1THOA05

交叉型アンジュレータを用いた
THz域偏光可変超放射発生の研究
齊藤 寛峻（高エネルギー加速器研究機構）
武藤 俊哉，柏木 茂，日出 富士雄，濱 広幸（東北大学電子光理学研究センター）

第19回加速器学会年会
オンライン
2022年10月20日

研究背景 THz放射◼ THz光源（周波数0.1-10 THz、波長3000-30 μm）• 従来型光源が利用不可 → 近年は多くの光源が登場• 加速器ベース光源 → 強度にアドバンテージ
超放射（コヒーレントアンジュレータ放射）

2THz光源の平均パワー
加速器光源

波長より十分短いバンチ長≲100 fs (30 μm)のビームを利用◼ 偏光の利用• 応用例： 円二色性分光（キラルな生体分子の構造解析）
実験例

光源： UCSBのTHz FEL
周波数： 1.53, 1.98, 2.52 THz
平均パワー： 数mW
J. Xu et al., Proc. of SPIE 5268, pp.19-26 (2004).

• 偏光素子の制限（波長板製作が困難）→ THz域の偏光利用には制約

非加速器光源 ＜ 数百mW加速器光源 ＞ 数百mW

直線：従来型光源
楕円：近年の光源

研究背景 加速器ベースの偏光可変光源◼ 磁石列駆動式のアンジュレータ

水平直線偏光

円偏光

3垂直直線偏光• 磁場分布を変化• THz超放射光源でも採用（SINAP）✓ 偏光切替速度が遅い（<0.1 Hz）
APPLE-II型
Elettra Sincrotrone Trieste.
https://www.elettra.trieste.it/lightsources/fermi/fermi-machine/felundulator.html.

◼ 交叉型アンジュレータ• 2つのアンジュレータ放射を重畳• THz域では応用例なし（可視光～紫外線領域のみ）✓ 高速偏光切替可能（>10 Hz）

水平直線偏光

垂直直線偏光

K.-J. Kim, LBL Report LBL-18313 (1984).

超放射 × 交叉型アンジュレータ→ 強度面・偏光面ともメリットのあるTHz光源が実現できる？

研究目的

4交叉型アンジュレータを用いた偏光可変THz超放射光源の検討
従来の交叉型アンジュレータ光源との相違点• 放射周波数• ~100 fsの超短バンチ長維持の必要性

最適な光源システムの構成や光源としての実用性は自明でない（1）THz超放射に適した光源システムを明らかにする• 移相器• 位相調整法• バンチ長調整の可能な電子ビームライン（2）放射特性（実現可能な放射強度、偏光度）を明らかにする• 偏光度を決める要因• 有効放射強度（十分な偏光度が得られる条件下での強度）

（1）光源システム 交叉型アンジュレータの原理
交叉型アンジュレータ

5±45˚直線
𝜓 = 0, 𝜋
左右楕円左右円
𝜓 = ± 𝜋Τ2

直交する直線偏光の重ね合わせによる偏光操作

位相調整
第1の放射の光路長調整による位相操作を採用• スリッページの補正 → 2つの放射の時間的な重畳• 移相器でのバンチ長調整（超放射特有、後述）• 高速偏光切替移相器の概念図

（1）光源システム 移相器の電子ビームラインの要件

6✓ 超放射の強度： バンチ長/放射波長 に指数関数的に依存→ 各アンジュレータでのバンチ長を揃える必要あり

アンジュレータ内でのバンチ伸長
スリッページ長（電子と光の縦方向ずれ） エネルギー偏差𝛿 ≡𝜆u
𝐾2𝑁𝜆 𝛾 = 𝑁 2 1 +2𝛾2∆𝛾による電子の縦方向ずれ
𝛾0Δ𝑧 = −𝑁 𝜆 𝛾0 ＋∆𝛾 − 𝜆 𝛾0→ 波長に対して無視できない（2𝑁𝛿倍）縦方向分散が発生→ アンジュレータ間でバンチ長補正が必要

移相器の電子ビームラインの要件• 十分な角度でのビームの偏向(光輸送ラインのスペース確保)• バンチ長の補正• 1台目のアンジュレータの𝑅56補正• 移相器で発生するバンチ伸長の抑制≈ 2𝑁𝛿 ∙ 𝜆 𝛾0
𝑅56 = 2𝑁𝜆 𝛾0

𝑁：周期数𝜆：共鳴波長𝜆u ：周期長𝐾：偏向定数𝛾：電子ビームエネルギー7（1）光源システム 交叉型アンジュレータシステムの例
東北大ELPHの試験加速器t-ACTSでの実験を想定した設計（詳細は第16回年会発表THOI10）

アンジュレータパラメータ
Halbach type
70 mm×23 mm×20 mm
80 mm
7NdFeB (𝐵r = 1.22 T)
33 mm
0.471 T (𝐾 = 3.51)
1.93 THz (155 μm) (𝐸 = 22 MeV)

RF frequency

2856 MHz

Macropulse duration

2 μs

Beam energy

22 MeV

Energy spread 𝜎𝛿

1% (rms)

Normalized emittance (𝑥, 𝑦) 3, 6 mm∙mrad

Bunch length 𝜎𝑡

80 fs (rms)

Bunch charge 𝑄

20 pC

4.41 m••トリプルベンド型の移相器ビームライン（偏向角7° × 3）
U1でのバンチ伸長𝑅56 < 0 （アンジュレータと逆符号）の実現に有利
𝑅56 = 2.27 mm
𝑅56 可変 → 周波数変化にも対応可∆𝜎𝑡 = 𝑅56 𝜎𝛿 Τ𝑐 = 75.7 fs

 function (m)

0.7 m

54

B1P

B1P

Q3P
Q2P
Q1P

B1P

U2

0.07

x

x

y

y

0.06
0.05
0.04

30.03

20.02

10.01

000

1

2
3
Longitudinal position s (m)Dispersion function  (m)

6

Q1P
Q2P
Q3P

U1

7

Q2C
Q1C

ビーム光学系

交叉型アンジュレータシステム

Q1C
Q2C

Magnet array
Block dimension 𝑥, 𝑦, 𝑧Period length 𝜆u
Number of periods 𝑁
Magnet material
Gap
Peak magnetic fieldFundamental frequency

電子ビームパラメータ

4U1U2間で対称（2）放射特性（偏光） 偏光度を決める要因
位相差のずれ8軸上に比べLs余分にずれる𝐿s 𝜃∆𝜓 𝜃 = −2𝜋≈ −2𝜋𝜆 𝜃𝜆u

𝐿𝛾 2 𝜃 2𝐾21++ 𝛾2𝜃22放射の角度広がり 𝜎𝜃 =𝐿s 𝜃 = 𝐿 1 − cos 𝜃𝜆で2𝑁𝜆u

𝜃

角度を規格化 𝜃n ≡ 𝜎𝜃

実効的な位相差の角度依存性∆𝜓 𝜃n = −2𝜋1 + 𝐿p Τ𝐿u 𝜃n 224 + 𝜃n Τ𝑁𝐿p𝐿u

光源点の違いによる2つの放射の波面のずれ• 角度依存性に関わる量• 光源間距離𝐿p• 周期数𝑁（角度広がり𝜎𝜃 ）（波長（ビームエネルギー、磁場）には非依存）• 角度依存性改善の限界∆𝜓 𝜃n = 11 + 𝐿p Τ𝐿u 2= 2𝜋> 𝜋4 + 1Τ𝑁5• 有意な位相差のずれは不可避• 一般に偏光度を決める要因（詳細は第18回年会発表THOA04）

（2）放射特性（偏光） 典型的な偏光特性9多粒子放射シミュレーションにより得られた設計光源の円偏光度

𝑥軸上分布
P3 (simulation)
P3 (analytical calculation)

I (simulation)11

右円0.50.80.6

00.4-0.50.2

左円-105
1015
Observation angle x (mrad)

Radiation intensity I (a. u.)

Degree of circular polarization P 3

2次元分布

020

• 放射の角度広がりの範囲内で偏光状態が大きく変化• 軸上では高い偏光度✓ 角度制限により高い偏光度の実現は可能

軸上位相差𝜋𝜓0 = （右円偏光）
2

周期数
𝑁=7アンジュレータ長𝐿u = 0.56 m
移相器長𝐿p = 3.28 m

（2）放射特性（強度） 設計光源の有効強度

10

Designed source (t-ACTS)(simulation)

SINAP(measurement)

バンチ長

80 fs

250 fs

ビームエネルギー

22 MeV

26 MeV

電荷量

20 pC

68 pC

2856 MHz

2856 MHz

マクロパルス長2 μs

3.6 μsマクロパルス繰り返し

10 Hz

50 Hz

周期長

80 mm

100 mm

周期数

7x2

5

1.9 THz

0.8 THz

パルスエネルギー(total: 角度制限なし)

4.4 nJ/bunch(total 0.29 μJ/bunch)

2.4 μJ/bunch

放射パワー（𝑃p Τ𝑃a ）(total: 角度制限なし)

13 WΤ0.25 mW(total 0.81 kWΤ16 mW)

6.9 kWΤ1.2 W

可変（高速切替可）

可変（高速切替不可）

角度制限下の放射強度（有効強度）を評価
電子ビーム

円偏光度0.9の角度制限に対応する強度

ミクロパルス繰り返しSINAP••

APPLE-II型アンジュレータを採用
既存の強度最大のTHz超放射光源

J. Zhang et al., Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. Accel.
Spectrometers Detect. Assoc. Equip. 693, pp. 23-25 (2012).

アンジュレータ

放射周波数
放射特性

円二色性分光実験強度：𝑃a ~1 mW
𝑃p ：ピークパワー
𝑃a ：平均パワー

偏光

（2）放射特性（強度） 有効強度の改善

11

有効強度の周期数依存性◼ ビーム電流の増加（解析的な見積もり）
Wr

Wr

t-ACTS → SINAPで107倍増加

RN ( = 1%)

RN ( = 0.5%)

RN ( = 0.23%)

0.16

400.12300.08200.04

100060◼ アンジュレータ周期数の増加• 偏光の角度依存性の緩和
有効強度の割合増加（𝑊r ＝約10%まで）• 全放射強度の増加

バンチ伸長によるリミットあり

設計光源の10倍程度まで改善可能

010203040
Number of periods N

50

Effective radiation intensity R N✓ 超放射の強度 ∝ 電荷量の2乗
マクロパルス長
パルス繰り返し𝑊r （左縦軸）： 全強度に対する有効強度の割合
𝑅𝑁 （右縦軸）： 設計光源 𝑁 = 7, 𝜎𝛿 = 1% を1に規格化した有効強度

（2）放射特性（強度） 達成可能な有効強度
光源パラメータ例• ビームエネルギー広がり 𝜎𝛿 = 0.23%（t-ACTSのシミュレーション値）• アンジュレータ周期数 𝑁 = 30
• ビーム電流 （SINAPのパラメータ）• 電荷量 68 pC• 電子ビームマクロパルス長 3.6 μs• 電子ビーム繰り返し 50 Hz

有効強度370 mW （平均パワー）• 円二色性分光実験強度（~1 mW）より十分大きい• 多くの非加速器光源（≤ 数百mW）より大きい

実用上十分に高い有効強度が達成可能

12

まとめ

13

交叉型アンジュレータによる偏光可変THz超放射光源を新たに検討◼ THz超放射に適した光源システム• 放射の光路長調整による位相操作• 第1アンジュレータによるバンチ伸長補正可能な移相器 → 各放射強度の一致
移相器電子ビームライン例： R56可変トリプルベンド◼ 放射特性⚫ 偏光特性• 光源点の異なる2つの放射の波面のずれに起因する強い観測角度依存性• 高い偏光度は実現可能（角度制限が必要）⚫ 有効放射強度• 全放射強度に対し数%～10％程度（円偏光度0.9の角度制限下）• 達成可能強度 ≳ 100 mW（平均） > 多くの非加速器光源、円二色性実験
実用的な偏光可変THz光源が実現可能•••

任意の偏光生成高速偏光切替
高い強度・偏光度