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レーザー・コンプトン散乱 Laser Compton Scattered X-ray and -ray 羽島 良一 日本原子力研究開発機構 2012年7月30日 第2回コンパクトERLサイエンスワークショップ 1 レーザー・コンプトン散乱による高エネルギー光子ビームの発生 Scattered Photon 2 1 Electron Incident Photon EX 4 EL 2 1 2 正面衝突の場合の近似式 cERL (運転開始時)のパラメータでは、 レーザー波長 = 1 m 電子エネルギー = 35 MeV • 単色(狭帯域) • エネルギー可変 • ビーム状 • 短パルス • 偏光(偏極) 散乱光子の最大エネルギー = 22.5 keV @ 正面衝突 = 11.3 keV @ 90度衝突 2 レーザー・コンプトンX線の単色化 EX 4 2 EL Scattered Photon 1 2 2 1 Electron Incident Photon X-ray energy (keV) 25 Ex=22 keV 20 光子の散乱角度とエネルギーに相関 15 , Ex=11 keV 10 コリメータで軸上の光子を切り出せば 狭帯域(単色)のX線が得られる 5 0 0 10 20 30 40 50 scattering angle, (mrad) 3 cERL におけるレーザー・コンプトン散乱 コンパクトERLの設計研究(2008) ultrafast mode high-flux mode laser = 50 fs (rms), electron = 1 ps collision spot = 20 m X-ray = 110 fs (rms) レーザー光子の一部のみが散乱 レーザーを繰り返し再利用=レーザー蓄積装置 110 fs (rms) (レーザー蓄積パワー = 700 kW) laser = 100 mJ x 1 kHz electron = 100 pC x 130 MHz X-ray = 3.5 x 106 ph/s/3%BW X-ray: flux = 1.2 x 1012 ph/s/3%BW B ~ 5 x 1014 (c.u.) 4 レーザー・コンプトン散乱光源の歴史 T.H. Maiman によるルビーレーザーの発明(1960) から5年後にレーザー・コンプトン散乱の実験 5 代表的なレーザー・コンプトン光源 X線領域(E < 100 keV) 産総研 LCS-X 光源45 MeV リニアック Ex = 20-40 keV Courtesy of R. Kuroda 競合する光源との差別化 点光源=位相コントラスト フェムト秒光源=高速現象 KEK LUCX 30-40 MeV リニアック Ex = 15-28 keV Courtesy of K. Sakaue 6 代表的なレーザー・コンプトン光源 γ線領域(E > 1MeV) エネルギー可変、単色光源として唯一の実用光源 HIS @ Duke Univ. 核物理実験用施設 1.2 GeV 蓄積リング、FEL E = 1-158 MeV MEGa-ray @ Lawrence Livermore 核セキュリティ用試験機 250 MeV リニアック E = 1-2 MeV 原子核物理、天体核物理、 核データ測定など 核物質検知など 7 レーザー・コンプトン光源の高輝度化 フラックス Ftotal 16 r02 Ne N L f 2 3 w0 電子数 レーザ光子数 輝度 2 B Ftotal 2 0.1% n 電子古典半径 衝突スポットサイズ 衝突周波数 高輝度化 衝突密度を高くする 衝突繰り返しを増やす エミッタンスを小さくする 8 レーザー・コンプトン光源の単色度を決める要因 D. Moncton, FLS-2006 WS. 9 蓄積リングを用いたレーザーコンプトン光源 シンクロトロン放射、アンジュレータ放射と同様に 「放射減衰」と「量子励起」の平衡状態で運転。 (光子放出は直線部で起こるので、周回軌道の設計によらない。) Z. Huang and R. Ruth, PRL 80, 976 (1998) L 1μm, x*, y 1cm, 200 平衡エミッタンス 平衡エネルギー広がり xn, y 7 10 9 m E E 2.6% 蓄積リング=フラックスを大きくできるが、単色性に限界 (特に、高エネルギーほど) 10 エミッタンスを小さくする レーザー・コンプトン光源の単色性向上 9e+19 8e+19 n=1mm-mrad 7e+19 6e+19 5e+19 4e+19 3e+19 2e+19 1e+19 0 17000 17500 18000 18500 19000 gamma-ray energy (keV) 19500 peak brilliance (ph/mm2/mrad2/s/0.1%BW) peak brilliance (ph/mm2/mrad2/s/0.1%BW) 1-GeV ERL の軸上ガンマ線輝度の計算値(解析式) 7e+22 6e+22 n=0.1mm-mrad 5e+22 n 4e+22 4 3e+22 2e+22 1e+22 0 17000 17500 18000 18500 19000 19500 gamma-ray energy (keV) calculation by using a formula in [1]. [1] F.V. Hartemann et at. Phys. Rev. ST AB 8, 100702 (2005). 11 ERLを用いたレーザー・コンプトン光源 spectral density (ph/keV/s) スペクトル密度 (ph/eV/s) 4e+06 3.5e+06 3e+06 2.5e+06 2e+06 1.5e+06 1e+06 500000 0 0 500 1000 1500 2000 2500 photon energy (keV) γ線エネルギー(keV) LCS発生に利用した電子は、減速して捨てる 新しい電子が常に加速するので、電子の品質劣化がない エネルギー回収により、大電流電子ビームが連続的に加速可能に 優れた単色性と高い輝度を併せ持つ光源 R. Hajima et al., NIMA608 (2009). 12 コンパクトERLにおけるレーザー・コンプトン光源の実証 核セキュリティ強化等推進事業費 (文科省補助金、H23~H25) LCS散乱実験設備(H25) 電子銃、入射器 超伝導加速器 LCS散乱部設備(H25) 周回軌道(H23, H24) Illustration by Rey Hori ERL開発棟 (KEK つくば) 13 ガンマ線の利用:ガンマ線は原子核と相互作用する 同位体に固有の原子核共鳴蛍光散乱(Nuclear Resonance Fluorescence) 入射ガンマ線 2143 keV Pu-239 単色γ線によるNRF 蛍光ガンマ線 2143 keV fingerprint WANTED エネルギー可変、 原子核反応を 単色ガンマ線ビーム 選択的に実行 R. Hajima, T. Hayakawa, N. Kikuzawa, E. Minehara, J. Nucl. Sci. Tech. 45, 441 (2008). 14 NRF実験– 産総研TERAS 60 Energy 5512 5292 4842 2+ 2+ 5691 5106 4915 1+ 3948 0+ 2313 20 Emission 10 0+ 同位体の一次元マッピング N. Kikuzawa et al., APEX 2, 036502 (2009). 4842 keV : 208Pb 30 0+ 0 1+ 0 0 4400 4500 4600 二種同位体の同時測定 12 C 14 N 4700 4800 4900 5000 Energy [keV] T. Hayakawa et al., RST 80, 045110 (2009). Iron plates t=15mm 60 50 Vertical Position [mm] 0 208 Pb 4915 keV : 14N 40 Emission Absorption Flux of gamma-rays 4439 keV : 12C 4439 4085 Absorption 50 120- Counts 111- 206 Pb 40 208 30 Pb 20 10 0 0 10 20 同位体の二次元マッピング 30 Thickness [mm] H. Toyokawa et al., JJAP 50, 100209 (2011). 40 50 LCS gamma-ray Scatterd 二種同位体の一次元マッピング gamma-ray T. Shizuma et al., RSI 83, 015103 (2011). 15 散乱法による核物質の非破壊測定 測定試料 切り出した溶融燃料体 Energy [keV] スキャン Pu-239 の散乱ガンマ線 2423 2143 Tunable Absorption LCS ガンマ線 直径 2mm ~ 2cm Emission 検出器 4 検出器 3 スキャン 検出器 2 1/2+ 検出器 1 Flux of gamma-rays 深さ方向の測定 0 239 Pu 2~5MeVの適当な励起状態を利用 ・試料からのバックグラウンドは鉛(アブゾーバ)で減衰させる T. Hayakawa et al. Nucl. Instr. Meth, A 621, 695 (2010). 16 吸収法による核物質の非破壊測定 239Puが有ると吸収される 測定試料と、検出器は別の部屋 に配置する 239Puが無い場合 239Puのエネルギー サンプル透過後のスペクトル Pu-239 を含む Witness Foil Pu-239 散乱γ線 239Puが有る場合 入射γ線のスペクトル 239Puの 量に比例 LCS ガンマ線 239Pu ガンマ線検出器 Pu239では2.42MeV状態の利用(一例) 検出器のスペクトル ・同位体濃度が正確にわかっている標準試料を witness foil として用いる ・測定試料からのバックグラウンドに影響されにくい 17 まとめ • レーザー・コンプトン光源(LCS): レーザー、加速器の技術進展 実用化へ • X線領域:微小光源、短パルス性を生かして、他の 光源との差別化 • γ線領域:波長可変かつ単色性をもつ唯一の光源 • ERL:低エミッタンス大電流ビームはLCSにも有利 • cERL:LCS光源の実証実験、文科省補助金にて 実施中(H23~H25) 18