JP7421564B2 - 荷電粒子パルスを光パルスと同期させる方法および装置 - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１９年２月２２日に出願された米国仮出願第６２／８０９，３５０号の利益および優先権を主張するものであり、この仮出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

開示の実施形態は概して、Ｘ線パルスおよび荷電粒子パルスに関するものであり、より詳細には、荷電粒子パルスを光パルスと同期させること（例えば、光パルスを基準にした荷電粒子パルスの到達時間を決定すること）に関するものである。

最先端のＸ線光源は、フェムト秒（ｆｓ）レベルの時間分解能が所望される時間分解科学研究に有用である。そのような研究では、レーザ・ビーム、Ｘ線ビーム、および電子ビームを含む複数のビームが、同一レベル（例えば、フェムト秒）で同期されることで、新たな科学が実現される。このレベルの同期を実現することは、この分野における差し迫った課題である。

一態様では、方法は、第１の光ビームを指向させて第１の領域における第１の場所で荷電粒子ビームと交差させ、第１のＸ線ビームを生成することを含む。方法は、第１のＸ線ビームの少なくとも一部が衝突する検出器上の位置を検出することと、その位置に基づいて、第１の光ビームを基準にした荷電粒子ビームのタイミング同期を決定することとを含む。

いくつかの実施形態では、第１の光ビームは、第１の光ビームの複数のパルスを含み、荷電粒子ビームは、荷電粒子ビームの複数のパルスを含む。第１の光ビームの複数のパルスのそれぞれのパルスが、荷電粒子ビームの複数のパルスのそれぞれのパルスに衝突する場合、第１のＸ線ビームのパルスが生成される。タイミング同期は、第１の光ビームのそれぞれのパルスと、荷電粒子ビームのそれぞれのパルスとの間のものである。

いくつかの実施形態では、方法は、第１の光ビームが荷電粒子ビームと交差する前に、第２の光ビームを指向させて荷電粒子ビームと交差させ、第２のＸ線ビームを生成することと；第２のＸ線ビームを実験用エンドステーションに指向させることと、をさらに含む。いくつかの実施形態では、第１の光ビームおよび第２の光ビームは、共通光源から誘導される。

いくつかの実施形態では、方法は、共通光源から第３の光ビームを実験用エンドステーションに指向させることをさらに含む。いくつかの実施形態では、荷電粒子ビームは、第１の領域における磁場によって生じる湾曲した軌跡に沿って進行する。いくつかの実施形態では、タイミング同期は、湾曲した軌跡に沿った位置の関数であり、この位置は、第１の光ビームが荷電粒子ビームと交差する位置である。いくつかの実施形態では、検出器上の位置は、湾曲した軌跡に沿った位置によって決定され、この位置は、第１の光ビームが荷電粒子ビームと交差する位置である。

いくつかの実施形態では、方法は、磁場の大きさを選択することで、荷電粒子ビーム中の中心エネルギーを有する荷電粒子が、選択された経路に沿って進行するようにすることを含む。いくつかの実施形態では、共通光源に由来するエネルギーの大きい方の部分が、第１の光ビームではなく第２の光ビームにある。

いくつかの実施形態では、方法は、第１のＸ線パルスが衝突する検出器上の第１の位置を記録することを含み、第１のＸ線パルスは、荷電粒子ビームの第１のパルスと第１の光ビームの第１のパルスとを用いて発生させる。方法は、第２のＸ線パルスが衝突する検出器上の第２の位置を記録することをさらに含み、第２のＸ線パルスは、荷電粒子ビームの第２のパルスと第１の光ビームの第２のパルスとを用いて発生させる。方法は、第１の位置と第２の位置との間の距離を、第１の光ビームのそれぞれのパルスを基準にした、荷電粒子ビームのそれぞれのパルスのそれぞれの到達時間どうしの間の時間遅延に変換することを含む。

いくつかの実施形態では、距離を時間遅延に変換することは、第１の場所と検出器との間の距離に基づく。いくつかの実施形態では、第１のＸ線パルスは、逆コンプトン散乱（ＩＣＳ）を通じて生成される。いくつかの実施形態では、パルス状荷電粒子ビームは、相対論的ビームである。いくつかの実施形態では、第１の光ビームは、パルス状レーザ・ビームである。いくつかの実施形態では、荷電粒子ビームは、電子ビームを含む。いくつかの実施形態では、電子ビームは、電子のパルスを含む。

いくつかの実施形態では、第１の光ビームは、光のパルスを含み、光のパルスの繰り返し率は、電子のパルスの繰り返し率に等しい。いくつかの実施形態では、繰り返し率は１ｋＨｚである。

一態様では、時間同期装置は、荷電粒子ビームによって生成されたＸ線パルスが検出器に衝突する位置を測定するように構成される検出器と、Ｘ線パルスが衝突する検出器上の位置の画像を生成するように構成されるカメラと；１つまたは複数のプロセッサと、検出器上の位置を荷電粒子ビームと光ビームとの間のタイミング同期の測定結果に変換する命令を記憶するメモリとを含む計算機システムと、を含む。

いくつかの実施形態では、Ｘ線パルスは、荷電粒子ビームを光源からの光ビームと衝突させることによって生成される。いくつかの実施形態では、荷電粒子ビームは、磁場を有する領域において光ビームと衝突する。いくつかの実施形態では、磁場は、湾曲した軌跡上を荷電粒子ビームに進行させるように構成される。いくつかの実施形態では、検出器は、真空に保たれる筐体内に置かれるように構成される。いくつかの実施形態では、カメラは、筐体の外側に置かれるように構成される。いくつかの実施形態では、検出器はシンチレータを含み、シンチレータは、Ｘ線パルスによって励起される場合にルミネッセンスを放射するように構成される。いくつかの実施形態では、シンチレータは、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）スクリーンを含む。いくつかの実施形態では、荷電粒子ビームは、加速器によって生成される。いくつかの実施形態では、荷電粒子ビームは、相対論的ビームである。いくつかの実施形態では、光ビームは、パルス状レーザ・ビームを含む。いくつかの実施形態では、荷電粒子ビームは、電子ビームを含む。いくつかの実施形態では、電子ビームは、電子のパルスを含む。いくつかの実施形態では、光ビームは、光のパルスを含み、光のパルスの繰り返し率は、電子のパルスの繰り返し率に等しい。いくつかの実施形態では、繰り返し率は１ｋＨｚである。

一態様では、方法は、電子パルスと光パルスとの間のタイミング同期を決定することと、第１の場所で光パルスを電子パルスと衝突させることによりＸ線パルスを生成することと、Ｘ線パルスが衝突する検出器上の位置を測定することと、その位置、および検出器と第１の場所との間の距離に基づいて、タイミング同期を計算することとを含む。

いくつかの実施形態では、第１の場所は磁場中にあり、電子パルスは円軌跡に沿って進行する。いくつかの実施形態では、タイミング同期を計算することは、電子パルスの円軌跡の曲率半径の値を使用することをさらに含む。いくつかの実施形態では、電子パルスは、光速の９９％よりも大きい速度で進行する。

記載の様々な実施形態をよりよく理解するには、以下の「発明を実施する形態」を、以下の諸図面と併せて参照することが望ましく、図中、図全体を通じて、同様の参照数字は、対応する部分を指す。

いくつかの実施形態に準拠する、光源（例えば、自由電子レーザなどのＸ線光源）を例示する模式図である。 同上。 同上。 いくつかの実施形態による、荷電粒子パルスを光パルスと同期させる（例えば、この場合、荷電粒子パルスと光パルスの相互作用がＸ線を生成する）装置を例示する模式図である。 いくつかの実施形態による、荷電粒子パルスのエネルギー分布を例示する模式図である。 いくつかの実施形態による、荷電粒子パルスを光パルスと同期させる装置を例示する模式図である。 いくつかの実施形態による、図２Ａの装置を較正する方法を例示する模式図である。 いくつかの実施形態による、光パルスを基準にした荷電粒子パルスの時間同期を決定する方法を例示する模式図である。 いくつかの実施形態による、荷電粒子パルスを光パルスと同期させる（例えば、この場合、荷電粒子パルスと光パルスの相互作用がＸ線を生成する）装置とともにＸ線源を例示する模式図である。 いくつかの実施形態による、光パルスと荷電粒子パルスとの間の遅延を例示する模式図である。

本開示のいくつかの実施形態は、電子ビームが円弧を移動している間に、レーザを電子ビームと衝突させて（例えば、交差させて、相互作用させて）、後方散乱Ｘ線を生成することを含む方法を提供する。以下、本明細書で使用される「衝突」、「交差」、「相互作用」という用語は、別途言及のない限り、電子パルスと光パルスの間の同一種類の相互作用を示す。この後方散乱過程は、逆コンプトン散乱（ＩＣＳ）である。ＩＣＳのＸ線は、電子と同一方向（例えば、電子の進行方向の接線方向）に放射される。ＩＣＳを通じて放射されるＸ線の方向は、円軌跡に沿った電子パルスの移動に起因して、時間の関数として変化する。これにより、検出器上のＸ線ビームの位置は、電子レーザの衝突（およびその結果としてのＸ線生成）のタイミング（よって位置または場所）に応じて変化する。この位置変化は容易に検出されて、フェムト秒スケールの感度でのタイミング測定結果に変換されることで、レーザ・パルス、電子パルス、Ｘ線パルスの同期の非常に難しいタイミング測定結果が、単純で確実な位置測定結果に変換される。

図１Ａ～図１Ｃは、いくつかの実施形態に準拠する、光源１００（例えば、自由電子レーザ）を例示する模式図である。簡潔にするために、光源１００の最も適切な態様の一部だけを以下で詳細に考察する。

いくつかの実施形態では、光源１００は、Ｘ線を生成する。いくつかの実施形態では、光源１００は、硬Ｘ線（例えば、１ｋｅＶを上回るエネルギーを有するＸ線）を生成する。いくつかの実施形態では、光源１００は、軟Ｘ線または極端紫外線を生成する。いくつかの実施形態では、以下に記載のとおり、光源１００によって生成される光（例えば、Ｘ線）は、空間的および時間的に完全にコヒーレントである（例えば、光源１００は、可視光、紫外、赤外、または他の波長で光を放射する従来型のレーザと同様のコヒーレンス特性を有する光を生成する）。いくつかの実施形態では、光源１００は、相対論的電子ビームを電磁場（例えば、以下に記載の逆コンプトン散乱の場合には、紫外レーザまたはアンジュレータのいずれかに由来するもの）と相互作用させることによって、光を発生させる。アンジュレータを使用するいくつかの実施形態では、光源１００は、従来型のＦＥＬよりもはるかに短い（例えば、およそ１００メートルとは対照的におよそ１０メートルの）アンジュレータを使用して光を発生させる。よって、光源１００は、コンパクトＸ線自由電子レーザ（ＣＸＦＥＬ）と称されることもある。

図１Ａに、電子バンチを発生させて初期加速する電子光入射器１０２を示す。例えば、いくつかの実施形態では、４ＭｅＶの電子ビームが、ソレノイドとＲＦガンとを含む４．５セルのＸバンド光入射器によって発生する。光入射器に続いて（例えば、その下流に）、１つまたは複数の線形加速器（ＬＩＮＡＣ）区画（それぞれＬＩＮＡＣ区画１０４ａ～１０４ｃ）があり、１つまたは複数のクライストロン（クライストロン１０６ａ～１０６ｂ）から電力供給される。例えば、いくつかの実施形態では、３つの３５ｃｍ長のＬＩＮＡＣ区画１０４ａ～１０６ｃが、電子ビームを３５ＭｅＶに加速する。

いくつかの実施形態では、単一のクライストロン１０６からのＲＦ電力は、いくつかの異なる構成要素に印加される（例えば、クライストロン１０６ｂは、ＬＩＮＡＣ区画１０４ｂとＬＩＮＡＣ区画１０４ｃとの両方だけでなく、ＲＦ偏向器空洞と加速器空洞１２４に電力供給する一方、クライストロン１０６ａは、電子バンチの初期加速とＬＩＮＡＣ１０５ｃとの両方に電力供給する）。さらに、いくつかの実施形態では、位相シフタ１０８（例えば、位相シフタ１０８ａ～１０８ｄ）が、様々なクライストロン１０６により様々な構成要素に供給される電力に、位相シフトを適用する。いくつかの実施形態では、負荷分散と制御のために、ＲＦ負荷１２８（例えば、ＲＦ負荷１２８ａ～１２８ｂ）が導入される。

回折格子１１０は、電子バンチの経路（例えば、電子バンチの伝搬方向）に対して透過幾何学的に配置される。いくつかの実施形態では、回折格子１１０は、最高１２ＭｅＶの調整可能なエネルギーを有する電子ビームを回折させる。

図１Ｂおよび図１Ｃに、ＬＩＮＡＣ区画１０４の下流で電子バンチをパターン形成し成形する様々な電子光学系を示す。光源１００の電子光学系は、３つの主要区画：ナノパターン撮像区画１１２、エミッタンス交換（ＥＥＸ）区画１１４、および逆コンプトン散乱（ＩＣＳ）相互作用区画１１６を含む。いくつかの実施形態では、ＩＣＳ相互作用区画１１６は、アンジュレータ（例えば、長さ２０ｍ未満のアンジュレータ）で置き換えられる。

ナノパターニング撮像区画１１２は、ＬＩＮＡＣ区画１０４ｃの下流にあり、いくつかの実施形態では、望遠鏡システムを形成する２つの四重極トリプレット１１８（例えば、四重極トリプレット１１８ａおよび四重極トリプレット１１８ｂ）を含む。四重極磁石は、その長手方向の軸からの半径方向の距離とともに大きさを急速に増大させる磁場を作り出す。この特性は、粒子ビームの集束に有用である。

ＥＥＸ区画１１４は、収差補正用の六重極電磁石１２２ａ～１２２ｃと八重極電磁石１２６とともに、４つの曲げ電磁石１２０ａ～１２０ｄと、独立して位相調整および電力供給されるＲＦ偏向器空洞および加速器空洞（総称して１２４）とを含む。

ＥＥＸ区画１１４の後、ＩＣＳ相互作用区画１１６は、ＩＣＳ相互作用点１３２のところで電子ビームサイズを減少させる（例えば、約１ミクロンにする）集束用トリプレット１３０に始まり、次いで、電子ビームを、逆コンプトン散乱レーザ１３８にからのＩＣＳレーザ場と衝突させる（例えば、逆コンプトン散乱レーザ１３８からの光が送り込まれ、ＩＣＳ相互作用点１３２で再指向されて電子ビームとほぼ平行にされる）。電子ビームがＩＣＳレーザ場と衝突することにより、Ｘ線（または他の光）１３６が生成される。ＩＣＳ相互作用点１３２の下流では、２つの双極磁石１３４ａ～１３４ｂがそれぞれ、ビームを曲げてビームダンプ内に入射させる（例えばそれぞれ、水平方向に３０度、および９０度曲げて、鉛直ビームダンプに入射させる）。いくつかの実施形態では、図１Ｃに示すとおり、ビームダンプは、ｘ方向に沿って（図面の平面に向かって）、磁石１３４ｂの下にある。

いくつかの実施形態では、電子ビームとＩＣＳレーザ場との衝突は、双極磁石１３４ａの磁石場中で生じる。ＩＣＳ相互作用区画１１６は、光発生装置の一例である。アンジュレータ（図示せず）が、光発生装置の別の例である。

図１Ｄは、いくつかの実施形態による、パルス状荷電粒子ビーム１５４とパルス状光ビーム１５６とのタイミングを同期させる装置１５０を例示する模式図である。いくつかの実施形態では、パルス状荷電粒子ビームをパルス状光ビームと同期させることは、パルス状光ビームを基準にしたパルス状荷電粒子ビームの到達時間を決定することを含む。以下、パルス状荷電粒子ビームを電子ビームと称することにする。しかし概して、本明細書に開示の方法およびシステムは、イオンまたは他の荷電粒子などの荷電粒子ビームに使用することができる。本明細書で使用されるとおり、「荷電粒子パルス」と「パルス状荷電粒子ビーム」は、別途指示のない限り、同義である。

装置１５０は、Ｘ線検出器を含む。いくつかの実施形態では、Ｘ線検出器は、シンチレータ１６２と、シンチレータ１６２によって放射された光を測定するカメラ１１４とを含む。シンチレータ１６２は、シンチレーションを発揮する材料を含み、このシンチレーションでは、材料が荷電粒子または高エネルギー光子によって叩かれる（またはそうでなければ電離放射線によって励起される）場合に、蛍光または燐光（例えば、ルミネッセンス）によって、可視光または紫外光の小さな閃光が放射される。

シンチレータ１６２は、Ｘ線パルスが衝突する場合に発光し、カメラ１６４がシンチレータを撮像することで、発光の位置を捉えて測定することができる。いくつかの実施形態では、シンチレータは、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）スクリーンである。状況によっては、場所１８０での光パルス１５６と電子ビーム１５４との衝突におけるＩＣＳを通じて生成されるＸ線パルス１７０のビーム径は、数十ミクロンのオーダーである。いくつかの実施形態では、シンチレータ１６２は、少なくとも１０μｍの空間分解能を与える（例えば、シンチレータ上で１０μｍ以上離れた２つの点を識別することができる）。いくつかの実施形態では、シンチレータは、最小１μｍの空間分解能を与える。

いくつかの実施形態では、電子ビームは、加速器１６０（縮尺通りには描かれていない）によって生成される相対論的ビームである。いくつかの実施形態では、加速器１６０は、ＲＦ銃、クライストロン、シケイン（ｃｈｉｃａｎｅ）、および同類のものの１つまたは複数など、図１Ａ～図１Ｃに示される構成要素１０２から１３０を含む。加速器１６０は、電子ビームを光源１００の最終焦点のところの相互作用領域に送達するのに使用されるあらゆる構成要素を示す。いくつかの実施形態では、相対論的ビームは、光速に近い速度（例えば、光速の７０％、８０％、９０％、９９％、９９．９％）で進行する電子ビームである。

いくつかの実施形態では、パルス状光ビームは、パルス状レーザ・ビームである。いくつかの実施形態では、パルス状レーザ・ビームは、赤外、可視、または紫外のスペクトルでの波長λ_１を有する。

装置１５０は、磁場１５７を有する第１の領域１５８において動作する。磁場１５７は、磁石によって生成される。いくつかの実施形態では、磁石は、電磁石である。いくつかの実施形態では、磁石は、永久磁石である。いくつかの実施形態では、磁石は、双極磁石である。加速器では、双極磁石が、ある距離（領域）にわたって均一な磁場を作り出す。その磁場中の荷電粒子の動きは、磁場に垂直な面内で円になる。状況によっては、双極磁石によって作り出された磁場を有する領域内に注入された荷電粒子は、円に沿って進行する（例えば、磁場が荷電粒子の速度に対して垂直な場合）。同一平面上で複数の双極区画を追加することで、荷電粒子ビームの曲げ半径の効果が増大する。

いくつかの実施形態では、第１の領域１５８は、図１Ｃの双極磁石１３４ａによって生成される磁場内の領域に対応する（磁場１５７は双極磁石１３４ａによって発生する）。いくつかの実施形態では、装置１５０は、磁石を含まず、装置１５０は、既に磁場１５７の影響を受けている領域に単に置かれるだけである。例えば、磁場１５７が既に存在していて、荷電粒子ビーム１５４をビームダンプの方向に指向させることで、Ｘ線パルス１７０の生成に使用された荷電粒子を安全に処理するようになっており、これはタイミング同期とは独立である。いくつかの実施形態では、装置１５０は、磁場１５７を生成するのに使用される磁石を含む。

いくつかの実施形態では、円軌跡の曲率半径Ｒ（図１Ｄに示すとおりのもの）は、約８０ｃｍである。そのような曲率半径を生成するのに使用しなければならない磁場は、電子がほぼ光速で移動していると仮定することにより推算できる。磁場が強いほど、生成されるＲは小さくなり、時間分解能が向上する。しかし、相互作用領域１１６から脱する使用済みの電子ビーム１０４は、ビームダンプで処理されるのが望ましく、これにより、電子ビーム１０４の可能な軌跡、そしてまたＲのサイズが制限される。

電子ビーム１０４のエネルギーもまたＲのサイズに影響を及ぼす。一定磁場のもとでは、電子ビームのエネルギーが増加するにつれて、Ｒは増加する。図１Ｅに、電子ビームのエネルギー分布１９０を示す。エネルギー分布１９０は、中心エネルギー１９２と、電子エネルギーの広がり１９４とを有する。いくつかの実施形態では、磁場強度が調整される（例えば、電磁石を通る電流のサイズを調整することによって）ことで、中心エネルギー１９２を有する電子が、中心エネルギー１９２の値によらず同一軌跡（すなわち、同一Ｒ）を保つようにしてある。

磁場強度を変化させて電子を同一軌跡に保つことは、相互作用領域１１６から脱する使用済み電子ビームの大部分を確実にビームダンプに到達させるのに役立つ。いくつかの実施形態では、典型的なエネルギー（例えば、中心エネルギー１９２）は、約２０ＭｅＶである。いくつかの実施形態では、電子エネルギーの範囲は、コンパクトＸ線光源（ＣＸＬＳ）では、７～４０ＭｅＶである。ＣＸＦＥＬとは対照的に、ＣＸＬＳから生成されたＸ線パルスはコヒーレントではない。

いくつかの実施形態では、パルス状光ビームは、第１の繰り返し率を有するレーザ源からのパルス状レーザ・ビームである。換言すれば、レーザ光のパルスは、第１の繰り返し率でレーザ源から放射される。いくつかの実施形態では、光１５６を生成するレーザ源は、トルンプ・ディラ（Ｔｒｕｍｐｆ Ｄｉｒａ） ２００－１ Ｙｂ：ＹＡＧ増幅器である。いくつかの実施形態では、トルンプ・ディラは、１ｋＨｚの繰り返し率で２００ｍＪのパルスエネルギーを有する１．５ｐｓ長のパルスを発生させる。光学系（例えば、ミラー、ビームスプリッタなど）は、図１Ｄに示すとおり、レーザ源からの光１５６を指向させて、電子ビーム１５４と交差または衝突（例えば、相互作用）させるようにする。

いくつかの実施形態では、電子ビームは、第２の繰り返し率の電子パルス列である。いくつかの実施形態では、第１の繰り返し率は第２の繰り返し率に等しい。いくつかの実施形態では、第１の繰り返し率および第２の繰り返し率は、ともに１ｋＨｚである。

図４にタイミング列４００を示すが、これは、加速器１６０から放射される電子のパルス（例えば、４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ、４０４ｄ）の繰り返し率と同一の繰り返し率（例えば、１ｋＨｚ）で、レーザ源が光パルス（例えば、４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄ）を生成するものである。電子のパルスどうしの間には、ショット間ジッタ（ｊｉｔｔｅｒ）がある。また、光パルスどうしの間にもショット間ジッタがある。より簡潔にするために、図４には、ショット間ジッタのない光パルスを示す。概して、光パルスと電子パルスの両方にジッタがある。いくつかの実施形態では、レーザ光パルス４０２ａ～４０２ｄは、電子パルスと比較して、ショット間のタイミング・ジッタが小さい。本明細書に記載のタイミング同期は、対応する光パルスを基準にした各電子パルスの到達時間を測定することができる。

例えば、光パルス４０２ａと電子パルス４０４ａとの間の第１の遅延４０６ａは、光パルス４０２ｂと電子パルス４０４ｂとの間の遅延４０６ｂよりも大きい。時間遅延の変化の大きさは、図４では例示を目的として誇張されている。遅延４０６ａ～４０６ｄの差に起因して、電子パルス４０４ａ～４０４ｄによって発生したＸ線パルスは、電子パルスに対応する光パルスを基準にしたその電子パルスの到達時間（例えば、それぞれの電子－光対の間：４０４ａと４０２ａ；４０４ｂと４０２ｂなど）に応じて、シンチレータ１６２（図１Ｄに示す）上の異なる空間的場所に出現することになる。

レーザ・パルスの繰り返し率が電子パルスの繰り返し率と同一である場合（ジッタを除く）、本明細書に開示される方法および装置は、加速器１６０によって生成される電子パルス毎にショット間のタイミング同期を提供する方法を提供する。例えば、光ポンプパルス（例えば、第１の部分１０６ａ）とＸ線プローブパルス（例えば、Ｘ線パルス３２０ａ）とを含む実験では、光ポンプパルスを基準にしたＸ線プローブパルス毎の正確なタイミングが決定され、これは、光パルス（例えば、４０２ａ）と電子パルス（例えば、４０４ａ）の両方にショット間ジッタがある場合であってもそうである。換言すると、（１）実験に直接送られる光、（２）プロービング用のＸ線パルスの生成に用いられる光、および（３）タイミング同期用のＸ線パルスの生成に用いられる光が、共通のレーザ源に由来するので、光パルスのジッタは同一であり、Ｘ線パルスのタイミングを、実験に用いられる光のタイミングに同期させることができる。

いくつかの実施形態では、場所１８０とシンチレータ１１２との間の距離Ｌ（図１Ｄに示す）は、約２０ｃｍ（例えば、４０ｃｍ未満、３０ｃｍ未満、２０ｃｍ未満、１０ｃｍ未満、５ｃｍより大）である。シンチレータ１１２は、電子ビームを内部に封入した真空筐体１４８（図１Ｃに示す）の内側に置かれ、距離Ｌは筐体１４８の範囲内で調整可能である。いくつかの実施形態では、カメラ１１４は、ＣＣＤカメラである。いくつかの実施形態では、カメラ１１４は、真空筐体の外側にある。いくつかの実施形態では、追加の光学系を使用して、ＣＣＤカメラ上のイメージセンサ上にシンチレータ１１２を撮像する。

ＩＣＳを用いると、電子ビーム１０４の経路の接線方向にＸ線が放射される。図２Ａに、磁場１５７によって湾曲した電子ビーム１０４の軌跡を示す。本明細書に開示される方法およびシステムは、光ビーム１５６のショット間のタイミング・ジッタが低い、そして光ビーム１５６のあらゆるパルスの到達が、光源を脱した後に実質的に同一時点で同一場所であるとする実施形態には限定されない。むしろ、方法およびシステムは、電子パルスに対応する光パルスを基準にしたその電子パルスの到達時間を検出する（例えば、光パルス４０２ａに対する電子パルス４０４ａ）。

例えば、電子ビーム１５４が、その対応する光パルスよりもわずかに早く到達する場合、Ｘ線が放射される方向は、電子ビーム１５４がわずかに遅く到達する場合とは異なることになる。例えば、電子ビーム１５４が（光ビーム１５６を基準に）わずかに早く、相対時間＝Ｔ１に到達する場合、この電子ビームは、光ビーム１５６と交差する前に、位置２０２までさらに長い距離を進行したことになる。逆に、電子ビーム１５４が（光ビーム１５６を基準に）わずかに遅れて、相対時間＝Ｔ２に到達する場合、電子ビーム１５４は、光ビーム１５６と交差する前に、位置２０４までもっと短い距離を進行したことになる。よって、シンチレータ１６２上のシンチレーションの位置は、パルス状電子ビーム１５４とパルス状光ビーム１５６との間のタイミング同期の測定結果に変換可能である。図２にはＴ１とＴ２の印が付けされており、Ｔ１はＴ２よりも早い（例えば、電子ビーム１５４は光ビーム１５６を基準にさらに早い時間に到着する）。

いくつかの実施形態では、方法およびシステムは、約８０ｆｓの時間分解能を与える。例えば、タイミング同期装置１５０は、第１の電子パルスに対応する光パルスを基準に８０ｆｓだけ早くまたは遅く到着するその第１の電子パルスを、第２の電子パルスと区別することができる。

いくつかの実施形態では、装置１００は、電子ビーム１０４と光ビーム１０６との間のタイミングを同期させるために較正される。例えば較正によって、シンチレータ１１２上の２つの空間点から放射されたルミネッセンスどうしの間の距離が（電子ビーム１０４と光ビーム１０６との間の）特定の時間遅延にどのように対応するかが決定される。

既知の時間遅延
いくつかの実施形態では、電子ビーム１５４に既知の遅延を適用して、電子ビームにさらなる（既知の）遅延（例えば、５００ｆｓ）を導入する。概して、この既知の遅延は、電子ビームに電子的に加えるか、または、レーザからの光パルスを遅延させるために光学的に（例えば、可変遅延ステージを通じて光パルスを送ることによって）加えるかすることができる。

遅延した電子ビームと光ビーム１５６とのＩＣＳ相互作用から発生するＸ線パルスによって生成されたルミネッセンスの第１の位置が、シンチレータ１６２上に記録され、カメラ１６４によって撮像される。いくつかの実施形態では、電子ビームを基準に遅延しているのは光ビーム１５６である。電子ビームからこの既知の遅延が除去された後、電子ビームと光ビーム１５６のＩＣＳ相互作用から発生した別のＸ線パルスによって生成されたルミネッセンスの第２の位置が、シンチレータ１６２上に記録される。第２の（すなわち、遅延した）電子パルスは、タイミング同期の主因である同一のショット間ジッタを受ける。例えば，電子ビームのショット間ジッタは、平均３００ｆｓである（時間分解能を８０ｆｓとして）。５００ｆｓの遅延を適用することで、測定されたパルスは、２００ｆｓから８００ｆｓの間の実際の遅延のどこかである可能性がある。

図２Ｂに、検出器（例えば、シンチレータ１６２）上で観察される電子パルスの分布を示す。いくつかの実施形態では、第１の数の電子パルス（例えば、１００個）が、時間遅延なしで測定されることで、電子パルスの到達時間の分布２５６の平均２５２が決定される。電子ビームまたは光ビームのいずれかに、既知の時間遅延が加えられ、第２の数の電子パルス（例えば、１００個）が、時間遅延ありで測定されることで、電子パルスの到達時間の分布２５８の平均２５４が決定される。例えば、画像処理技術を使用して、第１の画像における第１の位置と、第２の画像における第２の位置との間の距離が測定される。平均値２５２と平均値２５４の間の空間的な距離２５６が、較正結果を与える。較正結果は、分布２５６間の距離と、既知の時間遅延との間の比を取ることによって得られる。例えば、シンチレータ上の１０ｍｍの距離は、５００ｆｓの時間差（例えば、既知の時間遅延）に対応する。

システムパラメータに基づく時間遅延
図２Ｃには、システムパラメータをいかに使用して、電子ビームのパルスとパルス状光ビームとの間のタイミング同期を得るかを示す。例示を容易にするために、寸法はｙ方向に沿って大幅に誇張されている。

電子ビーム１５４の第１のパルスは、到達時間が早く、その円軌跡に沿ってさらに進行した後、時間ｔ１に、位置２２２ａで光ビーム１５６と交差する。電子ビーム１５４の第１のパルスは、光ビーム１５６とのＩＣＳを経て、第１のＸ線パルス２２０ａを生成し、これがシンチレータ１６２に衝突する。電子ビーム１５４の第２のパルスは、到達時間が遅く、その円軌跡に沿ってもっと短い距離を進行した後、ｔ１よりも遅い時間ｔ２に、位置２２２ｂで光ビーム１５６と交差する。電子ビーム１５４の第２のパルスは、光ビーム１５６とのＩＣＳを経て、第２のＸ線パルス２２０ｂを生成し、これがシンチレータ１６２に衝突する。

それぞれの光パルスを基準に２つの電子パルスの到達時間の間の時間差Δｔは、第１の電子パルスの到達時間ｔ１と、第２の電子パルスの到達時間ｔ２との間の差に等しい。この時間差Δｔは、電子ビームが位置２２２ａと位置２２２ｂの間の円弧上の距離ｄｓを進行するのに要する時間と等価である。留意されたいのは、
であり、ここで、Ｒは電子ビームの軌跡の曲率半径、θは位置２２２ａと位置２２２ｂの間の円弧のなす角度である。電子ビームは光速ｃに近い速度で進行する。

同様に、Ｘ線パルス２２０ａおよび２２０ｂがシンチレータに衝突する場所の間の距離Ｄは、（角度が小さければ）Ｄ＝Ｌ＊θという式に従って、電子ビーム（例えば、位置２２２ａおよび２２２ｂでのもの）とシンチレータ１６２との間の距離Ｌに関係づけられる。θを：

に等しいとおくと

時間差Δｔの直接的な尺度：
が得られる。

ｃ、Ｒ、Ｌがすべて既知であるので、Ｄを測定するとΔｔが得られる。電子ビームと光ビームの交点の場所は近接しているので、Ｌはほぼ一定である（そして近似する目的で一定と仮定することができる）ことが留意される。

図３には、複数の用途用に分割された光をレーザ３０２に生成させる実施形態に準拠するＸ線源３００を示す。光１５６の第１の部分１５６ａは、実験で使用するために、実験用エンドステーション３１２に指向させられる。いくつかの実施形態では、光の第１の部分１５６ｃは、実験用エンドステーション３１２内に置かれた実験試料を励起（例えば、「ポンピング」）するのに使用される。光１５６の第２の部分１５６ｂは、加速器１６０によって放射された電子ビーム１５４に向けて、第１のビームスプリッタ３０４ａによって指向させられる。

光１５６の第２の部分１５６ｂはさらに、第２のビームスプリッタ３０４ｂによって、２本の別個の腕：第３の部分１０６ｃと第４の部分１０６ｄとに分割される。第１の腕における光１０６の第３の部分１０６ｃは、相互作用点３１４に指向させられ、この点では、電子ビーム１０４と光ビーム１０６とがＩＣＳを通じて相互作用して、パルス状Ｘ線ビーム３２０ａを生成し、このＸ線ビームが、実験用装置設定３１２に指向させられる。いくつかの実施形態では、相互作用点３１４で、電子ビーム１５４のサイズはミクロンレベルである。いくつかの実施形態では、可視光ビームは、数十ミクロンのオーダーのビーム径を有し、さらに狭い電子ビームと容易に交差することができる。

第２の腕における光１５６の第４の部分１５６ｄは、追加の光学系（例えば、鏡３０４ｃ）によって指向させられることで、磁場１５７の影響下にある第１の領域１５８において電子ビーム１５４と相互作用する。例えば、光の第４の部分１５６ｄは、第２の領域３１６において電子ビーム１５４と相互作用し、第２のＸ線パルス３２０ｂを生成する。磁場１５７が存在するので、第２の領域３１６は、電子ビーム１５４の円またはらせん状の軌跡に沿っている。可視光ビームは、数十ミクロンのオーダーのビーム径を有するので、円軌跡に沿った複数の位置で、さらに狭い電子ビームと容易に交差することができる。加えて、相対論的ビーム１０４の時間的プロファイルは、相互作用点３１４での第１のＩＣＳ相互作用の後に大きく変化することはない。その結果、第２の領域３１６における電子ビームの到達時間を測定することは、相互作用点３１４での電子ビームの到達時間を測定することと等価である。いくつかの実施形態では、相対論的ビーム１０４の空間プロファイルは、さらなる伝搬後に変化する。

いくつかの実施形態では、第４の部分１５６ｄよりも第３の部分１５６ｃに、さらに大きいエネルギーが送られる。いくつかの実施形態では、第２の部分１５６ｂからのエネルギーの９９％が第３の部分１５６ｃに送られ、そのエネルギーの１％が第４の部分１５６ｄに送られる。

第２の領域３１６の実際の場所は、電子ビーム１０４の到達時間に依存する。光の第４の部分１０６ｄに対して遅く到達する電子ビームは、図３に例示された相互作用点３１４にさらに近い場所で光の第４の部分１０６ｄと交差する可能性がある。

電子ビームの到達時間が光の第４の部分１０６ｄよりも遅い場合、相互作用点３１４もまた、図３に例示されているよりも－ｚ方向に沿ってさらに下に移動する。そのような場合、第２の領域３１６から生成されたＸ線パルスは、シンチレータ１１２の異なる部分（例えば、シンチレータ１１２上の＋ｙ方向に沿った領域）を叩く可能性がある。

同様に、光の第４の部分１０６ｄに対して早く到達する電子ビームは、図３に例示された相互作用点３１４からさらに遠い場所で、光の第４部分１０６ｄと交差する可能性がある。そのような場合、相互作用点３１４は、図３に図示されているよりも＋ｚ方向に沿ってさらに上に移動する。第２の領域３１６から生成されたＸ線パルスは、シンチレータ１１２の異なる部分（例えば、シンチレータ１１２上の－ｙ方向に沿った領域）を叩く可能性がある。

第３の部分１０６ｃおよび第４の部分１０６ｄは、同一光源（例えば、レーザ源３０２）によって生成されるので、それらのタイミング同期は、（例えば、２つの部分の光路長に基づいて）比較的一定であり、容易に決定される。例えば、相互作用点３１４と第２の領域３１６との間の絶対距離は、光の第３の部分１０６ｃおよび光１０６の第４の部分１０６ｄの、ＩＣＳが発生するそれぞれの場所までの光路長どうしの差（すなわち、第２ビームスプリッタ３０４ｂの後に第３の部分１０６ｃと第４の部分１０６ｄとが進行する経路長の差）によって決定される。絶対距離は、レーザ源３０２からの光ビーム１０６を基準にした電子ビームの到達時間の影響を受けることはない。よって、（タイミング同期に用いられる）Ｘ線パルス３２０ｂと、（実験に用いられる）Ｘ線パルス３２０ａとのタイミング関係は一定である。シンチレータ１１２上のＸ線パルス３２０ｂによって生じるシンチレーションの位置の変化は、光パルス１０６を基準にした電子パルス１０４の到達時間のショット間の変化を示している。

いくつかの実施形態では、第１のビームスプリッタ３０４ａと第２のビームスプリッタ３０４ｂとの間の、第２の部分１０６ｂの光路長を変化させることによって、Ｘ線パルス３２０ａは、第１の部分１０６ａを基準にして遅延または前進させることができる。第１の部分１０６ａとＸ線パルス３２０ａとの間の実際のタイミングの微調整は、シンチレータ１１２に記録された測定結果によって行われる。

相互作用点３１４を磁場１０７のすぐ外側にすることで、電子ビーム１０４の到達時間のいかんにかかわらず、Ｘ線光学系を大きく調整することなしに（例えば、一切調整することなしに）、Ｘ線パルス３２０ａを実験用エンドステーション３１２にさらにうまく到達させることができる。そのような場合では、Ｘ線パルス３２０ａを生成するのに使用される電子ビームは、円またはらせん状の軌跡に沿って移動する前である。ＩＣＳは、電子ビームの進行方向の接線方向に放射されるＸ線パルスを生成するので、電子ビーム１０４が直線に沿って（例えば、＋ｚ方向に沿って）進行する場合、放射されたＸ線パルス３２０ａもまた、＋ｚ方向に沿って進行する可能性があり、これは、光１５６の第３の部分１５６ｃが電子ビーム１５４と交差してＩＣＳを通じてＸ線パルスを生成するのが、ｚ方向に沿った実際の場所のどこであるかには関係ない。

Ｘ線源３００は、１つまたは複数のプロセッサと、測定された位置を、パルス状荷電粒子ビームとパルス状光ビームとの間のタイミング同期の測定結果に変換する命令を記憶するメモリとを含む計算機システム３１０を、さらに含む。いくつかの実施形態では、計算機システム３１０は、カメラ１６４から画像を受け取る。

本明細書では、様々な構成要素を記載するために「第１の」、「第２の」などの用語が使用される場合があるが、これらの構成要素は、これらの用語によっては限定されないのが望ましいことは理解されよう。これらの用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するためだけに使用される。例えば、「第１の部品」のすべての事例の名称が一貫して変更され、かつ「第２の部品」のすべての事例の名称が一貫して変更される限り、記載の意味を変えることなく、第１の部品を第２の部品と称すること、そして同様に、第２の部品を第１の部品と称することが可能であろう。第１の部品と第２の部品は、両方とも部品であるが同一部品ではない。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的としており、特許請求の範囲を限定することは意図していない。実施形態の記載および添付の特許請求の範囲で使用されるとおり、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそれ以外を示しているのでない限り、複数形も含むことが意図される。また、本明細書で使用される用語「および／または」は、関連する列挙された項目の１つまたは複数の可能な組み合わせのいずれかおよびすべてを指すとともに包含することは理解されよう。さらに、用語「含む」および／または「含んでいる」は、本明細書で使用される場合、記載された特徴、完全体、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を特定するものであるが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、操作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除するものではないことは理解されよう。

本明細書で使用されるとおり、用語「もし（ｉｆ）」は文脈に応じて、「の場合に」、または「の時点で」、または「の決定に準拠して」、または「の検出に応じて」、記載の条件の先行例が真であることを意味すると解釈される場合がある。同様に、語句「もし「記載の条件の先行例が真である」と判断されるなら」または「もし「記載の条件の先行例が真である」なら」、または「「記載の条件の先行例が真である」場合」とは、文脈に応じて、記載の条件の先行例が真であると「判断する時点で」、または「の判断に準拠して」、または「の判断に応じて」、または「発見する時点で」、または「の発見に応じて」を意味すると解釈される場合がある。

前述の記載は、説明を目的として、特定の実施形態を参照しつつなされたものである。しかし、上記の例示的な考察は、限定列挙であること、または開示された正確な形態に本発明を限定することを意図するものではない。上記の教示に鑑みて、多くの修正および変形が可能である。実施形態は、本発明の原理およびその実用的な応用を最良の形で説明するために選択され記載されたものであり、それによって、当業者が、本発明、および企図された特定の使用に適した様々な変更を伴う様々な実施形態を最良の形で利用することが可能になる。

Claims (36)

1. 第１の光ビームを指向させて第１の領域の第１の場所で荷電粒子ビームと交差させ、第１のＸ線ビームを生成することと；
   前記第１のＸ線ビームの少なくとも一部分が衝突する、検出器上の位置を検出することと；
   前記位置に基づいて、前記第１の光ビームを基準にした前記荷電粒子ビームのタイミング同期を決定することと、
   を含む方法。
2. 前記第１の光ビームが前記荷電粒子ビームと交差する前に、第２の光ビームを指向させて前記荷電粒子ビームと交差させ、第２のＸ線ビームを生成することと；
   前記第２のＸ線ビームを実験用エンドステーションに指向させることと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の光ビームと前記第２の光ビームが共通光源から誘導される、請求項２に記載の方法。
4. 前記共通光源から第３の光ビームを前記実験用エンドステーションに指向させることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記荷電粒子ビームが、前記第１の領域における磁場によって生じる湾曲した軌跡に沿って進行する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記タイミング同期が、前記湾曲した軌跡に沿った位置の関数であり、この位置が、前記第１の光ビームが前記荷電粒子ビームと交差する位置である、請求項５に記載の方法。
7. 前記検出器上の位置が、前記湾曲した軌跡に沿った位置によって決定され、この位置が、前記第１の光ビームが前記荷電粒子ビームと交差する位置である、請求項６に記載の方法。
8. 前記磁場の大きさを選択することで、前記荷電粒子ビーム中の中心エネルギーを有する荷電粒子が、選択された経路に沿って進行するようにすることを含む、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記共通光源からのエネルギーの大きい方の部分が、前記第１の光ビームではなく前記第２の光ビームにある、請求項３に記載の方法。
10. 第１のＸ線パルスが衝突する前記検出器上の第１の位置を記録することであって、前記第１のＸ線パルスを、前記荷電粒子ビームの第１のパルスと前記第１の光ビームの第１のパルスとを用いて発生させることと；
    第２のＸ線パルスが衝突する前記検出器上の第２の位置を記録することであって、前記第２のＸ線パルスを、前記荷電粒子ビームの第２のパルスと前記第１の光ビームの第２のパルスとを用いて発生させることと；
    前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離を、前記第１の光ビームのそれぞれのパルスを基準にした、前記荷電粒子ビームのそれぞれのパルスのそれぞれの到達時間どうしの間の時間遅延に変換することと、
    を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記距離を前記時間遅延に変換することが、前記第１の場所と前記検出器との間の距離に基づく、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１のＸ線ビームが逆コンプトン散乱（ＩＣＳ）を通じて生成される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記パルス状荷電粒子ビームが相対論的ビームである、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第１の光ビームがパルス状レーザ・ビームである、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記荷電粒子ビームが電子ビームを含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記電子ビームが電子のパルスを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１の光ビームが光のパルスを含み、前記光のパルスの繰り返し率が前記電子のパルスの繰り返し率に等しい、請求項１６に記載の方法。
18. 前記繰り返し率が１ｋＨｚである、請求項１７に記載の方法。
19. 荷電粒子ビームによって生成されたＸ線パルスが検出器に衝突する位置を測定するように構成される検出器と；
    前記Ｘ線ビームが前記検出器に衝突する位置の画像を生成するように構成されるカメラと；
    １つまたは複数のプロセッサと、前記検出器上の位置を、前記荷電粒子ビームと前記光ビームとの間のタイミング同期の測定結果に変換する命令を記憶するメモリとを含む計算機システムと、
    を含む時間同期装置。
20. 前記Ｘ線パルスが、前記荷電粒子ビームを、光源からの前記光ビームと衝突させることによって生成される、請求項１９に記載の時間同期装置。
21. 前記荷電粒子ビームが、磁場を有する領域内で前記光ビームと衝突する、請求項２０に記載の時間同期装置。
22. 前記磁場が、湾曲した軌跡上を前記荷電粒子ビームに進行させるように構成される、請求項２１に記載の時間同期装置。
23. 前記検出器が、真空に保たれる筐体内に置かれるように構成される、請求項１９から２２のいずれか一項に記載の時間同期装置。
24. 前記カメラが、前記筐体の外側に置かれるように構成される、請求項２３に記載の時間同期装置。
25. 前記検出器がシンチレータを含み、前記シンチレータが、前記Ｘ線パルスによって励起される場合にルミネッセンスを放射するように構成される、請求項１９から２４のいずれか一項に記載の時間同期装置。
26. 前記シンチレータが、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）スクリーンを含む、請求項２５に記載の時間同期装置。
27. 前記荷電粒子ビームが加速器によって生成される、請求項１９から２６のいずれか一項に記載の時間同期装置。
28. 前記荷電粒子ビームが相対論的ビームである、請求項１９から２７のいずれか一項に記載の時間同期装置。
29. 前記光ビームがパルス状レーザ・ビームを含む、請求項１９から２８のいずれか一項に記載の時間同期装置。
30. 前記荷電粒子ビームが電子ビームを含む、請求項１９から２９のいずれか一項に記載の時間同期装置。
31. 前記電子ビームが電子のパルスを含む、請求項３０に記載の時間同期装置。
32. 前記光ビームが、光のパルスを含み、前記光のパルスの繰り返し率が、前記電子のパルスの繰り返し率と等しい、請求項３１に記載の時間同期装置。
33. 前記繰り返し率が１ｋＨｚである、請求項３２に記載の時間同期装置。
34. 電子パルスと光パルスとの間のタイミング同期を決定することと；
    第１の場所で前記光パルスと前記電子パルスを衝突さることによりＸ線パルスを生成することと；
    前記Ｘ線パルスが衝突する検出器上の位置を測定することと；
    前記位置、および前記検出器と前記第１の場所との間の距離に基づいて、前記タイミング同期を計算することと、
    を含む方法。
35. 前記第１の場所が磁場中にあり、前記電子パルスが円軌跡に沿って進行する、請求項３４に記載の方法。
36. 前記タイミング同期を計算することが、前記電子パルスの円軌跡の曲率半径の値を使用することをさらに含む、請求項３４または３５に記載の方法。