エネルギー分解を伴う高輝度放射光X線ビーム観測手法の開発
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22K12668
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 80040:Quantum beam science-related
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| Research Institution | Japan Synchrotron Radiation Research Institute |
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Principal Investigator |
工藤 統吾 公益財団法人高輝度光科学研究センター, ビームライン技術推進室, 主幹研究員 (40372148)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 直 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 光源基盤部門, 兼務職員 (60426525)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | アンジュレータ / ビームモニター / シンクロトロン / 放射光 / ダイヤモンド / 2次元検出器 / エネルギー分解 / CVDダイヤモンド / ピンホールカメラ |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は放射光科学において従来に無い光ビーム精密診断を実用化し、生命科学をはじめ極微の原子分子の情報を得る放射光の性能を飛躍的に向上させる。
我々はダイヤモンド薄膜スクリーンモニタの技術を用いることにより、従来不可能であった高輝度シンクロトロン放射光Ｘ線ビーム中心の非破壊観測に成功した。これは、放射光を自在に操るための“目”を人類が有するようになったことを意味する。本研究では、実証を終えた本方式を実用化する上での課題、①ノイズ源の除去：特に結晶粒回折の影響の無いスクリーン材料の開発、②エネルギー分解能の向上、③リアルタイム性:高速エネルギー分解ビームイメージングシステムの開発、に取り組む。
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| Outline of Annual Research Achievements |
単結晶ダイヤモンド薄膜を用い、CMOS2次元検出器を用いたピンホール型カメラにより、SPring-8のシンクロトロンアンジュレータ放射光のエネルギー分解可視化に成功した。
これまでに多結晶のダイヤモンド薄膜を用いた同じ構成のビームモニターでのエネルギー分解可視化を試みてきたが、ピンホールカメラ画像に含まれる回折スポットが多量にみられるために正確なビームプロファイルの観測に成功していなかった。今回単結晶を用いると、回折スポットの数が特定の点にまとまることで少なくなった。ピンホールを抜けてくる強力な回折スポットが2次元検出器を損傷することも懸念されたが、事前の計算からその確率は極めて少ないと見積もられた。これにより回折スポットが含まれないクリアなビームプロファイル画像を得ることに成功した。得られた画像につき、Droplet解析を含むエネルギーフォトン計測と積算を行うことで、アンジュレータのビームをエネルギー分解処理することに成功した。本手法は全エネルギーを含む画像をすべて取得したうえで解析することができるので、得たデータのアンジュレータ光中心部のデータからアンジュレータのスペクトルを再現することができた。それによると、2次元検出器のエネルギー分解能の限界により、スペクトルはブロードにはなるが、アンジュレータ光のエネルギー分布を反映する情報が得られた。この情報から、一部のエネルギーを切り出したエネルギー弁別の閾値を設定して計算処理した画像を得たところ、アンジュレータ放射のシミュレーションプログラムSPACTRAで予想された形状と一致するビームプロファイルのエネルギー分解画像を得た。本方法でのビームの可視化は従来行われたことがなく、世界初の測定となった。
この成果につき論文発表を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、最も問題視されていたダイヤモンド薄膜からの回折スポットの混入をどう防ぐかについての対策が急務であった。そのため、回折スポットが全くでないアモルファスのような材料を選択すべきかとの議論があったが、耐熱やスペックル抑制の観点での研究が進んでいるダイヤを用いることが有利と判断した。そこで単結晶ダイヤモンドの入手性がよくなっている現状から、単結晶の導入を検討しはじめた。単結晶でも当然回折は起きるが、その回折方向が限られているため、多結晶での回折よりは改善がみられると期待した。この選択は成功で、得れらた画像は劇的に改善した。これによってエネルギー分解によるアンジュレータ放射の複雑な形状の計測が初めて可能となった。これらの成果について論文化まで早期につなげたので、本研究は計画以上に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
アンジュレータ放射をエネルギー分解画像として取得することで、従来シミュレーションプログラムSPACTRAの計算だけで知られていた複雑な放射パタンの形状を、実際の観測データとして得られる見通しがたった。今後の方針として、よりフレームレートとエネルギ＾分解能のよい検出器を用いて、高速にデータを取得することで、リアルタイムのビームモニターとして発展させていく。これによる光軸観測結果を、加速器の電子ビームの挙動と比較することで、加速器診断系の構築にむけて研究をすすめてゆく。将来計画である回折限界リングからのアンジュレータ放射光の診断系として要求されている水準1である10 nradの光軸角度変動の検出の可能性を追求してゆく。
しかしながら、フレームレートと良好なエネルギー分解能を兼ね備える検出器は高価であり、導入には慎重な検討が必要である。そこで、SDD（シリコンドリフト検出器）のスキャンなどの工夫で、まずはアンジュレータの条件設定範囲すべてで、ビーム画像を取得できる条件の基礎的検討を行ってゆく。そのうえで、本手法実現に理想的な２次元検出器の仕様を決定する。
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
