Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 THP107

半導体レーザーアレイを用いたレーザーコンプトンγ線源の検討
STUDY OF LASER COMMPTON GAMMA-RAY SOURCE USING LASER DIODEARRARY
天野壮#, 吉川大久, 宮本修治#
Sho Amano , Taku Yoshikawa, Shuji Miyamoto
University of Hyogo

Abstract
We propose a new scheme with a “side-on-collision” between an electron-beam and laser beams emitted from highpower laser diode arrays in order to obtain high power laser Compton gamma-ray. To calculate a gamma-ray flux in
NewSUBARU, we measured powers, spectra and spatial characteristics of a typical GaAlAs laser diode array. Using
the measured results and the data of electron beam at BL01 in NewSUBARU, we calculated a laser gamma-ray
luminocity to be 9 photons/mA/W/sec with the “side-on-collision”. This indicates that a laser cavity to enhance
Compton backscattering is required in this scheme. We conclude that the “side-on-collision” scheme with the cavity is
expected to generate gamma-ray flux more than10８photons/sec.
本研究では先ず、ガンマ線量を予測するためサイド衝突の計算コードを開発した。用いるレーザーは兵庫県立大学ニュースバルでは、楕円形の電子蓄 小 型 で 高 出 力な GaAlAs 半 導体 レ ー ザ ーア レ イ
積リングの長直線部の一つ（NS-BL1）を用いて、 （LDA）とし、計算に必要な LDA の出力、波長スレーザーコンプトンガンマ線を供してきた。これは、 ペクトル、空間特性を実測した。この測定結果を電子とレーザー光子との相互作用距離を長くとって、 使ってニュースバルでの実験（BL1 中央部、電子エできるだけ多くのガンマ線量を得るという思想に基 ネルギー1GeV）を想定してシミュレーションした。

1.

はじめにづく。現在、主に用いているレーザーは波長 1.06
Shield tunnelµm の Nd:YVO4 レーザーと波長 10.6 µm の CO2 レーeShieldeザーであり、それぞれに対してガンマ線ルミノシ
hatchcollimatorAB
テ ィ 6000 photons/mA/W/sec [1] 、 7300 photons
lens/mA/W/sec [2]を得ている。またガンマ線最大フラッLaser
BL-1
14m
クスは~10７photons/sec となり、多くの応用実験に用detector
いられている。
応用実験上、より多くのガンマ線量が望まれる。 Figure 1: Head-on-collision at NS-BL01 for laser
そこで今回、新規の衝突法を提案してニュースバル Compton gamma-ray generation (present status).
レーザーコンプトンガンマ線の高出力化が出来ないか検討した。レーザーコンプトンガンマ線は従来、Shield tunnel
多く施設でも、相対論的電子ビームに逆方向からeShieldeレーザーを入射して正面衝突（A、B 点）で光子をLaser Diodehatch
collimator
散乱させて発生させていた（Fig. 1）。この方式だとlens配置できるレーザーは一台に限定されるので、発生
BL-1
ガンマ線の高出力化には、この一台のレーザーを、14m
detector
高ビーム品質を保ったまま高出力化するしかなかった。しかし、これには限界がある。そこで本研究において、Fig. 2 のように電子ビームの進行方向の真 Figure 2: Side-on-collision at NS-BL01 for laser
横から複数個のレーザーを配置して生成ガンマ線の Compton gamma-ray generation (proposal).
出力スケールアップ則が確立できないか検討した。
尚、本稿では今後、Fig. 1 の正面衝突の形態を 2. コンプトンガンマ線計算式
レーザーコンプトンガンマ線のフラックス ng「ヘッドオン衝突」、Fig. 2 の 90 度衝突を「サイドオン衝突」と記す。90 度衝突によるレーザーコンプ (photons/sec)は Eq. (1)で表される。
トンとしては、f-sec の短パルスガンマ線生成[3]や電子ビームのバンチ構造評価[4]に使われた例があるが、
nγ = c 1− β cosθ1 σ U eU l dV
(1)
本研究のようにガンマ線高出力化のために行われた例は他に知らない。
ここで、Ue, Ul はそれぞれ電子ビームとレーザー_________________________________________#の空間分布を表す。
sho@lasti.u-hyogo.ac.jp(- 1140 -) ∫

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衝突断面積sはクライン仁科の公式
22⎡r k ⎤ ⎡ ⎛ 1 1 ⎞⎛ 1 1 ⎞ ⎛ x x ⎞⎤dσ= 2⎢ 0 2 ⎥ ⎢4 ⎜⎜ + ⎟⎟ − 2 ⎜⎜ + ⎟⎟ − ⎜⎜ 1 + 2 ⎟⎟⎥dΩ⎣ x1µ ⎦ ⎢⎣ ⎝ x1 x2 ⎠⎝ x1 x2 ⎠ ⎝ x2 x1 ⎠⎥⎦Beam size (mm)25(2)の微分断面積より求められて、

k2 =(k1 1− β cosθ1)⎡1+ k E − β cosθ − k cos θ − θ E ⎤12121⎣⎦()20V

1510(3)

((H20

ここで

2γ k1x1 = −1− β cosθ1µ2γ k2x2 =1− β cosθ 2µM2x =1.54
M2y =1.10
w0x =6.8mm
w0y =0.48µm

304050Distance from spot(mm))

Figure 4: Beam sizes of the LDA.
(4))

4.

結果と考察

LDA 測定結果を使ってニュースバルでの実験（BL1 中央部、電子エネルギー1GeV）を想定して、サイドオン衝突をシミュレーションした結果、エネ
ル ギ ー が 11MeV の ガ ン マ 線 が ル ミ ノ シ テ ィ 9photons/mA/W/sec で得られ事が判った。これはヘッドオン衝突時の~7000 photons/mA/W/sec に比べ 3 桁ほど小さい値である。この違いはレーザーと電子ビームの相互作用長に起因する。ニュースバル直線部を使ったヘッドオン衝突実験では作用長が~10 mであるのに対して、サイドオン衝突では作用長はレーザービーム水平直径の 1 cm 程度にしかならない。従って、単純なレーザー１パスのサイドオン衝突ではガンマ線フラックスが稼げない。
3. 半導体レーザーアレイ特性
そこで作用長を伸ばすためにレーザー光を閉じ込本方式で想定しているレーザーは小型で高出力な める共振器の導入を提案する。これは著者らによっ
一次元 GaAlAs 半導体レーザーアレイ（LDA）であ て、かつてヘッドオン衝突実験用に提案された共焦る。測定に用いた LDA は発光エリアが 1 cm1 点を持つマルチパス共振器[5]の応用である。ケースµm であり、そこから cw 20 W のレーザー出力が得 スタディとして、この共振器で 30 倍の衝突回数られた。発光スペクトル波長は 804 nm である。
（作用長）が得られ、電子ビーム電流 300mA、LDA
ピンホールスキャン法により測定した発光空間パ 単体の出力 200W（市販品）である時、LDA を６個ターンを Fig. 3 に示す。水平・垂直方向共ガウシア 以上並べれば、現状のニュースバルガンマ線量を一ンで近似して、その空間伝搬特性を示したのが Fig. 桁上回る 10８photons/sec のフラックスが得られる。
4 である。これからビームウエスト（水平：6.8 mm、 また、そのガンマ線量は LDA 個数に比例してさら垂直：0.48 µm）、M２因子（水平：1.54、垂直：1.1） に増加でき、出力スケールアップ則が成り立つ。
が求められ Ul が決定できた。
である。k1, k2 はそれぞれレーザーとガンマ線エネルギー、q1, q2はそれぞれ衝突と散乱角度を表す。または r0 古典電子半径、µは電子静止エネルギーである。上式でヘッドオン衝突の時はq1=p、サイドオン衝突の時はq1=p/2、また後方散乱を考えるのでq２=0とする。
Equation (1)よりガンマ線フラックスを計算するには、電子とレーザーの空間分布 Ue, Ul が判らないといけないが、この内 Ue についてはニュースバル
BL1 での値は判っている[2]。そこで次に Ul について実測した。

謝辞

500
θv30
θH10

本研究は平成 29 年度兵庫県立大学特別研究助成（先導研究 A 個人）を受けたものである。

400

Power (mW)

V
300

参考文献

200
H
100
0-20000-1000001000020000

Distance from center (µm)

Figure 3: Spatial patterns of the LDA.

[1] K. Horikawa et al., Nucl. Instr. and Meth. A618, 2010,
pp.209-215.
[2] S. Amano et al., Nucl. Instr. and Meth. A602, 2009, pp.337341.
[3] Y. Taira et al., Nucl. Instr. and Meth. A637, 2011, pp.S116S119.
[4] W. P. Leemans et al., Phys. rev. lett. 77, 1996, pp.4182 4185.
[5] S. Amano et al., Jpn. J. App. Phys. 40, 2001, pp.654-655.

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