Production of a high-energy polarized photon beam via Compton scattering of undulator soft X-rays

• Project/Area Number: 20K20344
• Project/Area Number (Other): 18H05325 (2018-2019)
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2020); Single-year Grants (2018-2019)
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Muramatsu Norihito 東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (40397766)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 伸介 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 光源基盤部門, 特別嘱託研究職員 (00416380) ; 伊達 伸 大阪大学, 核物理研究センター, 特任教授 (10372145) ; 清水 肇 東北大学, 電子光理学研究センター, 名誉教授 (20178982)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2019: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2018: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000)
• Keywords: 光子ビーム / コンプトン散乱 / 軟X線 / アンジュレータ / 逆コンプトン散乱

Outline of Research at the Start

次世代ハドロン光生成実験のために高エネルギー化された新ガンマ線光源の技術開発を行い、その実証実験を進める。高エネルギー光子ビームの生成は、電子蓄積リングにおける軟X線の逆コンプトン散乱で達成する。軟X線源として蓄積リング中のアンジュレーターを用い、多層膜ミラーで180度反射して再入射する。従来のレーザー入射と比べて飛躍的に高いエネルギー増幅が得られる。本研究では、大強度の軟X線を集光・再入射できる多層膜ミラーの開発を行い、反射角度を精密制御するシステムを構築する。軟X線および生成光子ビームの特性を計測する検出器系の開発・整備も行い、軟X線逆コンプトン散乱による光子ビーム生成の初観測を目指す。

Outline of Final Research Achievements

We carried out a pioneering research to produce an energy-extended photon beam via Compton scattering of high-intensity soft X-rays at BL07A of the electron storage ring "NewSUBARU". The soft X-rays were radiated from an undulator and backwardly reflected into the original storage ring by using a Mo/Si multi-layer mirror. The newly developed multi-layer mirror has a reflectance of 66% with a cylindrically polished surface so as to make a focus at the Compton scattering point. We succeeded in observing both radiated and reflected X-rays at a wire scanner detector that was installed in the middle of the beamline. In addition, we confirmed that prepared gamma-ray detectors (a PWO electromagnetic calorimeter and a beam profile monitor) satisfied the performance conditions required to measure the photon beam. We sufficiently attained the aim to develop fundamental techniques for the high-energy photon beam production based on the soft X-ray Compton scattering.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来のレーザーコンプトン散乱に対し、本研究で研究開発する軟X線コンプトン散乱はGeV偏極光子ビームの効率的かつ飛躍的な高エネルギー化を実現する。これにより高質量領域まで拡張した次世代ハドロン光生成実験が可能となり、ハドロン構造等の解明に資する。軟X線生成とコンプトン散乱の双方を放射光施設のビームライン一本で完結させられ、比較的安価に必要設備を建設できる。主に核物理研究で利用されるコンプトン散乱の手法に加速器研究や放射光利用研究で進歩した軟X線制御技術を取り入れ、異分野融合型の世界的にユニークな新光源技術が得られる。低エネルギー化する放射光施設において応用が可能であり、成果の汎用性が高い。

Research Products

• [Journal Article] Development of the multi-layer mirror for the production of a high-energy photon beam by X-ray Compton scattering (2021)
  • Author(s): Norihito Muramatsu, Shinsuke Suzuki, Haruo Ohkuma, Schin Date, Kazuhiro Kanda, Shuji Miyamoto, Tetsuo Harada, Takeo Watanabe, Hajime Shimizu, Manabu Miyabe, Atsushi Tokiyasu, and Masahiro Okabe
  • Journal Title: ELPH Annual Report (Tohoku Univ.) Volume: 2020 Pages: 49-52
  • Open Access
• [Journal Article] Development of a new γ-beam source by X-ray Compton scattering (2021)
  • Author(s): Norihito Muramatsu, Shinsuke Suzuki, Haruo Ohkuma, Schin Date, Kazuhiro Kanda, Shuji Miyamoto, Tetsuo Harada, Takeo Watanabe, Hajime Shimizu, Manabu Miyabe, Atsushi Tokiyasu, Masahiro Okabe
  • Journal Title: LASTI Annual Report (Univ. of Hyogo) Volume: 22 Pages: 29-32
  • Open Access
• [Journal Article] Experimental studies to produce a high energy photon beam by inverse Compton scattering of soft X-rays (2020)
  • Author(s): Norihito Muramatsu, Masahiro Okabe, Shinsuke Suzuki, Schin Date, Hajime Shimizu, Haruo Ohkuma, Kazuhiro Kanda, Shuji Miyamoto, Tetsuo Harada, Takeo Watanabe, Manabu Miyabe, and Atsushi Tokiyasu
  • Journal Title: LASTI Annual Report Volume: 21 Pages: 39-41
  • Open Access
• [Journal Article] 軟X線を用いた逆コンプトン散乱による高エネルギーガンマ線ビームの開発 (2019)
  • Author(s): 村松 憲仁, 岡部 雅大, 鈴木 伸介, 伊達 伸, 清水 肇, 大熊 春夫, 神田 一浩, 宮本 修治, 原田 哲男, 渡邊 健夫, 宮部 学, 時安 敦史
  • Journal Title: 加速器 Volume: 16 Pages: 154-160
  • NAID: 130008101474
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Production of a high energy γ beam via inverse Compton scattering of soft x-rays from a short undulator (2019)
  • Author(s): Norihito Muramatsu, Masahiro Okabe, Shinsuke Suzuki, Schin Date, Hajime Shimizu, Haruo Ohkuma, Kazuhiro Kanda, Shuji Miyamoto, Tetsuo Harada, Takeo Watanabe, Manabu Miyabe, and Atsushi Tokiyasu
  • Journal Title: ELPH Annual Report Volume: 2018 Pages: 97-101
  • NAID: 40022109945
  • Open Access
• [Journal Article] Development of Multilayer Mirror for Producing a Next-generation Photon Beam (2019)
  • Author(s): Masahiro Okabe, Norihito Muramatsu, and Isamu Ishikawa
  • Journal Title: ELPH Annual Report Volume: 2018 Pages: 102-104
  • NAID: 40022109955
  • Open Access
• [Journal Article] Production of a high energy γ beam via backward Compton scattering of soft X-rays from a short undulator (2019)
  • Author(s): Norihito Muramatsu, Masahiro Okabe, Shinsuke Suzuki, Schin Date, Hajime Shimizu, Haruo Ohkuma, Kazuhiro Kanda, Shuji Miyamoto, Tetsuo Harada, Takeo Watanabe, Manabu Miyabe, and Atsushi Tokiyasu
  • Journal Title: LASTI Annual Report Volume: 20 Pages: 22-23
  • Open Access
• [Presentation] Hadron physics with Photon Beams: Future Prospects of the Experiments at SPring-8 (2021)
  • Author(s): N. Muramatsu
  • Organizer: RCNP Workshop “RCNPでの次期計画検討会”
• [Presentation] 軟X線の逆コンプトン散乱による高エネルギー光子ビームの開発 (2020)
  • Author(s): 岡部雅大
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] BL07Aを利用した軟X線の逆コンプトン散乱による高エネルギーガンマ線生成 (2020)
  • Author(s): 村松憲仁
  • Organizer: ニュースバルシンポジウム2020
• [Presentation] アンジュレーター放射軟X線の逆コンプトン散乱による高エネルギーガンマ線ビームの開発 (2020)
  • Author(s): 岡部雅大
  • Organizer: ELPHシンポジウム2020
• [Presentation] 電子加速器を利用した新しいGeVガンマ線源の開発と展望 (2019)
  • Author(s): 村松憲仁
  • Organizer: 第26回FELとHigh-Power Radiation研究会
• [Presentation] 軟X線を用いた高エネルギーγ線発生 (2018)
  • Author(s): 鈴木伸介
  • Organizer: RCNP研究会「ガンマ線ビームを用いた原子核・ハドロン 物理の新局面と今後の展望」
  • Invited
• [Presentation] コンプトンガンマ線用入射フォトンソースとしての極短周期アンジュレータの可能性 (2018)
  • Author(s): 大熊春夫
  • Organizer: RCNP研究会「ガンマ線ビームを用いた原子核・ハドロン 物理の新局面と今後の展望」
• [Presentation] 次世代光子ビームに用いる多層膜ミラーの開発 (2018)
  • Author(s): 岡部雅大
  • Organizer: RCNP研究会「ガンマ線ビームを用いた原子核・ハドロン 物理の新局面と今後の展望」
• [Book] 軟X線の逆コンプトン散乱による高エネルギー光子ビームの開発 (2020)
  • Author(s): 岡部雅大
  • Total Pages: 55
  • Publisher: 東北大学 修士論文
• [Remarks] アンジュレーター放射軟X線の逆コンプトン散乱で実現する高エネルギー偏極光子ビーム
  • URL: http://www.rcnp.osaka-u.ac.jp/~mura/kaitaku/
• [Remarks] 「アンジュレーター放射軟X線の逆コンプトン散乱で実現する高エネルギー偏極光子ビーム」
  • URL: http://www.rcnp.osaka-u.ac.jp/~mura/kaitaku/
• [Funded Workshop] RCNP研究会「ガンマ線ビームを用いた原子核・ハドロン 物理の新局面と今後の展望」 (2018)