UVSOR-IIにおける
レーザーコンプトン散乱を用いた
超短パルスガンマ線の発生と
そのパルス幅測定手法の開発
名古屋大学大学院 工学研究科
分子科学研究所 UVSOR
平 義隆
ビーム物理研究会2010
Outline
 レーザーコンプトン散乱について
 目的と現状
 超短パルスガンマ線発生の原理
 ガンマ線のエネルギー、パルス幅、強度の見積もり
 UVSOR-IIで行った実験
 まとめ
レーザーコンプトン散乱とは
逆コンプトン散乱
Photon (Laser )EL
Electron beam Ee = γmec2
θ
Gamma ray Eγ
E  4 2 EL  MeV
  1 /   mrad
レーザーコンプトン散乱ガンマ線の利用
原子核物理学
偏極陽電子生成
非破壊検査
電子ビーム診断
等に利用
国内の利用可能な施設:TERASやNew SUBARUなど
ガンマ線のパルス幅に着目した研究は行われていない。
目的と現状
1) パルス幅~100 fsの超短パルスガンマ線の発生方法
の確立。
現状:パルス幅 2 ps (推定値) のガンマ線を発生
パルス幅測定の準備実験
2) 超短パルスガンマ線のパルス幅測定手法の開発。
3) 超短パルスガンマ線の利用方法の開拓。
UVSOR-II (分子科学研究所)
超短パルスガンマ線発生の原理
Head-on collision α=0
Electron Beam
Femtosecond laser
Gamma ray
Vertical collision α=90°
Femtosecond laser
Electron Beam
α= 90°
Ultra-short-pulse gamma ray
ガンマ線のパルス幅
電子ビームのパルス幅
レーザーの
パルス幅
Head-on
Vertical 90°
エネルギー
Bucket height
Head-on
Vertical 90°
ガンマ線のパラメーター (計算値)
電子ビーム
エネルギー 750 MeV
レーザー
ガンマ線
6.6 MeV
(Maximum)
2.4×106
photons s-1
1 kHz
強度
100 mA
1.55 eV
(800 nm)
10 W
周波数
5.64 MHz
1 kHz
パルス幅
108 ps
(rms)
0.03(v), 0.6(h)
mm (rms)
130 fs
(FWHM)
0.03 mm
(rms)
サイズ
150 fs
(rms)
UVSOR-IIで行った実験
 90°衝突実験
 ガンマ線のパルス幅測定
の準備実験
 偏極ガンマ線の空間分布
測定
セットアップ(90°衝突)
レーザーの入射角度を70-110°
の範囲で変えた。
Electron beam
Laser
Quadrupole Bending
magnet magnet
Gamma ray
NaI
Straight section
of the storage ring
Collision point
Multichannel
analyzer
Shaper
amplifer
レーザーシステム
Phase Shifter
Synchro Lock
Feedback
90.1 MHz
1/16 Divider
5.63 MHz
Ti:Sa Laser
Mode-locked
Ti:Sapphire Laser
Wavelength: 800 nm
RF Bucket Selector
1/5632 Divider
CW Laser
1 kHz
Q-switch Pump laser
1 kHz
Regenerative
Amplifier
Electron
bunch
Cavity Pickup
90.1 MHz
90.1 MHz
RF cavity
Laser
Frequency: 1 kHz
Power: 2.0 W
Pulse width: 130 fs (FWHM)
蓄積リングのRF加速に同期
レーザー輸送
Laser
Electron Beam
Gamma ray
衝突のタイミング調整
Laser
Electron Beam
Gamma ray
電極
衝突点から電極
までの距離
Photodiode
フォトダイ
オード
検出器
Gamma ray
NaI
EGS5





モンテカルロ粒子輸送シミュレーションコード
電子・光子と物質との相互作用
エネルギー範囲 keV~PeV
実験時の物質の配置を模擬
ガンマ線に対するNaIの応答を計算
145 mm
Gamma ray
NaI
H. Hirayama et al., SLAC-R-730, 2005.
エネルギースペクトルの比較
90°衝突
エネルギー可変ガンマ線の生成
計算値
Y. Taira et al., Nucl. Instr. and Meth. A, accepted for publication 2010.
ガンマ線のパルス幅(推定値)
衝突点での
レーザーサイズ
σx=2.5 mm,
σy=1.5 mm
レーザーを集光
&
鉛直衝突
⇒サブピコ秒の
ガンマ線発生
ガンマ線のパルス幅の測定手法の開発
 サブピコ秒の時間分解能を有するストリークカメラ
を用いて、ガンマ線のパルス幅を測定する。
Gamma ray
電子、陽
電子
チェレンコフ光
タングステン板 アクリル板 ストリークカメラ
0.5 mm
1 mm
Ncherenkov = ~ 1000 photons pulse-1
セットアップ(チェレンコフ光の測定)
第一段階の目標:APDを用いて、チェレンコフ光の発生を確認する。
Quadrupole
magnet
Laser
Electron beam
f =125 mm
Bending
magnet
Straight section
of the storage ring
Gamma ray
APD
Collision point
パルス幅 2 ps (rms)
強度 4×106 photons s-1
Oscilloscope
APD受光面
測定結果
APDの出力波形
(100回平均)
チェレンコフ光を
測定することが
できた。
セットアップ(偏極ガンマ線)
Quadrupole
magnet
Laser
λ/2板または、λ/4板
Electron beam
f =125 mm
Straight section
of the storage ring
Collision point
Bending
magnet
Gamma ray
IP
カセッテ内部に、タングステン板
とIPを一緒に封入
直線偏極ガンマ線の空間分布
測定データ
偏光方向
計算結果
円偏極ガンマ線の空間分布
測定データ
計算結果
まとめ
 電子ビームとレーザーの90°衝突を
行い、パルス幅2 psのガンマ線の発
生に成功した。
 ガンマ線のパルス幅測定の準備実験
を行い、チェレンコフ光の発生を確認し
た。
 ガンマ線の偏極によって空間分布が
異なることを測定できた。
 展望:ストリークカメラを用いて、パル
ス幅測定を行う。
ご清聴ありがとうございました。
共同研究者
名古屋大学大学院
分子科学研究所
工学研究科
UVSOR
加藤 政博
阿達 正浩
全 炳俊
曽田 一雄
保坂 将人
山本 尚人
総合研究大学院大学
谷川 貴紀
電子ビーム形状
電子蓄積リングを周回する電子ビームは、進行方向に対する
垂直方向の大きさが極端に小さい。
断面図
Y 鉛直方向
X 水平方向
0.06 mm
0.60 mm
108 ps (= 32 mm)
Z 進行方向
Z 進行方向
Y 鉛直方向
X 水平方向
108 ps (= 32 mm)
強度
Head-on
Vertical 90°
測定データとシミュレーションの比較
検出器の大きさ
ガンマ線エネルギーの単色特性計算
鉛直90°衝突
鉛の厚さ200 mm
N: コリメーター通過後の数
N0: 発生点での数
N/N0 = 9.0 % (φ = 5 mm)
N/N0 = 3.6 % (φ = 3 mm)
N/N0 = 0.3 % (φ = 1 mm)
スペクトル比較 直線偏極
スペクトル比較 円偏極
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