DEVELOPMENT OF TERAHERTZ RADIATION SOURCES BY COMPACT
ELECTRON LINEAR ACCELERATOR LEENA
Sayaka Chin#, A), Satoshi Hashimoto A), Kenji Kawata A), Dazhi Li B), Sho Amano A), Shuji Miyamoto A)
NewSUBARU / Laboratory of Advanced Science and Technology for Industry, University of Hyogo
1-1-2 Kouto, Kamigori-cho, Ako-gun, Hyogo, 678-1205
B)
Institute for Laser Technology
1-8-4 Utsubo-honmachi, Nishi-ku, Osaka, Japan 550-0004

A)

Abstract
We have been developing terahertz radiation sources using the 15 MeV compact electron linear accelerator LEENA
at University of Hyogo and have succeeded in measuring both the synchrotron radiation from a bending magnet and theSmith-Purcell radiation in the terahertz region. For the spectral analysis and the bunch length measurement, the MartinPuplett interferometer is under construction.

小型線形加速器 LEENA を用いたテラヘルツ光源開発
1.

はじめにニュースバル放射光施設では 1.5GeV 電子蓄積リングから発生する軟 X 線領域のシンクロトロン放射光を用いた産業利用を行っている。本施設には巨大な電子蓄積リングとは独立して小型の電子線形加速器 LEENA があり、ビームエネルギー15MeV の相対論的電子ビームを生成できる。平成２３年度から旧式化した加速器の改善[1-3]を行なっており、コンパクト加速器によるテラヘルツ光源の開発を目指している。
本研究では LEENA を用いたシンクロトロン放射およびスミス・パーセル放射によるテラヘルツ光源開発の進捗状況について報告する。

幅 5μs、繰り返し周波数 10Hz、RF 周波数 2856MHzでビーム運転を行った。テラヘルツ光パワーの計測には VDI 製 WR6.5 Zero Bias Diode(110-170GHz、2000V/W) を使用した。BM3 におけるビーム電流は35mA 程度で、ZBD 出力 55mV(27.5μW)のテラヘルツ光が観測された。
テラヘルツ波は水晶窓（藤アイデック製、厚さ3mm ）を通して真空から大気中に取り出される。
BM3 からの放射光を用いて水晶窓のテラヘルツ波透過率を計測した。ZBD の前に同じ規格の水晶窓をもう一枚挿入し、その前後の ZBD 信号強度（ 55mVおよび 53mV ）から 0.11-0.17THz 帯での水晶窓の透過率は約 96%であることがわかった。またこの帯域のテラヘルツ光の大気による減衰の影響は、今回の計測条件（数 10cm の伝搬距離）では無視できる[45]
今回使用した ZBD で観測されたテラヘルツ光の波長(1.8~2.7mm)は予想されるバンチ長 10~30ps(波長3~9mm) よ り も 短 い 事 お よ び 数 値 計 算 プ ロ グ ラ ム
SRW[6]を用いて計算した 100-170GHz 帯の放射光のパワーは 105μW であり計測値と数倍以内で一致している事から今回観測されたテラヘルツ光はインコヒーレント光であると考えられる（図２）。

図１： LEENA 全体図

2.

シンクロトロン放射によるテラヘルツ光の発生

2011 年 11 月 30 日に LEENA テラヘルツ光の第一歩として LEENA の偏向電磁石 BM3 からの放射光を観測した。ビームエネルギー15MeV、マクロパルス

図２： BM3 からのシンクロトロン放射（計算値）____________________________________________#

schin@lasti.u-hyogo.ac.jp- 995 -観測した。銅製グレーティング（周期 10mm ）から放射される電磁波を真空チェンバー内の放物面ミラー(f=250)および平面ミラー２枚で集光し、テラヘルツ光の透過できる水晶窓を通して ZBD で計測し3.1 スミス・パーセル放射の特性（計算）た（図５）。放物面ミラーはモーター駆動によりススミス・パーセル光とは金属製グレーティングの ミス・パーセル光の発生角度に合わせて可動できる近傍を電子ビームが通過する時に金属表面に誘起さ ようになっているが、電子ビームとの干渉を避けるれる電流から電磁波が放射された放射光である。回 ため、ミラー駆動範囲は約 20~160 である。スミス折の次数を n、グレーティング周期を d、放射角度 パーセルチェンバーのすぐ下流では、マクロ平均電をθ（ 0 ：電子ビーム進行方向、90 ：鉛直方 流 40mA、バンチ当りの電荷量 17.5pC であり、ZBD向）、β=v/c とすると、スミス・パーセル放射の分 ピーク出力 18.5mV(9.25μW)が観測された（図６）。
散関係は式(1)で表される。ビームエネルギー15MeV、 ZBD のアンテナ開口部面積 78.5mm2 を考慮すると、グレーティング周期 10mm であるので、ピーク波長 パ ル ス あ た り 単 位 面 積 あ た り の 強 度 は 0.4のθ依存性は図３の様になる。また Induced Surface pJ/mm2/pulse となった。
Current model [7]を用いて計算した立体角あたりの放射パワーのθ依存性を図４に示す。

スミス・パーセル放射によるテラヘルツ光の発生3.

d ⎛1 ⎞λn = ⎜ cosθ − ⎟n ⎝β ⎠

(1)€

図５：スミス・パーセル光計測のセットアップ

図３：ピーク波長（周波数） vs. 放射角度

図６： LEENA で観測したスミス・パーセル光4.
図４： Induced Surface Current model で計算したスミス・パーセル光放射パワーの放射角度依存性
3.2

スミス・パーセル放射の観測

2012 年 6 月 4 日にスミス・パーセル放射を初めて干渉計の構築

現在、スペクトル計測や電子ビームバンチ長の評価のために Martin-Puplett 干渉計の構築準備を行っており今秋から計測を開始する予定である。MartinPuplett 干 渉 計 と は 光 路 差 に よ る 干 渉 を 利 用 し たMichelson 干渉計に偏光特性によるビーム分岐を利用した干渉計であり（図 7 ）、ビームスプリッターとして wire grid を使用する。
水平偏光であるシンクロトロン放射光を用いて- 996 -

wire grid(ワイヤ径 10μm、ワイヤ間隔 25μm)の透過率・反射率の偏光依存性を評価した。ワイヤ太さをd、ワイヤ中心間隔を s、波長をλとすると、wiregrid に水平および垂直方向に入射する電磁波の反射率はそれぞれ(2)、(3)式で計算できる[8]。図８に示すように 0.1THz 帯では理想的な偏光子であることがわかる。

€⎡ ⎛ 2s ⎞ 2 ⎛ s ⎞ 2 ⎤ −1/ 2R|| = ⎢1+ ⎜ ⎟ ln⎜ ⎟ ⎥⎣ ⎝ λ ⎠ ⎝ πd ⎠ ⎦

(2)⎡ (2 λs) 2 ⎤ −1/ 2R⊥ = ⎢1+ 4 4 ⎥
π d ⎦
⎣(3)図９： wire grid の透過と反射（実測）。入射光の強度は 20~23mV。

€5.

結論

今回、LEENA を用いたテラヘルツ光源開発では、110-170GHz 帯で、シンクロトロン放射により 27.5μW、スミス・パーセル放射により 9.25μW のテラヘルツ光が観測された。今後の計画として、スミス・パーセル放射の最適グレーティングの設計・製作、アルファ電磁石を用いた電子ビームの短バンチ化によるコヒーレント光の発生、スミス・パーセル
光のスペクトル計測およびバンチ長の評価を予定している。また長期的には、LEENA を用いたテラヘルツ光の産業利用を目指して光源開発を進める。

図７： Martin-Puplett 干渉計

謝辞
LEENA 加速器の改修作業において多大なる御協力を頂きました JASRI の皆川康幸さん、竹村育浩さんに感謝致します。

参考文献
図８： wire grid の平行成分の反射率 R|| と、垂直成分の透過率 R⊥[1] S.Hashimoto, et al., “小型電子線形加速器 LEENA のアップグレード計画”, Proceedings of the 8th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society in Japan, Tsukuba,
また BM3 からの放射光を用いて wire grid の角度2011
を変えながら反射・透過パワーを計測した結果、 [2] S.Hashimoto, et al., “ 兵 庫 県 立 大 学 電 子 線 計 加 速 器
LEENA の 現 状 と 性 能 向 上 ”, Proceedings of the 9th€
wire grid に平行成分の反射率、垂直成分の透過率はAnnual
Meeting of Particle Accelerator Society in Japan,€
共に 90%以上あることが確認できた（図９）。
Osaka, 2012
干渉計構築のためには、十分な光強度が必要であ [3] http://www.lasti.u-hyogo.ac.jp/NS/facility/leena/
るが、ZBD のビューポートからの距離を変えながら [4] Y. Kasai, T.Seta, Journal of the national Institute ofInformation and Communications Technology vol.55 No.1,
スミス・パーセル光強度を計測した結果、ビュー
2008
ポート通過後に急激に減衰していることがわかった。
[5] 川瀬、水津、ICT による安全・安心を実現するための
図５に光学追跡ソフトで計算した光の広がり具合をテラヘルツ波 技術の研究開発示しているが、ビーム径の広がりによる減衰の影響 [6] http://www.esrf.eu/Accelerators/Groups/InsertionDevices/であると考えられる。このため干渉計構築の際にはSoftware/SRW
ビューポート直後に凹面ミラー(r=1850)を設置して [7] Brownell, et al., "Spontaneous Smith-Purcell radiation
described
through
inducedsurfacecurrents",
光の干渉位置にて集光できるよう光学系を変更する
Phys.rev.E.57,1075-1080(1998)
予定である。
[8] J.C.G.Lesurf, Millimeter-wave optics, devices and systems,
Adam Hilger, Jan. 1990

- 997 -