Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP114

レーザーコンプトン散乱による小型高輝度 X 線源開発

DEVELOPMENT OF A COMPACT HIGH BRIGHTNESS X-RAY SOURCE VIALASER-COMPTON SCATTERING
赤木智哉 ∗A) 、小菅淳 A) 、本田洋介 A) 、荒木栄 A) 、照沼信浩 A) 、浦川順治 A) 、永井良治 B) 、羽島良一 B) 、静間俊行 B) 、森道昭 B)

Tomoya Akagi∗ A) , Atsushi KosugeA) , Yosuke HondaA) , Sakae ArakiA) , Nobuhiro TerunumaA) , Junji UrakawaA) ,Ryoji NagaiB) , Ryoichi HajimaB) , Toshiyuki ShizumaB) , Michiaki MoriB)
A)
High Energy Accelerator Organization (KEK), B) Japan Atomic Energy Agency (JAEA)

Abstract

A compact high brightness X-ray source based on laser-Compton scattering (LCS) is under development at Compact
ERL (cERL) in KEK. For the LCS experiment, optical cavities which can achieve high finesse and small waist size wereinstalled at the cERL. In this paper, we will show the results of the LCS X-ray generation and phase contrast imaging
using the LCS photon.

はじめにAvances）から購入した。レーザーを入射する平面鏡（M1）の反射率は 99.9%でその他の鏡は平面（M2）、凹面小型加速器による小型高輝度 X 線源の開発を行って （M3、M4）の順にそれぞれ 99.99%、99.999%、99.999%いる。レーザーコンプトン散乱（LCS）を利用すること である。鏡の反射率から計算される共振器のフィネスで従来の放射光施設と比較して、低いエネルギーの電子 は 5600 となり、入射鏡の透過率を 0.07%とすると増大ビームで X 線やガンマ線を生成することが可能なため 率としては 2200 倍が見込まれる。ここで増大率とは入小型高輝度 X 線源の開発において LCS は有用である。 射レーザー強度と蓄積強度の割合である。ただし、こまた、LCS を利用した光源は準単色、エネルギー可変、 の増大率を達成するためには、共鳴ピーク幅（FWHM）微小光源そして偏光の切り替えが容易であるという特 190 pm より充分狭い範囲で共振器長を制御する必要が徴をもつため、これらを生かした X 線イメージングが あり、現状では蓄積強度 10.4 kW （増大率 430 倍）であ期待される。
る。現在フィードバック制御の改善を行っており、レー現在、KEK のコンパクト ERL（cERL）において電子 ザー蓄積強度の向上を目指している。
ビームと光共振器に蓄積したレーザー光を用いた LCS共振器の周長は 1845 mm で繰り返し周波数 162.5 MHz実験を進めている。cERL は超伝導エネルギー回収型線に相当する。レーザーパルスと電子バンチを衝突させ形加速器（Energy Recovery Linac）の試験加速器である。
るため、光共振器の繰り返し周波数と cERL の RF 周波
cERL の低エミッタンスかつ大電流の電子ビームは LCS数は整数倍の関係になる必要がある。Fig. 1 は cERL で光源に最適である。この実験のため、2 台の垂直平面 4の LCS 実験用に開発した 4 枚鏡光共振器の写真である。
枚鏡共振器を重ねあわせた光共振器を開発し、cERL のこの共振器は 2 台の平面 4 枚鏡共振器を 1 つに組み合ビームラインに組み込んで実際に LCS 実験を行った。
わせた共振器として設計した。
ここでは cERL における LCS 実験の結果について報告
レーザーは Time-Bandwidth 社製のモードロック半導する。
体励起固体レーザー（ARGOS）を使用した。主な性能は、最大平均出力 45 W、波長 1064 nm、繰り返し周波
2 . レーザー光共振器
数 162.5 MHz、パルス長（FWHM）13.3 ps である。
LCS を利用して高強度 X 線を生成するためには、大この 4 枚鏡平面共振器は実験により直線偏光のみが電流の電子ビームとともに高強度のレーザーシステム 共鳴可能であることが分かっている。そこで共振器の共が不可欠である。そのため本実験では、加速器のビーム 鳴状態維持の制御にこの偏光特性を利用している。このラインにレーザー光共振器を設置して、その中にモード 方法は Hansch-Couillaud 法の一種であり、光共振器でロックレーザーパルスを蓄積することでレーザー光強度 共鳴できる直線偏光成分と鏡で単に反射される直交方を増大し電子ビームと衝突させる。
向の直線偏光成分を含む反射光の偏光の変化から共鳴光共振器は高いフィネスと小さなウエストサイズを による位相変化を検出する [2] 。反射光を λ/4 板と偏光同時に達成する必要があるが、2 枚鏡の Fabry-Perot 型 ビームスプリッタを使って円偏光に分け、2 つの検出器共振器はウエストサイズを小さく絞る設計にしていく の信号の差をとるとエラー信号を取得できる。オリジと共振器として不安定になってしまうため、2 枚の平面 ナルの方法では共振器内部に直線偏光依存するものを鏡と 2 枚の凹面鏡から成る 4 枚鏡共振器の構成とした。 いれておく必要があるが、この 4 枚鏡共振器では、縦この共振器は 2 枚鏡共振器と比べて鏡の横方向のずれ 偏光と横偏光で自然と共鳴条件が分離するため何も入に対して安定であるという利点を持つ [1] 。
れる必要がない点が有利である。Fig. 2 は共振器長をピ共振器を構成している鏡は REO 社（Research Electro- エゾで変化させた時の透過光強度とエラー信号である。
Optics, Inc.）と LMA 社（Laboratoire des Materiaux また、Fig. 3 はフィードバック制御の概要図である。
∗ akagit@post.kek.jp
この光共振器は真空チェンバーの中に入れてモード

1.

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M4
concaveM3
concave

M2
flat

piezo

piezo
M1
flat

Figure 3: The scheme of the feedback system for LCS.
衝突点における位置合わせをスクリーンモニタで行う。
それから、LCS の信号が最大となるようにムーバー架台で共振器ごとレーザー位置を調整する。このとき、レーザーと加速器の位相同期は行わずに、ある特定の位相にだけ信号が発生していることを確認する。そして位相を同期させた状態でレーザー位相のスキャンを行い、LCS X 線の信号が最大となるように衝突のタイミングを決定した。レーザーの位置スキャンと位相スキャンの測定例を Fig. 5 に示す。
SDD での測定結果は、中心エネルギー 6.91 keV、エネルギー広がり（FWHM）173eV で 1200 cps であった。なお、SDD の検出有効径は φ4.66 mm である。また、LCS
光のエネルギー広がりは SDD のエネルギー分解能が153 eV@5.9 keV であるので 81 eV と見積もることができる。
この測定結果より、発生点における LCS の全光子数は 4.3 × 107 photons/sec と見積もられる [3] 。

electronbeam

Figure 1: The 4-mirror cavities for LCS experiment.

error signal

Table 1: Parameters of the electron and laser beams

transmissionLaser beam
Wavelength

Figure 2: The transmittion and the error signal.
ロックレーザー発振器や光学系とともにムーバー架台の上に設置している。このムーバー架台で真空チェンバーごと光共振器の位置を動かしてレーザー光と電子ビームの位置を 1µ m の精度で調整することが可能である。

3.

64 µJ

Pulse duration (rms)5.65 ps

Repetition rate

162.5 MHz

Collision angle

18 degree

Spot size

30 µm

Electron beam

LCS 実験

cERL での LCS 実験におけるレーザーと電子ビームのパラメータを Table 1 に示す。Fig. 4 は LCS ビームラインのレイアウトである。LCS 光はビームラインを通って実験ハッチへと導かれる。ビームラインは真空に排気されており、2 枚のベリリウム窓がそれぞれ LCS 衝突点から 7.7 m と 16.6 m 下流の位置に設置されている。
本実験では波長 1064 nm のレーザー光と 20 MeV の電子ビームが 18 度の角度をもって衝突するため、LCS光のエネルギーは約 7 keV となる。この光はシリコンドリフト検出器（XR-100SDD、AMPTEK）を用いて実験ハッチで観測される。
LCS 実験においてはまず、レーザーと電子ビームの1064 nm

Pulse energy

Energy20 MeV

Bunch chrge

0.36 pC

Bunch length (rms)2 psSpot size (rms)

30 µmEmittance

0.4 mm·mrad

Repetition Rate

162.5 MHz

4 . X 線イメージング
LCS 光は微小光源という特性により、位相コントラス
ト法イメージングに適していると考えられる [4] 。被写体と検出器の距離を離すことでエッジが強調された画像を得ることができることを確認するため、被写体と検出- 1332 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Experimental hut
electron beamSampleDetector

LCS photonCavity

He path
Detector
2.5 m

16.6 mFigure 4: Schematic drawing of the LCS beamline.
Figure 6: Setup of LCS X-ray imaging.
1.2LCS signal [a.u.]

1(a)

0.8
0.6
0.4
0.2
0−0.4

−0.3

−0.2
−0.10
Vertical position [mm]

0.1

0.2

1.2
LCS signal [a.u.]

15 mm

0.8
0.6(b)

0.4
0.202.26 2.28

2.3

2.32 2.34 2.36 2.38 2.4 2.42 2.44 2.46 2.48
Phase@162.5MHz [rad]Figure 5: LCS photon intensity as a function of the vertical
position of the laser beam (a) and timing of the laser pulse.
器を 2.5 m 離してイメージングを行った。今回は被写体としてスズメバチを用いた。また、7 keV の X 線は空気で減衰してしまうため被写体と検出器の間の空間は Heパスを設置した。ガス濃度計で測定したところ実験中はHe 濃度がおよそ 70%であった。このとき X 線の透過率は約 27%となる。Fig. 6 は X 線イメージングのセットアップである。検出器はリガク社製の HyPix-3000 を使用した。この検出器のピクセルサイズ、有効検出面積はそれぞれ 100 × 100µ m、77.5 × 38.5 mm である。Fig. 7(a) は被写体と検出器を密着させた場合、Fig. 7 (b) は距離を離した場合の画像である。(b) の画像では羽や足の部分がより鮮明になっていることが確認できる。このように、LCS 光の特徴である微小光源性が位相コントラストイメージングで利用可能であることを実証できた。

5.

まとめcERL において LCS による X 線の生成実験を行った。
SDD を用いて測定された X 線のエネルギーは 6.92 keVで、発生点における X 線数は 4.3 × 107 photons/sec と見積もられる。また、LCS X 線によるスズメバチの位相コントラストイメージングの試験を行いエッジ強調の効果を確認した。現在の光量ではイメージングにかかる時間

5 mm

Figure 7: LCS X-ray imaging of a hornet.(a): The detector
is placed just behind the sample.(b): The distance from thesample to the detector is 2.5 m.
は 10 分程度であるが、今後さらにレーザーと電子ビームの強度向上を計画しており、短時間での画像取得が期待される。それから、LCS 光源のエネルギーが可変であり、偏光の切り替えが容易にできるという特徴を生かした偏光イメージング等への利用も今後計画している。
なお、本研究は文部科学省委託事業 光・量子融合連携研究開発プログラム「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研究開発」及び、「核セキュリティ強化等推進事業費補助金」によるものである。

参考文献[1] T. Akagi et al., Nucl. Instr. and Meth. A, 724, pp. 63–71(2013).
[2] T. W. Hansch and B. Coulliard, Opt. Commun. 35, p. 441(1985).
[3] R. Nagai et al., Proc. IPAC’15, TUPJE002 (2015).
[4] S. W. Wilkins et al., Nature 384, pp. 335–338 (1996).

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