周回一周あたりの透過効率、Nはレーザーパルスと஢子ビームの衝突回数である。周回路中の光学機器の透過率、反射率からA=0.9(90%)程度と見積もられ、஢子ビー†
ムのパルス幅1ms 、周回一周にかかる時間はおよそ21nsであることからNは40以上である（図２参照）。
以上から、周回によりレーザーのエネルギーはおよそ10倍、X線発生量は109photons/secになると予想される。
将来的には周回路中にゲイン媒ࡐを০置してレーザーのエネルギー損失を補填（A=1が得られる）、5J/pulse以 上 の レ ーザ ー と 組 み 合わ せ る こ と で1010photons/secのX線発生を目指す。

1ms
図２：レーザー周回による衝突の様子

概要

レーザー周回システムのビームラインへの導入に先立ち、レーザー光閉じこめの実証実験を準備中である。ビームラインへ導入するものと同じ光学系を構築し、比Ԕ的低エネルギー（50mJ/pulse程度）かつ視認性の‫ݗ‬い（YAG二倍波、532nm）レーザーを用いて周回システムの測定、調整手法を確立する。
3.2

方針

この実験の目的は、ポッケルスセルを用いたレーザー光の閉じこめを確認、定量的な評価を行うとともに、衝突点におけるレーザー光のサイズ、位置、光ࡃの傾きを、独立かつ周回の条件を崩さずに調整する手法を確立することである。周回の条件とは、衝突点における上記のパラメータが周回によって変化しないことを指している。
平行なガウスビームを収束した場合、衝突点でのスポットサイズs0は、

s0 = M2l f
4p s fと表される。ここで、fは集束レンズから衝突点までの‫״‬離、l はレーザー光の波ସ、sf はレンズ上でのビームサイズ、M2 は理想的なガウスビームからのずれを表すパラメータで、Nd:YAGレーザーでは経験†上M2=2~3程度である。これにより、入射レーザー光のサイズを調整することで、衝突点におけるビームサイズを独立に操作することが可能である。例えば
M2=3の場合、s0=100mm , f=1500mm であるから、sf =3.7mmとなるように入射光を調整すれば良い。
収差を考慮しなければ、レンズに入射した並行光はレンズ上の位置にかかわらず一点に収束される。
レンズの中心からrだけ離れた位置に入射レーザーの中心がある場合、レンズの焦点‫״‬離をfとすると、焦点においてレーザー光の光ࡃはr/fだけ傾いている。
このことから、入射レーザーの位置を動かすことで衝突点での光ࡃの傾きを独立に操作できる。光学機器のサイズにもよるが、±10mrad程度の範囲で調整が可能である。
スポットの位置はミラーのԒ度によって調整できるが、ミラーを動かすと光ࡃの傾きも同時に変化し、周回の条件が崩れてしまう。そこで、本実験では一旦周回の条件を満たした後のスポット位置の調整を、ミラーを使わずに衝突点を挟む2枚のレンズの位置を同時に動かすことによって行う。光ࡃに垂直な平面内で収束レンズを動かせば、焦点の位置を調整することができる。このとき衝突点後方のレンズを同じ量動かせば、集束レンズ入射時の光ࡃの傾きは光ࡃによって変化しないので、周回条件を崩すことなくスポット位置のみを独立に操作できる。スポット位置調整の分ӕ能はレンズ移動‫״‬離の分ӕ能と一致し、10mm以下のオーダーでの調整が可能となる。

454

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

調整範囲はレンズ移動のストロークと一致するが、光ࡃの傾きが変わらぬよう微調整に留めておくのが無難である。
3.3

進行状況

現在実験に必要な物品の手配を行っており、実験の開始は9月上旬となる見込みである。実験開始までには収差、光学系の誤差による影‫؜‬についても評価する必要がある。

４．まとめ
小型単色硬X線源へのレーザーサーキュレーションシステムの導入を検討し、X線発生量の見積を行った。周回によるエネルギー損失を補填しない場合で、レーザーのエネルギーは10倍、X線発生量は109photons/secとなる見込みである。
レーザー周回システムの光学系の০‫ڐ‬は、衝突点におけるビームの状態を周回の条件を崩さずに操作することを目標として行った。現在低エネルギーのレーザーによるレーザー周回実証実験を準備中であり、9月上旬には実験を開始できる見込みである。

参考文献[1] K.Dobashi, et al.,“X-bandリ ニ ア ッ ク を 用 い た 小 型
硬 X線 源 ” Proceedings of the 28th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Tokai, Aug. 1-3, 2003

[2] Y.Suzuki, et al., “A New Laser Mass Spectrometry
for Chemical Ultratrace Analysis Enhanced with
Multi-Mirror System (RIMMPA)” ANALYTICALSCIENCE 2001, VOL.17 SUPPLEMENT

455