荷電粒子（電子、イオン）ビームを自在にあやつるためのモニター〜ビームのエネルギー分布・時間分布を同時に非破壊・単発で計測〜

国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

関西光量子科学研究所
副所長 神門 正城
2023年6月20日
1

はじめに：本特許の想定される用途
本特許は、特にレーザープラズマ加速器を⽤いた、・⼩型ガンマ線⾮破壊検査装置
・フェムト秒EUV光によるレーザー加⼯装置
・過渡現象を測るX線、電⼦線、イオン計測装置に使える要素技術です。
2

はじめに：本特許の想定される用途
レーザープラズマ電⼦加速器
⾼強度・極短パルスレーザー

10~20m

⼯場や研究室に設置可能なサイズ!

EUV （極端紫外光）• 微細加⼯• 半導体加⼯• ⾼速現象解明

ガンマ線・X線• ⾮破壊検査• モノや製品の中⾝を壊さず透視• ⾼速現象の解明• フェムト秒のパルスで化学反応の追跡（放射線化学）3

はじめに：高強度・極短パルスレーザー

チャープパルス増幅法 (CPA)

時間的にパルスを伸ばして増幅し、最後に圧縮して⾼出⼒を得る
典型的には、10~100 TW, 30 fs
波⻑ 800 nm

CPAの原理2018年ノーベル物理学賞(Strickland博⼠とMourou博⼠）
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Donna_Strickland_%26_Gérard_Mourou_EM1B5839_%2845321404295%29.jpg

4

はじめに：レーザープラズマ加速
⾼周波加速

X線⾃由電⼦レーザーSACLA
加速器の⻑さ~400 m

電⼦銃~10 cm

出典：理研
http://xfel.riken.jp/gallery/index.html#image/001-1.jpg~10-100 MV/m

レーザープラズマ電⼦加速
プラズマ波

プラズマ波⻑

レーザープラズマX線⾃由電⼦レーザー

10電⼦~10 µm

⾼強度
極短パルス
レーザー

~20m

~10-100 GV/m
5

ビームの縦方向位相空間計測
粒⼦加速器からのビームの「縦⽅向位相空間」は、ビームの・エネルギー拡がり・バンチ持続時間（バンチ⻑）を表すもの。
時間分布
荷電粒子ビーム

位相空間分布はわからない

進行方向（縦）

時間？

エネルギー
分布

バンチ持続時間（バンチ長）

エネルギー6

ビームの縦方向位相空間計測
縦⽅向位相空間は、・⾼速現象（30 fs~)のポンプ・プローブ実験
・極端紫外光から軟X線⾃由電⼦レーザー⽣成などにおいて超短パルスビームを作るのに重要な技術
縦⽅向位相空間• 対象物中で最も短く調整したい• ⾃由電⼦レーザーの発振を効率的に⾏いたい

時間

エネルギー7これまでの計測方法• 偏向磁⽯とストリークカメラ
粒子加速器

光放射

クーリスト ラカメ欠点：l ストリークカメラの時間分解能は~200 fsと限定的
l ビーム破壊計測
J. Rönsch et al., Proceedings of the 27th International Free Electron
Laser Conference, pp. 552-555 (2005).

8

これまでの計測方法• ⾼周波加速管の位相を変えてエネルギーを計測
粒子加速器

高周波加速管高周波位相を変えて荷電粒子のエネルギー分布を変える
繰り偏向磁石

蛍光板
返 し計

短所：
l 高周波加速管が必要（高価）l 繰り返し計測が必要
l 時間方向は計算でしか評価できない

測

エネルギー分布を計測

S. Kashiwagi et al., Proceedings of XX International Linac
Conference, MOC03, pp. 149-151 (2000).

9これまでの計測方法• 電⼦のエネルギーと時間情報の射影を計測
電⼦エネルギー

偏向磁⽯
コリメータ
偏光⼦

蛍光板

偏光⼦

電気光学結晶EO信号 (時間情報）

プローブレーザー
40 fs, 800 nm

ガスジェットターゲット
K. Huang, …, M. Kando, Scientific Reports 8:2938 (2018)

⾼強度・極短パルスレーザー
10 TW, 40 fs, 800 nm
10新技術（今回の発明）• 偏向磁⽯と電気光学結晶の組合せ
時間計測

エネルギー計測

相互作用後のレーザーの偏光
偏向磁石
荷電粒子ビーム電子による電場電子ビーム

電気光学結晶プローブレーザーの偏光方向11新技術（今回の発明）
⾼強度・極短パルスレーザー
10 TW, 40 fs, 800 nm
荷電粒⼦ビーム
偏向磁⽯

荷電粒⼦を⾮破壊で計測

ガスジェットターゲット

偏向後の荷電粒子ビーム

電気光学結晶時間計測部

プローブレーザー
40 fs, 800 nm

電気光学結晶12新技術（今回の発明）• 偏向磁⽯と電気光学結晶の組合せ
上面図
偏向磁石

偏光子

正面図

荷電粒子ビーム

荷電粒子エネルギー
高低
遅

時間

時間計測部
極短パルス
レーザー

電気光学結晶偏光子

側面図

早偏向後の荷電粒子ビーム

極短パルス
レーザー

長所：
l 非破壊で計測が可能
l 直接的な計測が可能
l 高い時間分解能 (< 30 fs)

電気光学結晶

時間計測部
13

新技術（今回の発明）• 偏向磁⽯と電気光学結晶の組合せ（計算）①初期チャープなし

結晶のレスポンスで⽣じるリンギング成分

初期電⼦分布

計測

計測データを処理

14新技術（今回の発明）• 偏向磁⽯と電気光学結晶の組合せ（計算）②初期チャープ あり (-7 fs/MeV)
結晶のレスポンスで⽣じるリンギング成分

初期電⼦分布

計測

計測データを処理

15新技術（今回の発明）• 偏向磁⽯と電気光学結晶の組合せ（計算）③初期チャープ あり (+7 fs/MeV)
結晶のレスポンスで⽣じるリンギング成分

初期電⼦分布

計測

計測データを処理

シミュレーション、解析コードを作成し原理検証
16新技術の特徴・従来技術との比較• 従来技術の問題点であった、時間分解能・破壊計測・⾼価である点を改良することに成功した。
• 特に、超短パルスビームの⽣成が可能なレーザープラズマ粒⼦加速において威⼒を発揮する。
• 本技術の適⽤により、レーザープラズマ粒⼦加速における短パルス性を活かした装置が製作できる。
17

チャープを活かしたFEL増幅
1) 4 fs, 10 pC, チャープ無σE/E=±0.1%

σt~4 fs

ゲインは100倍程度あるが、スリッページの効果があり、最適ではない

2) 40 fs, 100 pC, チャープ有40 fs

3) 40 fs, 100 pC, チャープ有
テーパー有りΔE/E=±2%

σt~40 fs

ゲインは高い。
EUVスペクトルと時間形状は広い

ゲインも比較的高く、EUVのスペクトル、時間形状も良好
18

チャープを活かしたFEL増幅
位相空間分布FELスペクトル

FEL時間波形

チャープなし(通常アンジュレータ使⽤）

チャープあり（テーパーアンジュ
レータ使⽤）

位相空間分布を変えることでスペクトルなどを制御可能
19本特許の想定される用途
レーザープラズマ電⼦加速器
⾼強度・極短パルスレーザー

10~20m

⼯場や研究室に設置可能なサイズ!

計測器単体でも装置にはなるがシステムが魅⼒的と思われる。

EUV （極端紫外光）• 微細加⼯• 半導体加⼯• ⾼速現象解明

ガンマ線・X線• ⾮破壊検査• モノや製品の中⾝を壊さず透視• ⾼速現象の解明• フェムト秒のパルスで化学反応の追跡（放射線化学）
20実用化に向けた課題• 現在、計算コードを整備し基本的動作を解析できるところまでは開発済。電気光学結晶を⽤いた計測も実証済。磁⽯と組みあわせた実証も準備中である。
• 計測器としてのパッケージングがまだであり、ソフトウェアも含めた開発が必要である。
21

企業への期待• 超短パルスを⽤いた検査器開発– 電⼦ビームを⽤いた放射線素過程の現象の解明、検査– X線、ガンマ線による⾼速現象の時間分解計測• ⾃社敷地内に設置可能な⼩型X線⾃由電⼦レーザー装置装置への展開
上記装置を開発するにあたり、本技術は重要な装置となります。
22

本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号• 出願⼈• 発明者

︓測定装置及び測定⽅法
︓特願2022-34464
︓量⼦科学技術研究開発機構
︓神⾨正城、⻩開

23

お問い合わせ先
量⼦科学技術研究開発機構
イノベーションセンターまでお願いします
ＴＥＬ ︓ 043－206－3027
ＦＡＸ ︓043－206－4061
e-mail︓chizai＠qst.go.jp
24