WO1988006812A1 - Method of generating free positronium radiant light and apparatus therefor - Google Patents

Description

明 細 書 自 由ポジ 卜 ロニゥム放射光の発生方法及びこ の方法に 用い られる装置 技術分野

この発明は光子エネル'ギ一が高い単色ガンマ線ビーム及 び単色 X線レーザ （ 以下これ ら を総称 して 「 自 由ポジ ト ロ ニゥム放射光 」 と い う ） を 同時に発生さ せる ための方法及 びその発生装置に関する も のである 。 背景技術

従来から 、 光ビーム と して レーザあ る いはシンク ロ ト ロ ン放射光 （ 以下 S R.光と い う ） が知 られて いる 。 レーザは - 可視光領域並びにその周辺領域の波長の光であ り 、 一方、 S R光は赤外線から县波县の X線にわたる領域の光であ る 。

と こ ろで、 現在の光ビーム発生技術においては、 S R光 のよ う な畏波長の X線領域の光を発生させるのが限度であ り 、 短波長の X線及びこの短波長 X線よ り も はるか'に高い エネルギー 、 例えば、 光子エネルギーが 0 , 1 M e V以上 の強度の単色光 、 即 .ち 、 単色ガンマ線ビームを発生する こ と は不可能であ る 。

従って 、 本発明では 、 単色性及び低雑音性に優れた高ェ ネルギ一光ビーム、 即ち短波長 X線 ビーム及び単色ガンマ - - 線ビームを発生する方法及びその発生装置を提供する こ と を 目的と して いる。 発明の開示

本発明では、 電子ビーム及び陽電子ビームを所定めエネ ルギ一にまでそれぞれ独立して加速蓄積 して 、 予め定め ら れた方向にこれら両ビームを合流させる こ と で -、 自由ポジ ト ロ二ゥムのビームを発生させる 。 する と 、 このビーム軸 上に電子エネルギーの最大 2 倍のェネルギ一の単色ガンマ 線及びこのガンマ線の 1 0 万分の 1 . 3 のエネルギーの単 色 X線が放射光と して発生する 。

このための発生装置は、 電子ビームならびに陽電子ビ一 ムのそれぞれを加速蓄稷 · 冷却するための一組の蓄積 . 冷 却リ ングと 、 両 リ ングにそれぞれ電子及び陽電子を入射す るための入射用加速器系と を有 してお り 、 しかも両 リ ング には電子及び陽電子ビームを合流させるための電子 · 陽電 子合流部を備えて いる 。

この場合、 入射用加速器系からの電子ビーム及び陽電子 ビームをそれぞれブースター加速器によ り 所定のェネルギ 一まで加速した後、 それぞれ独立に蓄積 して も よ い。 図面の簡単な説明

第 1 図は本発明によ る 自 由ボジ ト ロニゥム放射光発生装 置の一実施例を概略的に示す図であ る 。 第 2 図は本発明に よ る放射光発生装置の他の実施例を示す図であ る 。 第 3 図 は電子蓄積冷却 リ ング及び陽電子蓄積冷却 リ ングを一体化 する ク）に用い られる二重構造マグネ ッ 卜 の断面図であ る 発明を実施する ための最良の形態

次に 、 本発明について 図面に従っ て詳細に説明する 。

第 1 図を参照 して 、 電子 · 陽電子入射用加速器 1 には、 例え ば線型加速器またはマイ ク ロ 卜 ロ ンが用い られる 。 こ れによ って 同一の加速器で電子 と 陽電子を加速でき る 。 な お 、 ；子と 陽電子加速のためそれぞれ専用の加速器を設 1： して も よ い。 入射用加速器系 1 の出 口 には分岐用 ίΐ向マグ ネ ッ ト 9 が配置 されて いる 。 伝送系 2 及び 2 ' はそれぞれ ビーム橱向マグネ ッ ト 3 , 3 ' 及びビーム集束要素 4 ,

4 ' を備えて お り . 電子ビ一ム及び陽電子ビーム を そ れぞ れ電子ビーム蓄稷 リ ング R及び陽電子ビーム蓄積 リ ング

R ' に導 く 。

電子ビーム蓄積 ■ 冷却 リ ング Rはビーム偏向マグネ ッ ト

5 , ビーム集束要素 6 , 電子加速のための高周波空洞 1 0 , 及び電子を ダンピング冷却する ためのアンデュ レータ ーあ る いはウ ィ ダラー 1 1 を有 して いる 。 同様に ^:陽！:子ビーム 蓄積 ' 冷却 リ ング R. ' はビーム偏向マグネ ッ ト 5 ' , ビ一 ム集束要素 6 ' ， 陽電子加速のための高周波空洞 1 0 ' ， 及び陽電子を ダンピング冷却する ためのアンデュ レータ ー あ る いはウ イ グラー 1 I ' を 備え て いる 。 蓄積 · 冷却 リ ン グ PI , R ' の一部には、 電子 ' 陽電子合流部 G が形成され てお り 、 この合流都 G にはビーム集束要素 7 が備え られて いる 。 また合流部の入口及び出口にほそれぞれ合流用爾向 マグネッ ト 8及び分岐用偏向マグネ ッ ト 9 が配置されて い る 。 さ ら に、 合流部 Gの延長線上には後述する よ う に単色

X線ビーム集束用の円筒形反射鏡 1 8が配置されている 。 さ らに図示のよ う にパラ · ポジ ト ロニゥム誘導生成用発光 装置 1 4及び反射鏡 1 5 が備え られて いる 。

次に上述の装置の運転について説明する 。 ·

入射加速器系 1 から入射された電子及び陽電子は分岐用 マグネ ッ ト 9 によ り それぞれビーム伝送系 2及び 2 ' を通 つて 、 蓄積 ' 冷却 リ ンダ R , 及び R ' へ導かれる 。 電子及 び陽電子はそれぞれ蓄積 · 冷却 リ ング R. ， R ' で所定のェ ルギ一 r m 。 C ² までシンク ロ ト ロ ン加速される 。

こ こで、 m 。 C ² は電子の静止質量エネルギー

0 . 5 1 1 M e V , ( M e V ： 百万電子ボル ト ） であ り 、

？ は加速電子のエネルギー因子で次のよ う にあ らわされる。

r≡ { I - _β ^ ) - ^" βョ V /' c

V ： 電子速度 c ： 光速

蓄稷 ■ 冷却 リ ング R . R ' で加速する際には合流用マグ ネ ッ ト & と分岐用マグネ ッ ト 9 の磁場は予め定め られた設 定磁場よ り 少 しずら される これによ つ て電子 ， 陽電子が それぞれの リ ング中を独立に循環する 電子 ， 陽電子はそ れぞれアンデュ レー タ ー又はウイ グラー 1 】 ， 1 1 ' を通 過中に水平又は垂直或いは更に両方向に蛇行運動 して S R 光 1 2 , 1 2 ' を放射 し 、 高周波空洞 1 0 , 1 0 ' で補助 加速されて冷却 して行く 。 すなわち電子 ， 陽電子エネルギ 一の -一様化が行なわれる 。 .

電子エネルギーが所定の r m 。 C ² に達 した時、 マグネ ツ ト 8 , 9 の磁場が設定値に切 り換え られる 。 即ち合流モ — ド と される 。 こ のよ う にマグネ ッ ト 8 , 9 の磁場が合流 モー ドに設定さ れる と 電子ビーム と 陽電子ビーム と が合流 し電子一陽電子間の電気的相互作用によ る電子冷却効果で 電子 と 陽電子は極 く 短時間に 1 0 程度の精度でエネルギ 一が均一化される 。 従っ て冷却のためのみの観点からはァ ンデュ レータ ー又はウィ ダラー 1 1 ' は必要 と は しないが、 一般に陽電子ビームの S R光の方が電子ビームの S R光よ り も 低雑音性で優れてお り 、 S R光を必要 と する場合には 、 アンデュ レ一 タ ー又はウイ ダラ一 〗 1 ' を配置する こ と が 望ま しい。

合流部では一部の電子 と 陽電子はそれぞれのス ピン （ 電 子の 自転に相当する運動学的自 由度 ） が反平行であ る よ う に結合 して パラ · ボジ ト ロ二ゥム と 呼ばれる二！:子原子を 形成する 。 ノ、。ラ ■ ポジ ト ロ二ゥムは 1 · 2 X 1 0 " ^{1 0} 秒の 平均寿命で消滅 して ガンマ線に転換する 。 こ の時、 合流電 子 ■ 陽電子ビ一ムの前方に放射される ガンマ線の最大工ネ ルギ一は （ 1 十 ） ？' m 0 C ² = 2 r m 0 C ² であ り 、 全 — — ガンマ線は合流ビーム方向に対し

4 π ( 1 β ) ~ ^L _r ~ ² ( s r ) = 3 . 1 r ~ ^L (. s r ) ( s r ： ステラジアン ） の立体角内に圧縮されビーム状に 放射される 。 言い換える と電子エネルギーの最高 2 倍のェ ネルギ一の単色ガンマ線ビームが合流電子ビーム軸上に発 生する こ と になる 。 た と えば 7 = 1 0 Q 0すなわち 5 1 1 M e Vの： tネルギ一の電子の場合は最高エネルギー

1 0 2 2 M e Vのガンマ線が合流電子ビーム軸上 1 0 0万 分の 3 . 1 ステラ ジアンの立体角内にビーム状に発生する こ と になる 。

合流部ではパラ · ポジ ト ロ二ゥムの他に電子， 陽電子の スピンが平行なよ う に結合したオルソ ■ ポジ ト ロ二ゥム も 生成されるが、 この平均寿命はパラ · ポジ ト ロ二ゥムに比 ベ 1 0 ひ 0 倍も長く殆ど合流部でガンマ線に転換する こ と な く分岐用マグネ ッ ト 9 に到達し、 瞬間的に電磁力によ つ て電子， 陽電子に解離 して リ ング中にと どま るから損失と はな らない。 従って原理的にはリ ング中の電子， 陽電子は ガンマ線に転換する まで蓄積 · 冷却されて いる こ と になる ノヽ。ラ · ポジ ト ロニゥム生成によ るガンマ線の放射量は毎 秒 2 . 2 X 1 0 n _ N ₊ ？' _ ²である 。 こ こに n _ は合 流部の電子密度であ り 、 N ₊ は合流部の陽電子数である 。 合流部の有効長についてポジ ト ロ二ゥムの相対論的長寿命 効果を考慮する必要があるが合流部が充分長ければ問題は い 後述する よ う にパラ ■ ポジ 卜 ロニゥムの誘導生成操作で オルソ · ポジ 卜 ロニゥムは誘導解離 し電子と 陽電子に復帰 するから 、 ガンマ線放射に対するオルゾ ' ポジ ト ロニゥム の寄与は無視される 。 ま た励起状態のポジ ト ロ二ゥム も生 成するがこれも平均寿命が县く ガンマ線放射への寄与は無 視出来る 。

と ころで自由ポジ ト ロニゥム放射光の発生効率は輻射場 内のパラ ■ ポジ ト ロ二ゥムの誘導生成効果を利用すれば飛 躍的に高め られる 。 ポジ ト ロ二ゥムの結合エネルギー 6 . 8 e V , ( e V ： 電子ボル ト ） と等 しいエネルギーで波 長約 1 . 8 X 1 0 cm ， 最大光束約 S x l O

cd / s の 光に合流部の電子， 陽電子がさ ら される と パラ ' ボジ.ト ロ ニゥム生成率が相対論的効果によ り 通常の誘導増幅率よ り も さ らに （ 1 + 3 ) ァ倍あが り 、 ガンマ線の放射量は毎秒 約 9 χ ΐ Ο " η _ Ν ₊ ( l + yS 〉 r ^_1と なる ， またこのガ ンマ線の前方立体角 1 ミ リ ステラ ジアン中の放射密度は 9 X 1 0 "¹² n . · Ν + ■· ( 1 + ^ ) r "V

[ 4 ( 1 H- ^ ) "²r "²] =

7 x l 0 - n _ N十 （ 1 十 ^ ) ³ rになる 。

た と えば、 7" = 1 0 0 0 , n . = 1 0 ⁹ / cm ³ , Ν ₊ = 1 0 ¹¹程度の標準的な電子蓄積 リ ングを 自由ポジ ト ロニゥ ム放射光発生に使用 した場合、 ガンマ線の放射量は毎秒 2 X 1 0⁹ で ミ リ ステラ ジアンの立体角あた り の放射密度は 毎秒 6 X 1 0 ¹¹と なる 。 現在開発中の高性能電子蓄積 リ ン ― ― グ （ n = 1 0¹⁰ / on⁵ , N+ =·· 1 0¹² ) を 使用 した場合、 ガンマ線の放射量、 放射密度はそれぞれ毎秒 2 X 1 0 ¹¹ , 6 ズ 1 0 ¹³と なる 。

以上の説明か ら理解される ごと く 自 由ポジ ト ロニゥム放 射光はェネルギ一の単色性、 低雑音性の点でき わめて優れ て いる 。

さ らにポジ 卜 ロニゥム生成の際放出される結合エネルギ 一 6 . 8 e Vが合流軸上に単色ガンマ線と 同 じ角度集束性 を持ちエネルギー 6 . 8 ( 1 十 J3 ) r = 1 3 . 6 r e V <7) 干渉性のある X線ビームすなわち X線レーザと して放射さ れる 。 た と えば r = 1 0 0 0の加速エネルギーの合流電子 ビームの場合、 1 3 , 6 K e V ( キ ロ電子ボル ト ） の単色 X線レ一ザが'合流軸上で単色ガンマ線ビーム と 同時に放射 される 。 この単色 X線レーザは反射鏡 1 5 を装着すれば'単 色ガンマ線ビーム 1 3 と 分離され、 単色性、 低雑音性め点 ですぐれた単色 X線レーザー 1 6 を取 り 出すこ と が出来る 。

と ころで、 ポジ ト ロ二ゥムの誘導生成のために用い られ る光子数約 5 X 1 0²⁶X era ² で波長 1 . 8 X 1 0 "cmの光 の電力は、 5 0 0 M W cm ² 以上に も なるが、 ノ、。ラ ' ポジ ドロニゥム誘導生成用発光装置 ； I 4から 、 ミ リ 波、 マイ ク ロ ウ エー ブ或はレーザー等めビームを合流電子ビームに逆 行させて照射 した際に生じる ド ップラー効果を利用すれば、 上記の光電カは輊減される 即ち 、 照射に必要な光ビーム は波長が I . 8 X 1 0 ^_5 X ( 1 十 ^ ) r = 3 . 6 X 】 0 _ ⁵ ■ Τ ( cm ) と な り 、 必要照射電力は

( 1十 >5 ) " ¹？' " ¹ ÷ 0 . 5 r ^{_ 1}倍に軽減する 。 例えば？ ' 二 1 0 0 0 の合流電子ビームに対 し て は 、 波長 3 . 6 X

1 0 ^{_ 2} cmの ミ リ 波ま たは、 S R光をノ ラ ■ ポジ ト ロニゥム 誘導生成用発光装置 1 4 から 2 0 0 k W / cm ² 程度合流部 に投入する かまたは定常波 と して発生 さ せれば良い。 ポジ ト ロ二ゥムの誘導生成効率は合流部に投入 さ れた光子数に 比例するので、 合流部への ミ リ 波ま たは S R光の入力 を加 减する こ と に よ っ て 、 自 由ポジ ト ロニゥム放射光の強度制 御 、 パルス制御等を 自 由に行 う こ と ができ る 。 なお、 こ の 光子は生成 した 自 由ポジ ト ロニゥムの誘導消滅も誘発する 可能性があ り 、 こ の時発生す るガンマ線は実質上

2 丁 m 。 C ² のェネルギ一だけの単色高ェネルギ一ガンマ 線レーザー と なる特徴を有する

第 2 図に、 本発明の 自 由ポジ ト ロニ ゥム放射光発生装置 の他の実施冽を示す _n 第 2 図を参照する と 、 こ の笑施例で は 、 第 〗 図の笑施例における 入射加速器系 】 と 電子 · 陽！： 子蓄稷 ■ 冷却 リ ング R.， R ' の間に電子お よび陽電子を r m 。 C ² のェネルギー ま で加速す るために、 例えばシ'—ン ク ロ 卜 ロ ンの如き 加速器 1 7 , 1 7 ' がブース タ ー加速 ¾ と し て設置 さ れて いる 。

第 1 図の実施例では、 蓄積 · 冷却 リ ング Γί , R ' を シン ク ロ 卜 ロ ン加速 と ！:子 ビーム冷却な らびにガンマ線放出の 2 ない し 3 段階のモ一 ドで運転する必要があ る が、 第 2 図 の実施例によれば蓄積 ' 冷却 リ ング R , R ' ではシンク ロ ト ロン加速を行う 必要がないから 、 単色ガンマ線ビーム及 び単色 X線レーザーを連続的に発生させる こ と ができ 、 性 能を著しく 向上させる こ とができ る 。 .

ここで、 第 3 図にそれぞれ電子蓄積 · 冷却 リ ング R と 陽 電子蓄積 · 冷却 リ ング R ' を一体化するための爾向マグネ ッ ト 5及び 5 ' が示されて いる 。 この装置全系では第 1 図 の装置を合流ビーム軸を折目 と して上下に二つ折 り に して 重ねた構造に して二つの リ ングを一体化 している 。 そのた めこの塥向マグネッ ト は図示のよ う に二重構造となっ て い る 。 第 3 図 （ a ) は全磁石を一筋のコ イ ルで通してつない だ形式のマグネ ッ ト 、 第 3 図 （ b ) ， （ c ) はと も に、 1 台づっ個 ^ の磁石が独.立して分離 して いる形式のマグネ ッ トであ り 、 いずれも本発明装置の小型化に極めて有効であ る 。 産業上の利用可能性

以上のよ う に、 本発明では、 単色ガンマ線ビーム及び単 色 X線ビームを同時に発 ·生でき 、 素粒子物理学、 化学、 分 子生物学等の分野において研究開発用機器と して利用でき る 。

Claims

請求の範囲

1 電子ビーム及び陽電子ビームを所定のエネルギ一にま で加速 した後、 予め定め られた方向に該電子 ビームと 陽電 子ビーム と を合流させて 、 該合流ビーム軸上に 自 由ボ'ジ 卜 ロニゥム放射光を発生させる こ と を特徴と する 自 由ポジ ト ロニゥム放射光発生方法。

2 前記電子ビ一ム及び陽電子'ビ一ムはそれぞれ独立 して 所定の加速エネルギーで蓄積された後、 前記予め定め られ た方向に合流さ れる よ う に したこ と を特徴と する請求の範 囲第 1 項記載の 自 由ポジ ト ロニゥム放射光発生方法。

3 前記電子ビーム及び陽電子ビームは予め所定のエネル ギ一 までブース タ ー加速器で加速さ れた後、 それぞれ独立' して蓄積さ れる よ う に したこ と を特徴 と す >請求の範囲.第 1 項記載の 自 由ポジ 卜 ロニゥム放射光発生方法。

4 前記電子ビーム及び陽電子ビーム蓄積の際、 それぞれ 電子蓄積 ■ 冷却 リ ング及び陽電子蓄積 · 冷却 リ ングを用い る こ と を特徴と する 請求の範囲第 3 項記載の 自 由ポジ ト ロ ニ ゥム放射光発生方法。

5 前記合流ビームの方向 と 逆方向に 自 由ポジ ト ロニゥム' 誘導生成用の電磁波を投入する こ と を特徴 と する請求の範 囲第 1 〜 4 項記載の 自 由ポ.ジ ト ロニゥム放射光発生方法 6 前記電磁波はマイ ク ロ波、 ミ リ 波、 あ る いはレーザー 光である こ と を特徴 と する請求の範囲第 5 項記載の S 由ボ ジ ト ロニゥム放射光発生方法。 ' 7 電子ビームを蓄積 ■ 冷却するための！:子蓄積 ■ 冷却 リ ングと 、 陽電子ビームを蓄積 ' 冷却する ための陽電子蓄積 - - 冷却 リ ングと 、 該電子蓄積 · 冷却リ ング及び陽電子蓄積 - 冷却リ ングにそれぞれ電子及び陽電子を入射するための 入射用加速器系と を有し、 前記電子蓄積 · 冷却 リ ング及び 陽電子蓄積 · 冷却リ ングの一部には、 前記電子及び陽電子 ビームを合流するための電子 · 陽電子合流部が備え られ、 前記入射用加速器系からの電子ビーム及び陽電子ビームを それぞれ前記電子蓄積 · 冷却 リ ング及び陽電子蓄積 · 冷-却 リ ングで所定のエネルギーにまで加速蓄積 し、 該電子ビ一 ム及び腸電子ビームを前記電子 ■ 陽電子合流部で予め定め られた方向に合流させて 自由ポジ ト ロニゥム放射光を発生 する こ と を特徴と する 自 由ポジ ト ロニゥム放射光発生装置。 δ 前記電子蓄積 · 冷却リ ング及び陽電子蓄積 · 冷却 リ ン グに用い られる電磁石を二重構造と して該電子蓄積 ■ 冷却 リ ングと 陽電子蓄積 · 冷却 リ.ングと を一体構造と したこ と を特徴とする請求の範囲第 7 項記載の 自 由ボジ トロニゥム 放射光発生装置。

9 前記電子蓄積 · 冷却リ ングおよび陽電子蓄積 ■ 冷却 リ ングの少な く と も一方にダンピング冷却用のアンデュ レ一 ター又はウ イ グラ一が配置されて いる こ と を特徴と する請 求の範囲第 7 項記載の 自由ボジ 卜 ロニゥム放射光発生装置。 1 0 自由ボジ ト ロニゥム放射光の発生方向に放射光集束用 円筒形反射鏡を配置 したこ と を特徵と する請求の範囲第 7 項記載の 自 由ポジ ト ロニゥム放射光発生装置。