セルフシーディング逆コンプトン散乱による偏極X線発生

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25286084
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 柏木 茂 東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (60329133)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加藤 龍好 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 教授 (20273708) ; 土屋 公央 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 講師 (40236906) ; 日出 富士雄 東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (60292207)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: コヒーレント放射 / 極短電子ビーム / 遷移放射光 / テラヘルツ

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではフェムト秒時間幅の極短電子バンチ発生とその電子バンチによるコヒーレント光の発生が最も重要な研究課題であるが、平成26年度に引き続き平成27年度も極短電子バンチ生成実験およびコヒーレント放射発生に関する数値計算とビーム実験を行なった。
平成26年度中から電子バンチにより発生した遷移放射光をストリークカメラで計測するバンチ長測定を実施してきたが、平成27年度は時間分解能が制限される原因について光線追跡法（レイトレイス法）を用いて、遷移放射光を輸送する間に波長分散により生じる時間分解能の劣化などについて詳細に調査を行なった。これにより、光輸送系で生じる収差および波長分散の影響による時間分解能とストリークカメラの掃引速度に起因する時間分解能を合わせると、システム全体の測定時間分解能が約370fs(標準偏差)となることを明らかにした。数値計算から明らかになった時間分解能はこれまでのビーム実験での測定分解能と矛盾しない結果であった。
27年度は、焦電検出器やショットキーバリアダイオードなどのテラヘルツ検出器の立ち上げを行いテラヘルツ領域のコヒーレント遷移放射を計測することにより、バンチ長評価を行なった。コヒーレント遷移放射光の波長スペクトルを干渉計を用いるフーリエ分光法により計測し、3THzまでのコヒーレント放射を観測することに成功した。波長スペクトルとバンチ形状因子の比較から電子バンチが100フェムト秒程度まで圧縮されていることを確認することができた。
ビーム実験と平行し極短電子バンチによるコヒーレントアンジュレータ放射に関する理論考察を行なった。バンチ長をアンジュレータの共鳴波長の約5分の1程度に適度にバンチ圧縮することにより高調波を含まない超放射を得られることを明らかにした。また、アンジュレータに電子ビームを入射する光学適合条件をビーム実験により確認した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

ストリークカメラを用いた電子バンチ長の計測に時間を要したため、現在までにアンジュレータ放射の確認に至っておらず、本研究の進捗状況は当初の予定よりも若干遅れている。その理由としては、数値計算によるストリークカメラを用いた測定方法の時間分解能の評価と繰り返しのバンチ長計測実験に時間を費やしたためである。だが、数値計算の結果と実際のビーム実験から導き出される時間分解能は矛盾がなく、測定システムの性能を明確にできたことは学術的に大変意義があり、本研究を遂行する上で必要不可欠なプロセスであったと考える。

Strategy for Future Research Activity

27年度に電子バンチにより発生させたコヒーレント遷移放射光の波長スペクトルをフーリエ分光により測定し、そのスペクトル分布より100フェムト秒時間幅の極短電子バンチが生成されていることを明らかにすることができた。
28年度はこの極短電子バンチを使いコヒーレントアンジュレータ放射を発生させ、その波長スペクトルおよび強度測定を27年度中に確立したフーリエ分光法のシステムにより計測し、本研究の最終目標であるセルフシーディング逆コンプトン散乱によるX線発生に繋げていく。

Causes of Carryover

27年度までに極短電子バンチ発生およびその時間幅測定システムの評価に多くの時間を費やしたため、当初の研究計画よりも若干スケジュールが遅れている。こうした理由から、テラヘルツ領域のコヒーレント放射光学輸送システムが未完成であるため未使用額が発生した。

Expenditure Plan for Carryover Budget

28年度中にコヒーレントアンジュレータ放射光の計測をするため、テラヘルツ領域のアンジュレータ放射光輸送システム構築に未使用の研究費を使用する。また、本研究の成果発表のための旅費に使用する予定である。

Research Products

• [Presentation] 極短電子ビームを用いたコヒーレントアンジュレータ放射光発生に関する研究 (2016)
  • Author(s): 柏木茂, 日出富士雄, 武藤俊哉, 南部健一, 齊藤寛峻, 阿部太郎, 高橋健, 長澤育郎, 東谷千比呂, 柴崎義信, 濱広幸
  • Organizer: 日本物理学会 第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学泉キャンパス（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] ストリークカメラを用いた極短パルス電子ビームのバンチ長計測 (2016)
  • Author(s): 齊藤 寛峻, 柏木茂, 日出富士雄, 武藤俊哉, 阿部太郎, 柴崎義信, 南部健一, 長澤育郎, 高橋健, 東谷千比呂, 小林恵理子, 浜広幸
  • Organizer: 日本物理学会 第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学泉キャンパス（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Extremely short electron bunch generation for producing THz superradiance at t-ACTS, Tohoku University (2015)
  • Author(s): S. Kashiwagi, H. Saito, T. Abe, F. Hinode, T. Muto, K. Nanbu, I. Nagasawa, K. Takahashi, C. Tokoku, E. Kobayashi, Y. Shibasaki and H. Hama
  • Organizer: 8th International Workshop on Infrared Microscopy and Spectroscopy using Accelerator Based Sources (WIRMS 2015)
  • Place of Presentation: Long Island, New York, USA
  • Year and Date: 2015-10-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 東北大学における極短電子バンチを用いたコヒーレントアンジュレータ放射光発生 (2015)
  • Author(s): 柏木茂, 日出富士雄, 武藤俊哉, 齊藤 寛峻, 阿部太郎, 柴崎義信, 南部健一, 長澤育郎, 高橋健, 東谷千比呂, 小林恵理子, 浜広幸
  • Organizer: 日本加速器学会
  • Place of Presentation: プラザ萬象（福井県敦賀市）
  • Year and Date: 2015-08-06
• [Presentation] ストリークカメラを用いたOTR測定による極短電子ビームバンチ長計測 (2015)
  • Author(s): 齊藤 寛峻, 柏木茂, 日出富士雄, 武藤俊哉, 阿部太郎, 柴崎義信, 南部健一, 長澤育郎, 高橋健, 東谷千比呂, 小林恵理子, 浜広幸
  • Organizer: 日本加速器学会
  • Place of Presentation: プラザ萬象（福井県敦賀市）
  • Year and Date: 2015-08-05
• [Presentation] Proof-of-Principle Experiment of Velocity Bunching for Ultra-short Electron Pulse Production (2015)
  • Author(s): S. Kashiwagi, S. Nagasawa, F. Hinode, T. Muto, H. Saito, T. Abe, K. Nanbu, I. Nagasawa, K. Takahashi, C. Tokoku, E. Kobayashi and H. Hama
  • Organizer: The 12th Eco-Energy and Materials Science and Engineering Symposium (12th EMSES)
  • Place of Presentation: Krabi, Thailand
  • Year and Date: 2015-06-13
  • Int'l Joint Research