2018 Fiscal Year Annual Research Report
Generation of photons carrying orbital angular momentum by nonlinear inverse Compton scattering
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18H03477
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
平 義隆 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (60635803)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神門 正城 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, グループリーダー(定常) (50343942)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ガンマ線渦 / 軌道角運動量 / トムソン散乱 / コンプトン散乱 / 光渦 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、全く新しい量子ビームである軌道角運動量(Orbital angular momentum: OAM)を運ぶエネルギーsub-MeV以上のガンマ線を世界に先駆けて開発し、素粒子や原子核、物性研究への応用開拓を行うことを最終目標としている。OAMを運ぶガンマ線の発生には、研究代表者が世界で初めて見出した電子ビームと高強度円偏光レーザーの非線形逆コンプトン散乱法を用いる。研究期間内にはOAMを運ぶkeV領域のX線を非線形逆コンプトン散乱で発生し、OAMの起源であるらせん波面を光学的手法により測定する。
平成30年度は、回折法によってらせん波面を形成するX線渦の測定に世界で初めて成功した。これまでに、X線渦の測定法として、フリンジスキャンやタイコグラフィーといった方法が開発されてきたが、これらの方法はX線源に高い安定性が要求されるので、非線形逆トムソン散乱から発生するX線渦に適用することが難しかった。そこで、簡便な方法である回折法によるX線渦測定の原理実証実験をSPring-8において行った。BL29XUにおいてエネルギー7.7 keVのX線軸上にX線渦を発生するためのらせんフレネルゾーンプレート(SFZP)を設置し、その集光位置に1辺の長さが6マイクロメートルの三角アパーチャーを設置し、その回折像をイメージング検出器で測定した。SFZP位置でのX線の横方向コヒーレント長を向上させるために1辺の長さが5マイクロメートルの正方形スリットを上流に設置し、SFZP位置でのコヒーレント長は310マイクロメートルであった。この値は、SFZPの直径よりも十分に大きい。三角アパーチャーの理論計算と良く一致する回折像が測定された。この研究成果は、Y. Taira and Y. Kohmura, J. Opt. vol. 21 (2019) 045604において発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初予定していた三角アパーチャーを用いたX線渦測定の原理実証実験を予定通りに達成することができた。また、関西光科学研究所において令和元年度に実施する非線形逆トムソン散乱実験に向けて、真空チャンバーの改造を行った。電子ビーム収束用磁石の設計は未達成であるが、令和元年度前半に行う予定である。
また、非線形逆トムソン散乱によるガンマ線渦発生の理論的な研究も進み、電子とレーザーが任意の衝突角度で相互作用する場合においてもガンマ線渦が発生することや、波長の異なる2つのレーザーを用いることで1波長の場合に比べて角運動量の大きいガンマ線渦を発生できることが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度後半に量子科学技術研究開発機構 関西光科学研究所において非線形逆トムソン散乱実験を行う。主たる目標は、高次高調波ガンマ線のエネルギースペクトルを測定することと、らせん波面を形成する2次以上の高次高調波ガンマ線の空間分布が円環形状になることを確認することである。エネルギー150 MeVの電子ビームと波長800 nm、レーザー強度因子2の高強度円偏光レーザーの非線形逆トムソン散乱によって最大エネルギー350 keVの2次高調波ガンマ線が発生する。ガンマ線軸上にアルミ板とその下流に2次元検出器であるイメージングプレートを設置することで、アルミ板からのコンプトン散乱のエネルギースペクトルとガンマ線の空間分布を同時に測定する。基本波ガンマ線の強度が強く、イメージングプレートはエネルギー分別ができないために、イメージングプレート単体では高次高調波の空間分布は測定できない。イメージングプレート前面に厚さ3 mmの鉛板を設置することでエネルギーの低い基本波を減衰し、高次高調波の空間分布測定を行う。また、電子ビームの横方向サイズを小さくするための電子ビーム収束用電磁石の設計製作やガンマ線渦測定のための検出器の開発を行う。
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