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)

Development of High Brightness Electron Source for Laser-Compton Scattering
F.Sakai1,A)B),

T.Nakajyo A), T.Yanagida A), Y.Okada A), M.Yorozu A), Y.Aoki A) and S.Ito B)
A)
Sumitomo Heavy Industries, Ltd.,
2-1-1 Yatocho, Nishitokyou, Tokyo 188-8585
B)
The Femtosecond Technology Research Association
5-5 Tokodai, Tsukuba, Ibaraki 300-2635

Abstract
We have been developing a short pulse x-ray generation system through Laser-Compton scattering. A stable electron
source with 38MeV energy was developed to generate 30keV X-ray pulses under a head-on collision configuration.
Electron energy was measured by a bending magnet to be 38MeV with 0.2% bandwidth (FWHM). Normalized
emittance (rms). was measured to be 3.5 mm.mrad. We also demonstrated the x-ray generation and imaging.

レーザーコンプトン用高輝度電子線システムの開発
１．はじめにX-ray

我々は相対論的電子線による短パルスレーザーのフォトンの散乱による高輝度X線発生装置の開発を行っている[1]。3年前に300フェムト秒短パルスX線の安定発生の原理実証を行った[2]。その後は、発生X線の利用を念頭に、発生X線のエネルギー増加のための電子線のエネルギー増加等の電子線システム改造、発生X線量の増大を目指したレーザー出力の増加、更により安定的なX線の発生を目指した同期系を含んだシステムの安定化、等の開発を進めてきた[3]。
ここでは、主に電子線システムの改造および発生電子線の特性について述べる。また、デモンスト
レーションとしてX線の発生結果についても述べる。

BeamDumper
Ti:sapphireor Yb:S-FAP
Focusing
MagnetAchromatic
Bending

Nd:YLF
4ϖ

PhotocathodeLinac

２．実験装置全体のシステムを図１に示す。以前の装置と大き図１
電子線システム図く変わった点は、エネルギーをあげるために加速管を増強したこととX線の利用場所でのバックグランが、最終的にはエミッタンスの測定を行い、できるドを減らすためにビームラインに90度の偏向をいれ限り最小になるような条件を探して行った。て、加速ラインの軸とコンプトン散乱によるX線の他の部分は前回と大きくは変わっていないが、以発生軸を変えたことである。加速管は、1.5m長さの下に簡単に説明する[2]。
S‑bandの定在波型ライナックを使用している。キャ電子源はBNLタイプの高負荷タイプであるGun‑Ⅳ
ビ テ ィ ‑ の 構 造 は π / ２ モ ー ド の alternating‑
でカソード材として銅を用いている。電子線発生用
periodic structure(APS)で、前回使用したものとのレーザーはLaser Diode (LD)励起のNd:YLFで、波同じである。高周波(RF)は２０ＭＷ(パルス幅４μ長変換素子により４倍波（波長：262nm）にした後、ｓ：FWHM)で、このうち５ＭＷを電子銃に、残りを２分割して２本のライナックに供給している。また、 アイリスで整形し、そのイメージをレンズでカソード表面に転写している。また、電子ビームラインの
ラ イ ナ ッ ク へ の 供 給 ラ イ ン に は そ れ ぞ れ Phase近くに設置したプリズムを通してカソード表面にはshifterを設置し、個々に加速位相を調整できるよ
ほぼ垂直に入射を行っている。尚、プリズムには放うにしている。90度の偏向は２台の４５度偏向電磁
射線の影響で劣化する恐れがあったため、反射コー石とachromatic（等色性）にするためにその間に設ティングをほどこしていない。そのため、１割弱の置した４台のQ‑電磁石で構成している。Q‑電磁石の反射ロスがある。
調整は、粗調整時には加速管の位相を変えてエネルギーを変えた状況でビームを伝播する条件で行った
1

E-mail: fmo_sakai@shi.co.jp359

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発生した電子線を２本の加速管で加速し、９０度ビームを曲げた後に、Q‑Tripletで収束する。レー
ザーとの衝突によるX線発生した後は、90度偏向電磁石で鉛ブロックにダンプしている。
衝突チェンバーは、真空容器内にミラーを設置してより焦点距離を短くしてレーザーのビーム径を小さくできるようにした。ミラーは圧空の直線導入器により電子ビームの調整時には電子ビーム軸の水平面からはずし、レーザーの調整またはX線発生時には戻している。これにより電子線調整時のミラーの劣化を最小限にしている。また、ビームプロファイ
ラーとしてアルミナの蛍光板を使用しているが、前回まで使用していた100μmの厚さのものから30μmの薄いものに変えた。
X線の利用に供するために長時間のシステムの安定性をあげる必要がある。このため、加速器のRF位相の制御回路（日本高周波製）を導入した。これは、加速管の方向性結合器からの信号とシンセサイザーの基準信号との間の位相を位相検出器で検出し、その変動を回路内の位相器で補償してRFドライバーへの供給RF位相を制御するものである。これにより、気温や冷却水等の緩やかな変動にはある程度対応することができた。ただし、ケーブルやレーザー側の機器（検出器や制御器）の温度変動の影響を避けることはできないため、やはり環境の安定化が重要であることはまちがいない。また、４５度の偏向電磁石電源の安定度がビーム位置の安定性に大きく影響するため、２ｘ１０ ‑5以下の安定性電源を使っている。現在、ビームの位置の変動は問題ない程度になっているが、電流検出器を恒温槽に入れて更に安定化する予定である。

35Intensity (a.u.)

dE=73keV(FW H M )30 dE/E(FW H M )=0.2%

1510037.5

37.637.7

37.837.938

Electron Energy (M eV )r m s . n o r m a liz e d e m itt a nπcne m( m .m r a d

図２エネルギー分布87654321 .3

1 .3 2

1 .3 4

1 .3 6

1 .3 8S o le n o id a l M a g n e t ( k G a u s s )図３ エミッタンスのソレノイド電磁石の磁場依存性

電子線システムの特性

電子線の特性として、エネルギーとエミッタンスおよび衝突点でのビームのポインティング安定性の測定を行った。
エネルギー測定は最後の90度偏向電磁石とスリットを用いて行った。ガンでのレーザーの入射位相は２５度で固定した。ライナックの位相に関しては、最初のライナックでガンからでてくる電子線のエネルギー広がりをキャンセルしてエネルギー分散が最小になるように設定し、後段のライナックは最大電界になるように設定した。これにより得られた結果を図２に示す。エネルギーの中心で37.6MeVで分散として17keV(FWHM)、約0.2%であった。これは、前回の結果とほぼ同じであり、Parmelaでの計算結果とも一致している。
エミッタンスは最初の90度偏向後の収束用Q-電磁石と30μm厚みの蛍光板を用いて測定を行った。方法はQ-scan法で、水平及び垂直方向で行っている。
45度偏向電磁石間のQ‑電磁石の値をパラメーターとして測定した後、最適と思われる組み合わせの条件で測定したエミッタンス測定結果を図３に示す。横205３．実験結果
３．１25

軸はガン直後にあるエミッタンス補正用のソレノイドの磁場強度である。電荷は0.8nC/pulseでガン及びライナックの位相はエネルギー測定で述べた条件と同じである。ソレノイド磁場1.33kgauss付近で最小 と な り 、 規 格 化 エ ミ ッ タ ン ス と し て 3.5 π mm ･mrad(rms.)が得られた。
また、収束した後にビーム中心およびビーム径の変動を測定した。測定時間は約30分間でビーム径61μm(垂直)ｘ82μｍ(rms)(水平)に対し、ビームの中心位置は垂直、水平方向でそれぞれ1.4μｍ、5.3μm(rms) 、 ビ ー ム 径 は 垂 直 ： 4.1 μ m 、 水 平 1.4 μm(rms)であった。中心位置に関しては満足する結果が得られているが、ビーム径の変動に関しては更に安定化する必要がある[4]。また、これらのデータは運転条件や周りの環境に依存するので、今後多くのデータを蓄積して定常的に運転できることを確認する。
３．２
360

X線発生の結果

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全散乱光子数 (10 4 )開発の計画ではLD励起のYb:S-FAPレーザーを使用する予定であるが、現状では開発途中であるた
め 、 今 回 は Ti:sapphireレ ー ザ ー を 使 用 し た 。 レ ー30mm
30mm
ザ ー の 使 用 時 の 主 な 性 能 は エ ネ ル ギ ー 50200mJ/pulse、パルス幅100-200fs(FWHM)であった。
電子線とレーザーの衝突角度は約15度で、この時のX線の発生量を図４に示す。ここでは、前回の電子線 14MeV で の デ ー タ も 示 す [2] 。 尚 、 検 出 器 はMCP(Micro-Channel Plate)であり、エネルギーによる(a)写真(b)X線像検出効率を考慮し、かつ検出器の有効面積とシミュ
図５ X線による電子基板の吸収像レーション計算に基づくX線分布を仮定して、全発生量を算出している。前回に比べて効率で約一桁向
今後屈折コントラスト法等のこれらの特徴を生かし上している。これは、電子線及びレーザーのビームた像を取得する予定にしている。
径が前回100μm(rms)に対して、30-60μm(rms)程度まで小さく絞ることができたことによるものである。
４．おわりに今後、ビームパラメーター等の詳細なデータも並行
レーザーコンプトン散乱による高輝度X線発生装して取得し、計算結果との比較を行う予定である。
置の電子線システムの開発を行い、X線発生をス50タートした。今後は、衝突用レーザーの開発を進め、X線の発生量、エネルー分布等の特性を取得すると共に、イメージング等の発生X線の利用に関する研40究を進めていく予定である。
改造前
尚、本研究は新エネルギー・産業技術総合開発機
改造後構(NEDO)から研究を委託された技術研究組合・フェ30
ムト秒テクノロジー研究機構(FESTA)の研究の一環として行ったものである。
20参考文献10[1] 遠藤彰

0020406080100

レーザーエネルギー(mJ)
図４ X線発生量のレーザーエネルギー依存性■は前回のデータ[2]、●は今回のデータ
また、発生したX線によるイメージングのテストも行った。対象は電子基板で図５にそのイメージを示す。(a)は対象物の写真による像であり、(b)はX線の吸収像である。X線発生点から約2.8ｍの距離にあるφ30mmのX線窓を通過した後、サンプルを測定している。レーザーコンプトンによるX線の特徴として点光源による空間コヒーレンス性が上げられ、フェムト秒高輝度X線発生技術
応用
物理学会誌、71, 200-203(2002)[2] F. Sakai, and et al. "Short Pulse X-ray Generation by
Laser-Thomson Scattering", Proceeding of the 2001
Particle Accelerator Conf., Chicago, 26962697(2001)[3] F. Sakai, and et al.,” Status of Laser-Compton X-ray
Generation project for FESTA”, Proceeding of SPIE
48th Annual Meeting, San Diego, (2003)[4]M. Yorozu, and et al., Fluctuation of femtosecond Xray pulses generated by a laser-Compton scheme”,
Appl. Phys. B 74, 324-331(2002)

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