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

逆コンプトン散乱

レーザーコンプトン散乱とは

θ

Electron beam Ee = γmec2

Gamma ray Eγ

Photon (Laser )EL

MeV4 L2 EE

mrad/1

レーザーコンプトン散乱ガンマ線の利用

ガンマ線のパルス幅に着目した研究は行われていない。

等に利用

偏極陽電子生成

電子ビーム診断

原子核物理学

非破壊検査

国内の利用可能な施設： TERAS や New SUBARU など

目的と現状

１） パルス幅 ~１ 00 fs の超短パルスガンマ線の発生方法の確立。

３） 超短パルスガンマ線の利用方法の開拓。

２） 超短パルスガンマ線のパルス幅測定手法の開発。

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

UVSOR-II ( 分子科学研究所 )

超短パルスガンマ線発生の原理

Electron Beam

Gamma ray

Femtosecond laser

α= 90°

Ultra-short-pulse gamma ray

Femtosecond laserElectron

Beam

Head-on collision α=0

Vertical collision α=90°

レーザーのパルス幅

電子ビームのパルス幅

Vertical 90°

Head-on

ガンマ線のパルス幅

Bucket height

Vertical 90°

Head-on

エネルギー

ガンマ線のパラメーター ( 計算値 )

電子ビーム レーザー ガンマ線エネルギー

750 MeV 1.55 eV (800 nm)

6.6 MeV (Maximum)

強度 100 mA 10 W 2.4×106 photons s-1

周波数 5.64 MHz 1 kHz 1 kHz

パルス幅 108 ps (rms)

130 fs (FWHM)

150 fs (rms)

サイズ 0.03(v), 0.6(h) mm (rms)

0.03 mm (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 )

Shaper amplifer

Multichannel

analyzer

Collision point

Electron beam

Gamma rayLaser

NaI

レーザーの入射角度を 70-110°の範囲で変えた。

Bending magnet

Quadrupole magnet

Straight section of the storage

ring

Ti:Sa Laser

Wavelength ： 800 nm

Frequency ： 1 kHz

Power ： 2.0 W

Pulse width ： 130 fs (FWHM)

蓄積リングの RF 加速に同期

Synchro LockPhase Shifter

1/16 Divider

RF Bucket Selector

1/5632 Divider

Q-switch Pump laser

Regenerative

Amplifier

RF cavity

Electron bunch

Mode-locked

Ti:Sapphire Laser

CW Laser

1 kHz

5.63 MHz

90.1 MHz

90.1 MHz

Cavity Pickup 90.1 MHz

1 kHz

Feedback

Laser

レーザーシステム

Electron Beam

Gamma ray

Laser

レーザー輸送

衝突のタイミング調整

衝突点から電極までの距離

Electron Beam

Gamma ray

Laser

Photodiode

電極

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

NaI

H. Hirayama et al., SLAC-R-730, 2005.

Gamma ray

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

Y. Taira et al., Nucl. Instr. and Meth. A, accepted for publication 2010.

計算値

ガンマ線のパルス幅 ( 推定値 )

レーザーを集光＆

鉛直衝突⇒サブピコ秒の ガンマ線発生

衝突点でのレーザーサイズσx=2.5 mm, σy=1.5 mm

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。

タングステン板

0.5 mm

アクリル板1 mm

ストリークカメラ

電子、陽電子Gamma

ray

チェレンコフ光

Ncherenkov = ~ 1000 photons pulse-1

セットアップ ( チェレンコフ光の測定 )

Bending magnet

Quadrupole magnet

Collision point

Straight section of the storage

ring

f =125 mm

Electron beam

Gamma ray

Laser

APD

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。

Oscilloscope

APD 受光面

パルス幅 2 ps (rms)

強度 4×106 photons s-1

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 )

Bending magnet

Quadrupole magnet

Collision point

Straight section of the storage

ring

f =125 mm

Electron beam

Gamma ray

Laser

IP

カセッテ内部に、タングステン板とＩＰを一緒に封入

λ/2 板または、 λ/4 板

直線偏極ガンマ線の空間分布測定デー

タ計算結果偏光方向

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。

分子科学研究所UVSOR

名古屋大学大学院工学研究科

総合研究大学院大学

加藤　政博阿達　正浩全　炳俊

曽田　一雄保坂　将人山本　尚人

谷川　貴紀

共同研究者

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

108 ps (= 32 mm)

0.06 mm

108 ps (= 32 mm)

0.60 mm

Z 進行方向

X 水平方向

X 水平方向

Y 鉛直方向

Z 進行方向

Y 鉛直方向

Vertical 90°

Head-on

強度

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