JP4822267B2 - 二帯域短パルス高輝度光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビームとレーザーとによるコンプトン散乱と電子ビームからのコヒーレント放射を利用した二帯域短パルス高輝度光源装置に関する。

硬Ｘ線領域の光子ビームは、その高い物質透過性を活かして生体組織や工業製品のイメージングに有効であることが長らくいわれ、研究開発が進められてきた。さらに、タンパク質の構造解析に利用されたことで創薬への利用が見込まれ、特に単色の硬Ｘ線光源に対する潜在的な需要は高いと推察されている。
高輝度光源の得難い硬Ｘ線領域においては、古くから加速器を用いた光源開発が行われていた。制動放射を利用した高エネルギー光子発生技術開発の歴史は長く、当初は大電流が得られる線形加速器を使用しており装置が大型であったが、最近では半径が１ｍ以内の小型電子蓄積リングを使用するなど、小型化も進んでいる。また、大型放射光施設のアンジュレータ放射を用いたビームラインでは、他に類を見ない高い収量が得られるため分光してタンパク質の構造解析に実用されている。加速器の電子ビームとレーザーとの逆コンプトン散乱過程を利用した高エネルギー光子ビーム発生もまた研究開発が進められている方法の一つである。他の加速器由来の光源と比較して収量は小さいが、出力光子ビームのエネルギーの高さや準単色性に相違がある。また、小型加速器を利用することで装置を比較的小型にでき、短パルスレーザーを利用することでピコ〜サブピコ秒程度の短パルス硬Ｘ線も得ることができる。

一方でテラヘルツ領域は、光波と電磁波との中間帯に位置し、分光測定に適した光源が少なく、研究開発の遅れた領域であった。しかし最近では、通信やイメージング技術などの分野でこの波長帯が注目され始めており、高エネルギー電子バンチから放射されるコヒーレント放射や後進後波管による発振、半導体等の電流スイッチングによって放射されるテラヘルツ光を利用し、めざましく研究が進んでいる。
この波長帯の光源として、特に高エネルギー電子バンチからのコヒーレント放射は、大強度で連続スペクトルが得られるために有望視されている。高周波によって加速される電子バンチは通常ガウス分布をしているが、加速勾配を細工することや、高密度による電子間の反発によって、理想的なガウス分布からずれを生じることがある。電子バンチが偏向磁石などを通過して放射光を発生するのに伴い、この分布の形状によって特徴づけられるコヒーレント放射も発生することが知られている。コヒーレント放射は、バンチ長と同程度の波長以上で強い連続スペクトルを持ち、その強度はバンチ内の電子数の２乗に比例する。そのため、バンチ長が短くてピーク電子密度の大きいリニアックを用いた研究を中心に既に数件研究が行われており、大強度のテラヘルツ光が得られている。また、出力は小さいが、蓄積リング電子ビームへ短パルスレーザーを打ち込みアンジュレータとの相互作用を利用してバンチ形状を変型させることでテラヘルツ光を得る試みも行われている。

（柳田 達哉 他３名：フェムト秒高輝度Ｘ線源の開発、応用物理 第７４巻 第４号 ４８２−４８６） （Ｒ．Ｗ．Ｓｈｏｅｎｌｅｉｎ 他７名、Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅｓ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ ｒａｄｉａｔｉｏｎ、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８７、２０００、ｐｐ．２２３７−２２４０）

硬Ｘ線領域及びテラヘルツ領域のそれぞれ一つについては加速器の電子ビームを利用することで高輝度光ビームを作り出すことができる。しかしながら、一つの小型加速器から同時に異なる二つの波長帯でピコ秒からサブピコ秒の短パルス高輝度光ビームを生成しこれを利用する装置は未だ作られてはいない。

本発明は、前記の問題点に鑑み、比較的小型の加速器装置を利用して、ほぼ同時かつ同方向に二つの異なる波長帯の短パルス高輝度光ビームを得ることができる二帯域短パルス高輝度光源を提供することを目的とする。

ピコ秒硬Ｘ線の発生には、数ｎＣ程度の高電荷で数ピコ秒程度の短パルス電子ビームを加速することが可能なフォトカソードＲＦ電子銃を備えたリニアックの電子ビームに、１００フェムト秒程度のパルス幅をもつ高出力レーザーを衝突させる逆コンプトン散乱過程を利用する。パルス幅をサブピコ秒まで短くするには、レーザーと電子ビームとの衝突角度を垂直に近づければよい。高出力レーザーの一部を切り出して、衝突後の電子ビームと数ミリ周期の短周期アンジュレータ内で相互作用させると、電子バンチ内においてレーザーのパルス幅の部分でエネルギー分布の拡大が生じる。そのため、偏向磁石を通過させて放射光を発生させるとレーザーパルス幅の部分にディップ（凹み）が生じ、ディップの長さよりも大きい波長帯でコヒーレント放射が生じ、強いテラヘルツ光が得られることになる。加速器として蓄積リングを用いてこの方法でテラヘルツ光発生を行う研究はあるが、蓄積リング電子ビームの繰り返し周期は通常数ＭＨｚもあるがレーザーの繰り返し周期は１０ｋＨｚ程度で、テラヘルツ光を発生しないバックグラウンドが大部分を占める。また装置の規模が大きく、１０ｍ四方のオンサイトで使えるような大きさではない。
さらに、衝突用レーザーを複数個用意するか、光パルス分割回路を利用することによって等間隔にディップを作り、コヒーレント放射のスペクトル幅を狭くすることができる。電子ビームとレーザーとの衝突点と偏向磁石の配置は１ｍ以内に置け、また硬Ｘ線とコヒーレント放射のテラヘルツ光は原理的に同一方向に発生できるため、同時刻かつ同方向での照射が可能である。

詳しくは、以下のようになる。
（１）二帯域短パルス高輝度光源装置は、大電荷量の線形加速器を用いた相対論的電子ビームに大出力短パルスレーザーを衝突させるコンプトン（Ｃｏｍｐｔｏｎ）散乱により準単色の硬Ｘ線ビームを発生させ、前記電子ビームを周期長の短いアンジュレータで短パルスレーザーから分離した一部分と相互作用させてバンチスライス法によるテラヘルツ光を発生させたことを特徴とする。
（２）上記（１）記載の二帯域短パルス高輝度光源装置は、少なくともアンジュレータ、偏向磁石、光学系を有する真空容器と、大電荷量の線形加速器と、パルスレーザー発生器を備える光源装置であって、前記大電荷量の線形加速器からの電子ビームと、同じく前記パルスレーザー発生器からの大出力短パルスレーザーを前記真空容器内で逆コンプトン散乱過程を経ることでピコ秒からサブピコ秒までのパルス幅の準単色の硬Ｘ線ビームを発生させ、前記衝突点より後段に配置された周期長の短い前記アンジュレータ内で前記電子ビームを前記大出力短パルスレーザーの一部と相互作用を行わせ、電子バンチ内においてレーザーのパルス幅の部分でエネルギー分布の拡大を行わせテラヘルツ光を発生させることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）記載の二帯域短パルス高輝度光源装置は、分離した前記短パルスレーザーから分離した一部分に対してパルス分割回路を設け、時間間隔の短いパルス列を形成し、テラヘルツ光のスペクトル幅を狭くすることを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の二帯域短パルス高輝度光源装置は、真空容器内に設置された反射用と収束用のミラーによって前記電子バンチと相互作用を行わせるレーザーを電子バンチと同一軸上に入射し、かつ準単色の硬Ｘ線発生用の大出力短パルスレーザーと同一経路となる光学系を有することを特徴とする。
（５）上記（１）乃至（４）のいずれか１項記載の二帯域短パルス高輝度光源装置は、前記準単色の硬Ｘ線ビームと前記テラヘルツ光を前記偏向磁石を介して前記真空容器の異なるポートから出力するようにしたことを特徴とする。

次に、本発明の実施例を述べ、本発明の効果を更に詳細に説明するが、これらの実施例は本発明を限定するものではない。
本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。

フォトカソードＲＦ電子銃付き小型Ｓバンドリニアックを使用する。電子ビーム特性及び衝突用レーザー特性については、既存の技術で入手可能であると思われる数値を利用する。以下の計算で使用する衝突点における主なパラメータを表１に示す。

また、レーザーを含めた光学系及び電子ビーム軌道の模式図を図１に示す。図１は、本発明の二帯域短パルス高輝度光源装置の構成図であり、光学系及び電子ビーム輸送系を示す。ここでは簡単のため衝突用レーザーと相互作用のためのレーザーとを分けて描いたが、相互作用のためのレーザーは衝突用レーザーの一部を切り出して使用しても良い。
電子バンチＢは、ポート２（６）から真空容器５内へ進入し、曲率半径が１ｍのステアリングコイル２によって１０度偏向され、衝突点３へ進入する。衝突用パルスレーザーＲ１はポート１（４）より真空容器５内へ進入し、衝突点３にて収束して、電子バンチＢと１６５度の角度で衝突し電子バンチＢの進行方向に逆コンプトン散乱により準単色の硬Ｘ線を発生する。
衝突は発生することが重要であり、その衝突の角度は任意の角度を採り得る。衝突の角度を１８０度に近い角度、実施例に示す１６５度を採用すると、準単色の硬Ｘ線の収量が多くなる。衝突を発生するために、真空容器内に設置された反射用と収束用のミラーによって電子バンチと相互作用を行わせるレーザー光を電子バンチと同一軸上に入射し、かつ準単色の硬Ｘ線発生用の大出力短パルスレーザー光と同一経路となる光学系を構成する。
硬Ｘ線ビームはそのまま直進しＢｅ（ベリリウム）窓（１３）から真空容器５外へ射出され、利用実験に使用される。ここで、逆コンプトン散乱過程にて発生する硬Ｘ線ビームの収量について評価する。収量はおおよそ電荷量とレーザー出力に比例し、バンチ長及び衝突点の断面積に反比例するので、非特許文献１における実験結果から、１パルス当たり約３．３´１０^６個となることがわかる。得られる硬Ｘ線のパルス幅は、電子ビームのそれと同じく約０．９ｍｍ（３ｐｓ）である。パルス幅は、衝突角を垂直に近づけることにより、電子ビームのパルス幅程度まで短くなることができ、フェムト秒硬Ｘ線を得ることができる。

次にコヒーレント放射にて発生するテラヘルツ光の評価を行う。上述した衝突用パルスレーザーの前に相互作用のための相互作用レーザー（Ｒ２）パルス列をポート１（４）経由で打ち込む。相互作用のための短パルスレーザーは衝突点を通過した後に平面鏡７で反射され、衝突点における電子ビームの進行方向の１８０度に設置された半円型の凹面鏡８にて反射され、半分の出力が電子バンチＢと同一方向に進行する。この時、電子バンチＢの中心と完全に同期を取れるように、ビームスプリッタ９の位置を調整して位相調整する。相互作用のためのレーザーの特性としては、衝突用パルスレーザーＲ１の特性と出力以外は同等とし、出力は相互作用時に１ｍＪもあれば充分である。電子バンチＢはこの半円型凹面鏡８の位置でビーム径が０．４ｍｍぐらいに拡がっているが、半円型凹面鏡８との距離を２．５ｍｍ以上とれるので、電子バンチＢの半円型凹面鏡８による損失は無視できる。電子バンチＢと相互作用レーザーＲ２は、衝突点から４ｃｍの位置に設置された真空封止型アンジュレータ１０に進入する。半円型凹面鏡８はアンジュレータ１０中心付近で収束するように曲率半径を選ぶ。アンジュレータ１０の特性を表２に示す。

衝突点にて発生した硬Ｘ線は１３ｍ ｒａｄの拡がりを持ち、アンジュレータ１０出口付近では半径２．６ｍｍほどに達するが、アンジュレータ１０の間隙はそれ以上なので硬Ｘ線の損失は無視できる。アンジュレータ１０により、レーザーパルスと同期した部分の電子バンチＢはエネルギーモジュレーションを受ける。
非特許文献２によればモジュレーションの大きさは偏差が２ＭｅＶにも達し、偏向することで容易に電子ビームにディップを作ることができる。ディップの幅は経験的にレーザーパルスの√２倍程度であるが、偏向磁石１１のように分散のあるところを通過するとディップが埋まっていく。ただし、図１のようにアンジュレータ１０から発光点である偏向磁石１１までの距離が短い場合はその影響が小さいので、ここではその影響を無視して考えることにする。ディップの深さはアンジュレータ１０による光増幅の利得を評価して得られる。アンジュレータ１０を通過する電子バンチＢの特性（平均ビームサイズが０．２ｍｍ）を用いて名目の利得を計算すると０．２８にもなり、飽和に達していることがわかる。従って、レーザーとの相互作用効率はほぼ１００％であると想定され、偏向磁石１１を通過中の電子バンチＢのバンチ形状は図２のようになっていると考えられる。バンチスライス法によるテラヘルツ光は偏向磁石１１により発生されて窓１４から出力される。図２は、レーザーパルス１個と相互作用した電子ビームの偏向磁石を通過中の電子密度分布図である。理想的にはガウス分布をしている電子ビームに対し、レーザーパルスと相互作用することで中央付近の電子が欠けていることが図２から理解できる。

バンチ形状をフーリエ変換することでコヒーレント放射の効率を決める形状因子を導出でき、図２の特性に対してこれを実行すると図３のような形状因子スペクトルが得られる。図３は、形状因子の波長変化特性で、波長２×１０^―２ｍを境に異なる特性となっている。ガウス分布した電子ビームに対する形状因子スペクトルは、バンチ長に対応した波長以下では急激に小さくなるのだが、図３に示すように、図２の電子密度分布に見られる切り欠きに対応して０．１ｍｍ〜１ｍｍの波長でも比較的大きな形状因子が得られていることがわかる。
本例ではエネルギーモジュレーションが大きいため、小さな偏向角でもコヒーレント放射が発生し、硬Ｘ線とほぼ同方向でも利用可能であるが、ここでは偏向角３０度の位置の放射を考える。偏向磁石の曲率半径を２０ｃｍと小さくすれば、１００ｍ ｒａｄの角度内に放射されるコヒーレント放射スペクトルは図４のようになる。図３で見られた波長０．１ｍｍ〜１ｍｍの領域における形状因子のピークに対応して、コヒーレント放射スペクトルにおいても波長０．１ｍｍ〜１ｍｍのテラヘルツ帯と呼ばれる領域で、電子パルス毎あたり１０ｎＪ／１％ｂ．ｗ．以上比較的強い放射が得られることを図４は示している。特に例示したケースでは、自由電子レーザー装置の少ない３００μｍ付近の波長域で強い放射が得られるため、利用価値が高い。

さらに、相互作用のためのレーザーパルスをレーザー用のパルス分割回路を使って分割及びパルス間隔を制御し、８個の１ｍＪのパルスが電子バンチＢとアンジュレータ１０内で相互作用するように調整する。パルス分割回路の原理を図５に示す。図５では、フェムト秒レーザー３１からのレーザーは、光学系の平面鏡３０、ビームスプリッタ２７と進行し手、ビームスプリッタ表面で分割される。ビームスプリッタ２７を直進した成分は光路遅延用精密ステージの平面鏡２６および２５、１／２波長板２４を介して偏光ビームスプリッタ２２へ入射する。いずれかの偏光成分はそのまま直進して、レンズ２１によって適切に集光される。一方でビームスプリッタ２７の表面にて反射した成分は平面鏡２８および２９、１／２波長板２３を介して偏光ビームスプリッタ２２へ入射する。このとき、先の経路の偏光成分とは異なる偏光成分は反射されることにより先の経路と同一上に進み、レンズ２１によって適切に集光される。光路遅延用精密ステージの位置を調節することにより、これら異なる経路をたどった２つのパルスから成る時間間隔の短いパルス列を形成できる。偏光ビームスプリッタ２２で反射若しくは直進してレンズ２１を通過しなかった偏光成分は、吸収体３２へ入射して迷光が発生することを防ぐ。これにより、テラヘルツ光のスペクトル幅を狭くすることができる。図５では２分割であるが、これをカスケードにすれば８分割のパルス列を得ることができる。或いは、カスケード接続されたマイケルソン干渉計によるパルス列発生法など、他のフェムト秒パルス列発生法を用いても良い。パルス列の時間中心と電子バンチの中心との同期を完全に取れば、偏向磁石１１では図６のような電子バンチ形状になる。図６は、遅延距離（ＤＬ）が２４０μｍ、３６０μｍの場合における、相対強度の長さ変化特性で、レーザーパルス８個と相互作用した電子ビームの偏向磁石を通過中の電子密度分布を示している。図２と同様に、レーザーパルスとの相互作用により電子密度分布に切り欠きが生じ、その間隔は遅延距離によって制御されていることがわかる。

図７は、遅延距離（ＢＬ）が２４０μｍ、３６０μｍの場合における、コヒーレント相対強度の波長変化特性で、レーザーパルス８個と相互作用した電子ビームが偏向角３０度の位置において１００ｍ ｒａｄの角度内に放射するコヒーレント放射スペクトルを表しており、図６の電子バンチ構造から評価された形状因子を用いて計算できる。測定位置等の条件は図４のそれと同一である。強度は相互作用のレーザーパルスが１個の場合に比べ１００倍近く増大し、電子バンチの繰り返しが５０Ｈｚの場合には平均強度が０．１ｍＷ／１％ｂ．ｗ．にもなる。遅延距離に対応した波長で強いピークを持ち、その相対幅（Δλ／λ）はレーザーパルス数の逆数にほぼ等しいことが図７よりわかる。高次高調波を用いると強度は落ちるが次数分だけさらに波長幅が狭くなる。狭いピークの波長は遅延距離を調整することで、サブミリ波帯で可変である。従って、レーザーパルス数を増やすことで、強力で波長可変な準単色テラヘルツ光を得ることができる。
硬Ｘ線及びテラヘルツ帯コヒーレント放射共にイメージングに充分な収量を期待でき、しかもほぼ同時に得られるため、当該特許を使用した二帯域短パルス高輝度光源を活用することで、医療や工場などのオンサイトイメージングが可能になる。

本発明の二帯域短パルス高輝度光源装置の構成図であり、光学系及び電子ビーム輸送系を示す。 レーザーパルス１個と相互作用した電子ビームの偏向磁石を通過中の電子密度分布図である。 レーザーパルス１個と相互作用した電子ビームの形状因子スペクトルの波長特性図である。 レーザーパルス１個と相互作用した電子ビームが偏向角３０度の位置において１００ｍ ｒａｄの角度内に放射するコヒーレント放射スペクトルを表した図である。 レーザーパルス分割回路の原理図である。 遅延距離が２４０μｍ、３６０μｍの場合における、レーザーパルス８個と相互作用した電子ビームの偏向磁石を通過中の電子密度分布図である。 遅延距離が２４０μｍ、３６０μｍの場合における、レーザーパルス８個と相互作用した電子ビームが偏向角３０度の位置において１００ｍ ｒａｄの角度内に放射するコヒーレント放射スペクトルを表した図である。

符号の説明

１ 二帯域短パルス高輝度光源装置
２ ステアリングコイル
３ 衝突点
５ 真空容器
７ 平面鏡
８ 半円凹面鏡
９ ビームスプリッタ
１０ 真空封止型アンジュレータ
１１ 偏向磁石
Ｒ１ 衝突用パルスレーザー
Ｒ２ 相互作用用レーザー
２１ レンズ
２２ 偏光ビームスプリッタ
２３、２４ １／２波長板
２５，２６ 平面鏡
２７ ビームスプリッタ
２８，２９、３０ 平面鏡
３１ フェムト秒レーザー

Claims (5)

1. 線形加速器、短パルスレーザー光源及びアンジュレータを備える二帯域短パルス高輝度光源装置であって、前記線形加速器から出射された相対論的電子ビームに、前記短パルスレーザー光源から出射された短パルスレーザーを衝突させて、コンプトン散乱により準単色の硬Ｘ線ビームを発生させるとともに、前記電子ビームと前記短パルスレーザーから分離した一部分とを前記アンジュレータ内において相互作用させて、バンチスライス法によるテラヘルツ光を発生させることを特徴とする二帯域短パルス高輝度光源装置。
2. 少なくともアンジュレータ、偏向磁石、光学系を有する真空容器と、線形加速器と、短パルスレーザー光源を備える光源装置であって、前記線形加速器からの電子ビームと、同じく前記短パルスレーザー光源からの大出力短パルスレーザーを前記真空容器内で逆コンプトン散乱過程を経ることでピコ秒からサブピコ秒までのパルス幅の準単色の硬Ｘ線ビームを発生させるとともに、前記衝突点より後段に配置された周期長の短い前記アンジュレータ内で前記電子ビームを前記大出力短パルスレーザーの一部と相互作用を行わせ、電子バンチ内においてレーザーのパルス幅の部分でエネルギー分布の拡大を行わせテラヘルツ光を発生させることを特徴とする請求項１記載の二帯域短パルス高輝度光源装置。
   
3. 前記短パルスレーザーから分離した一部分に対してパルス分割回路を設け、時間間隔の短いパルス列を形成し、テラヘルツ光のスペクトル幅を狭くすることを特徴とする請求項１又は２記載の二帯域短パルス高輝度光源装置。
4. 前記電子バンチと相互作用を行わせるレーザーを電子バンチと同一軸上に入射するために、真空容器内に反射用と収束用のミラーを有し、かつ準単色の硬Ｘ線発生用の大出力短パルスレーザーと同一経路となる光学系を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の二帯域短パルス高輝度光源装置。
5. 前記準単色の硬Ｘ線ビームと前記テラヘルツ光を前記偏向磁石を介して前記真空容器の異なるポートから出力するようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の二帯域短パルス高輝度光源装置。
   

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