UVSOR-IIにおけるレーザーコンプトン散乱を用いた
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Transcript UVSOR-IIにおけるレーザーコンプトン散乱を用いた
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