第20回加速器学会年会

狭帯域チェレンコフ回折放射の研究
熊⾕航平(M2)、南部 健⼀、武藤 俊哉，柏⽊ 茂, ⿅⼜ 健，Anjali B. Kavar,
⼯藤滉⼤, 柴⽥ 晃太朗，⾼橋 健，⻑澤 育郎, ⽇出 富⼠雄，⼭⽥ 悠樹, 濱 広幸
東北大学電子光理学研究センター・加速器ビーム物理研究部

2023年8月30日

第20回日本加速器学会年会

目次• 研究背景・目的• 狭帯域チェレンコフ回折放射について・チェレンコフ放射・チェレンコフ回折放射・狭帯域チェレンコフ回折放射• t-ACTSにおける実証実験
・試験加速器(t-ACTS)・コヒーレントチェレンコフ回折放射の利用
・HDPEラジエータ
・セットアップ
・実験結果• まとめと今後の予定
2

目次• 研究背景・目的

3

研究背景・目的・t-ACTS(test-Accelerator as Coherent Terahertz Source)

さまざまなTHz放射の研究を⾏っている
アンジュレータ放射, チェレンコフ回折放射,
コヒーレントアンジュレータの研究

⾮破壊ビーム位置モニターの研究

スミス=パーセル放射
バンチ⻑モニターの研究

・狭帯域のTHz光源は種類が少ない
ex アンジュレータ
・スミス=パーセル放射とチェレンコフ回折放射から着想
周期構造を持つラジエータからチェレンコフ回折放射(ChDR)を発⽣させることで、広帯域であるChDRを狭帯域化が可能ではないか?
・もし狭帯域化が可能ならばTHz光源としてさまざまな研究に役⽴つ可能性あり

目的

周期構造を持つラジエータを使⽤し狭帯域チェレンコフ回折放射の初観測を⽬指す！！
4目次• 狭帯域チェレンコフ回折放射について・チェレンコフ放射・チェレンコフ回折放射・狭帯域チェレンコフ回折放射5チェレンコフ放射(ChR)!

誘電体内での光の速度 < 電⼦の速度#の条件下において"電場の波⾯が包絡線を形成し光が発⽣)*" > )
チェレンコフ⾓: $! %&' $! =*"!:真空での光速度" :誘電体の屈折率# :電⼦の速度#
β＝ !: 電⼦の相対速度

チェレンコフ放射は広帯域
ChRの放射強度-. /,-0-12341∝
76チェレンコフ回折放射(ChDR)
誘電体近傍に荷電粒⼦が通過する際に発⽣する放射ビームロスがない(⾮破壊)ChDRの放射強度はカップリングファクターKにより減衰ℎ$ = exp(−2)./0ChDRの放射強度

45 634-47!
: 横⽅向フーリエ成分"
ビームが誘電体近傍を通過する時の電場
2: インパクトパラメータ
ビームと誘電体の距離89:;

45 6=34-47×$89;

放射強度は放射波⻑とインパクトパラメータに強く依存する

7狭帯域チェレンコフ回折放射(Narrow-Band Cherenkov Diffraction Radiation；NBChDR)
周期構造を持つラジエータを使⽤することでチェレンコフ回折放射(ChDR)を狭帯域化！！
電⼦を周期構造を持つラジエータ近傍を通過させる⇦①のChDR

周期構造により個々のラジエータからChDRが発⽣⇦②のChDR⇦③のChDR⇦④のChDR①②③④!"

⼗分遠⽅において、光の⼲渉効果により狭帯域化できるのではないか

8放射波長の計算ビームがAからBまで通過した際に1周期の中で同じ場所であるP1とP2から出た光を⽐べる

観測者に対してラジエータは⼗分遠⽅と仮定
d：周期⻑
β：電⼦の相対速度P2sで発⽣した光がP2eに届くまでの時間%&

ChDR

θ：観測⾓
P1e%+

ChDR%0%.
P1s
dP1sで発⽣した光がP1eに届くまでの時間%+観測者. 0:; 4%+ = %0 + %. =+%.
0P2e4%8%.

dP2s%)
A%&<=B.
%& = %8 + %. =+%/0 .
. . 123 4!% = %& − %+ =−/00共鳴条件!" = $!% = &'( ( = ). +. & …

. +放射波⻑ 5 = ( (/ − 123 4)
スミス=パーセル放射の式と同じになる目次• t-ACTSにおける実証実験
・試験加速器(t-ACTS)・コヒーレントチェレンコフ回折放射の利用
・HDPEラジエータ・セットアップ
・実験結果
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t-ACTS(test Accelerator as Coherent THz Source )RF Frequency
Beam energy
Macropulse length
Number of bunch
Bunch charge
Bunch length
Beam size

2856MHz
22MeV~2.0us~5700 bunch/macropulse
7pC/microbunch~80fs&': ~100μm &): ~100μm!" : 72fs
11

コヒーレントチェレンコフ回折放射の利用
t-ACTS(22MeV)

100フェムト秒以下の極短電⼦バンチを⽣成可能
コヒーレント放射の条件

放射波⻑>バンチ⻑-. : バンチ⻑
*,+ #,!(#) = &'((−),チェレンコフ放射波⻑はバンチ⻑に⽐べて⼗分⻑い0.1.23 (4) = 05678 (4)× :; 1 − =(4) + :;? =(4)コヒーレントチェレンコフ回折放射を利⽤
12,HDPEラジエータ

ラジエータに必要なスペック
・加⼯しやすい⾼密度ポリエチレン(HDPE)
・⾼透過率・⾼屈折率
HDPEをラジエータの形に射出成形!"#$%_'(') = ). ,-. ± (. ((-,γ=43としてチェレンコフ⾓を計算 23 = 45. -°周期数40 周期⻑0.8mmとしてラジエータを設計

概ね期待通り!
設計の⼯夫
チェレンコフ⾓に出た放射がラジエータ境界⾯に垂直に⼊射屈折を無視できる

01

射出成形したHDPEを使⽤し屈折率を測定!"#$%_'('- = ). ,'4 ± (. ((723 = 45. (°13HDPEラジエータ
HDPEを射出成形したラジエータを組み⽴てた三⾓形のラジエータを40個並べた写真

10mm!"

14期待される放射波長の算出
放射波⻑
# 1!=− cosθ$ &λ：放射波⻑
ｄ：周期⻑
θ：観測⾓
β：電⼦ビームの相対速度ｍ：放射の次数d=816μm ,,- =49°での基本波の共鳴周波数は1.07THz

実験ではチェレンコフ⾓(,- =49°)に近い, = ./°(1.03THz)の分光測定を⾏う
15角度分布とインパクトパラメータ依存性の測定
実験セットアップ
Detector(THz10)!"
Radiator +Vacuum chamber

Point
焦電素⼦検出器(THz10)
Z-cut 結晶⽔晶窓

⼩型・常温でも使⽤可能・感度は波⻑によらない

乾燥空気

THz領域の⽔蒸気の吸収を防ぐ

1THz付近で⾼い透過率16角度分布とインパクトパラメータ依存性の測定
インパクトパラメータ(誘電体とビームの距離)h=2.0mm〜0.5mmで測定

角度分布

θ=50 でのインパクトパラメータ依存性! = !#exp −2ℎ*+,-でfit

f:1.02±0.06[THz]・チェレンコフ⾓付近で強い放射強度をもつ・チェレンコフ⾓付近以外にも有意な放射強度をもつ・インパクトパラメータに依存し指数関数的に放射強度が変化
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分光測定
! = #$° で分光測定を⾏う
マイケルソン⼲渉計を使⽤
移動ステップ5μm 移動距離2000μm

Off-axis parabolic mirror

Radiator +Vacuum chamber

EFL:190.6mm

SplitterOff-axis parabolicmirror

Fixed mirror

Movable mirror
THz10

光路⻑：0.8m

18分光測定 (" = $%°)

周波数スペクトル

干渉パターン

10〜13個程度の⼲渉縞
f=1.04[THz]∆f:0.28THz(FWHM)

予測していた周波数域付近(1.03THz)にピークを確認
課題
周期数(40周期)に⽐べて⼲渉が少ない
ラジエータの精度に問題ありか？

狭帯域化したコヒーレントChDRの観測に成功!!
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まとめと今後の予定
t-ACTS(test-Accelerator as Coherent Terahertz Source)において周期構造を持つラジエータを使⽤し狭帯域チェレンコフ回折放射の初観測を試みた。
⾓度分布測定によりチェレンコフ⾓付近に強い放射強度を持ちその他の⾓度でも有意な放射強度を得た。
チェレンコフ⾓でマイケルソン⼲渉計を使⽤し分光測定を⾏い狭帯域チェレンコフ回折放射の観測に成功。
今後はチェレンコフ⾓以外の⾓度でも分光測定を⾏う。
周期数(40周期)に対し⼲渉数が少ないのはラジエータの精度に問題がある可能性があるため今後は改良したラジエータを使⽤し⽐較実験を⾏う。
20

21

問題点
周期数に対して⼲渉が少ない→ ラジエータの精度に問題がある可能性あり
以前の実験で使⽤したHDPEと⽐べると屈折率がややばらついている

以前の実験

今回の実験

!"#$% = '. )*+ ± -. --*!"#$% = '. )./ ± -. --0

defectHDPEを射出成形したサンプルには写真のようなDefectがあるものがやや混じっていた
ばらつきの原因である可能性が⾼い
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問題点
以前の実験で使⽤したHDPEラジエータはHDPEの塊から切り出したものであり、射出成形したものよりもばらつきが少ない可能性がある
HDPEの平板を切り出したラジエータを使⽤し⽐較実験を⾏う

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チェンバーの光取り出し窓

Z-cut結晶⽔晶窓
透過率(1THz)

約72%

厚さ4mm
100mm

直径

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ChDR測定の角度分布測定
ラジエータ

⾓度分布測定結果

セットアップhh:インパクトパラメータ(誘電体とビームの距離)
K.Nanbu, et al.,Proc.of PASJ2022, Kitakyusyu (Online meeting),
Japan, Oct. 2022, pp. 761-763.
25バンチ長測定
L$ : バンチ⻑

1バンチに108個の電⼦が含まれている。
→⾃発放射とコヒーレント放射で８桁の差の放射強度コヒーレント放射と同⼀視することができる
CTRの周波数スペクトルIKJ BK
D(B) = FGH(−)
KK

バンチ形状因⼦の関数形

Fit可能関数形!"#$ ω = ' ∗ !)*+,)-.$/+ ω ∗ !"#0$/+ ω + B= A ∗ exp

89: ;:− <<∗ (1 − exp −; @;?

測定したスペクトルデータをフィッティングすることでパラメータA,B,σ, BC を決定(BC はカットオフ周波数)+A!"#0$/+ ω = (1 − exp −; @;?

t-ACTSにおける極短電子ビーム生成
Velocity bunching
進⾏波型加速管に、RF電場の位相速度より僅かに遅い速度の電⼦バンチを⼊射⼊射位相をゼロクロス位相に設定

圧縮位相滑り(Phase slip)

電⼦バンチ!& < !"#(!#&)* < !+),- )RF電場!"# = %バンチの前⽅と後⽅で速度変調が⽣じ加速と同時にバンチが圧縮される

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スミスパーセル放射
電⼦が周期構造を持った⾦属表⾯近傍を通過する際に⽣じる放射θ

SPRの特徴・回折格⼦の周期⻑と観測⾓で放射波⻑が決定
・光の⼲渉効果により狭帯域化,-θ=90°におけるCSPRのスペクトル測定結果

d

放射波⻑

# 1!=
− cosθ
$ &λ：放射波⻑
ｄ：周期⻑
θ：観測⾓
β：電⼦ビームの相対速度ｍ：放射の次数28