レーザー逆コンプトン散乱ビームライン利用計画

羽島 良一
日本原子力研究開発機構
ERL 検討会
２０１３年6月１８日

レーザーコンプトン散乱
Laser Compton Scattering(LCS)

Scattered Photon

21ElectronIncident Photon（正面衝突の場合）

 ビーム状のガンマ線（Ｘ線） エネルギー可変
 偏極 (直線または円)エネルギーと散乱角度の相関（EX and θ ）2

原子核共鳴蛍光散乱
Nuclear Resonance Fluorescence (NRF)
Nuclear Resonance Fluorescence (NRF)

Energy [keV]

2423
2143

Tunable

1+
2003
1815

1+
1+

2410
2245
2176

fingerprint

1733

Absorption
977
933

Emission

938

1
Absorption0+

Flux of gamma-rays

00+

243 Am0237 Np

1/2+

239 PuEdetector

∆E0.0

1.0

7/2680-235 U

00+238 U

0WANTEDNRF signal
U-238
2.176 MeV

2.176 MeV for U-238∆E/E < 1%0-Emission

targetγ-ray beam

2.0

Photon Energy (MeV)

Photon energy (MeV)3

同位体の非破壊検知の実証実験

Pb block shielded by 15mm-thick iron box

5512 keV
Pb-208
Position and shape of the Pb block
were clearly identified.
N. Kikuzawa et al., Applied Physics Express 2, 036502 (2009).

~ 10 hours @ AIST

4

“ERL” に基づく、高輝度大強度ガンマ線源
低エミッタンス、大電流電子ビーム
 高繰り返し、高密度の衝突散乱

レーザー蓄積装置
γ-raySupercavity
LaserElectron bunch

レーザ光子の再利用
Energy Recovery Linac

高輝度大強度 γ線
Electron beam = 350 MeV, 13 mA
Laser intracavity = 700 kW
LCS ~2MeV, 1x1013 ph/s

電子エネルギーの再利用
Acceleration

0.1 ph/eV/s  10^7 ph/eV/s
Deceleration

AISTERL

R. Hajima et al., NIM-A608 (2009)5

コンパクトERLにおける実証実験 (2011-2014)
文科省、核セキュリティ強化等推進事業費補助金にて実施
周回軌道、LCS発生装置、ビームライン、実験室の設置
LCS発生の実証実験

Building

LCS experimental rooms

electron gun

superconducting
accelerator(9-cell x 2 cavity)

LCS gamma-rays

LCS chamber

1-loopElectron beam = 35 MeV, 10 mA
LCS flux ~ 1x1011 ph/s
6大強度モードロックレーザーの開発（JAEA関西）
Yb-ドープ ファイバーレーザー（4ステージ 100 W）

Stretcher

2-stage preamp( 4W )

Main AMP(25 W)

Booster AMP (100W)
In preparation

30W@976nm LD

150W@976nm LD

450W@976nm LDpumppumppump

1stisolator

Yb-doped fiber
Oscillator
Wavelength ~1030 nm
Average power ~ 50 mW
Pulse length < 300 fs
Rep. rate = 78 MHz

Yb-fiber amplifier

Yb-fiber amplifier

Photonic crystal
Yb fiberPhotonic crystal
Yb fiber

2ndDouble
clad Ybfiber

Grating compressor

20W 出力を達成、100Wに向けて最終調整中
Pulse length = 330 fs (FWHM)

小菅 淳(JAEA)

7

レーザー蓄積装置
これまでに複数台の装置がKEKで開発されている
4-mirror cavity at ATF

4-mirror cavity at STF

T. Akagi et al., Proc. IPAC-2012

4-mirror cavity at LUCX

増倍率 ~1000 が実現しつつある

コンパクトERL実験の目標値--- 100 W laser x 1000 = 100 kW

K. Sakaue et al., IPAC-2013 (2013)8

次世代の LCS ガンマ線施設
Mega-ray @ Lawrence Livermore Natl. Lab.
250 MeV Linac, Eγ = 1-2 MeV

ELI-NP : Complex of PW lasers and LCS
360-720 MeV Linac, Eγ = 1-20 MeV

ERL-based LCS gamma-ray @ Compact ERL
Future upgrade E= 250MeV with 2-loop

9次世代ガンマ線源の産業利用とサイエンス
分析技術と産業利用
放射性同位体の非破壊分析法
化学物質の非破壊測定
ガンマ線CTによる産業利用
光子誘起陽電子消滅分析法による材料物質の深部の分析
磁気コンプトン散乱による磁性材料の研究
ガンマ線イメージング

コミュニティの議論を喚起「次世代レーザーコンプトン散乱
ガンマ線源とその利用」
ISSN-1342-3185
IAE-PR-2013-101
著者(19名)、今年1月に発刊

今年秋の物理学会
基礎科学研究
シンポジウムを開催
元素の起源の探求「次世代高輝度レーザーコンプトン
超新星ニュートリノ散乱ガンマ線が切り開く展望」
宇宙核時計と宇宙年代学
ビーム物理、実験核物理合同
γ線で探る原子核の構造
光核分裂
重水素標的を用いたパリティ非保存の研究
円偏光ガンマ線を用いた核蛍光励起でのパリティ非保存
デュルブリック散乱によるQEDの非線形効果の探索
核共鳴蛍光での超放射
ローレンツ不変性および短距離での重力法則の検証
10小型加速器による小型高輝度Ｘ線源とイメージング基盤技術開発
光・量子融合連携基盤技術開発プログラム（2013～2017年度）
代表： KEK、浦川順治 参画機関：広島大、JAEA、リガク、日大、早稲田大、産総研、京大、東北大

2015年度からはコンパクトERLにてX線発生と利用を展開
小型高輝度Ｘ線源(Peak Brightness 1019)
数keVから100keV X線領域エネルギー可変光源
X-ray利用:
イメージング
技術開発等

超伝導加速空洞

小型ERL
35～50MeVICS(逆コンプトン散乱)
パルスレーザー蓄積
光共振器、衝突点

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まとめLCSガンマ線源に向けた基盤技術の実証、利用の開拓• コンパクトERLにおけるレーザーコンプトン散乱光源の開発、核セキュリティ補助金により実施（2014まで）• コミュニティと連携して利用開拓のための議論を開始
LCS-X線源の利用• 「光・量子融合連携基盤技術開発プログラム」による
LCS-X線の利用を含めた研究の展開• 小型高輝度X線源、イメージングの基盤技術の実証• LCS-X線のユーザー実験へビーム供給を目指す

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