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UVSOR-II における レーザーコンプトン散乱を用いた 超短パルスガンマ線 の発生と そのパルス幅測定手法の開発

UVSOR-II における レーザーコンプトン散乱を用いた 超短パルスガンマ線 の発生と そのパルス幅測定手法の開発. 名古屋大学大学院　工学研究科 分子科学研究所　 UVSOR 平　義隆. ビーム物理研究会 2010. Outline. レーザーコンプトン散乱について 目的と現状 超短パルスガンマ線発生の原理 ガンマ線のエネルギー、パルス幅、強度の見積もり UVSOR-II で行った実験 まとめ. レーザーコンプトン散乱とは. 逆コンプトン散乱. Photon (Laser ) E L. Electron beam E e = γm e c 2. θ.

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UVSOR-II における レーザーコンプトン散乱を用いた 超短パルスガンマ線 の発生と そのパルス幅測定手法の開発

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Presentation Transcript

  1. UVSOR-IIにおけるレーザーコンプトン散乱を用いた超短パルスガンマ線の発生とそのパルス幅測定手法の開発UVSOR-IIにおけるレーザーコンプトン散乱を用いた超短パルスガンマ線の発生とそのパルス幅測定手法の開発 名古屋大学大学院　工学研究科 分子科学研究所　UVSOR 平　義隆 ビーム物理研究会2010

  2. Outline • レーザーコンプトン散乱について • 目的と現状 • 超短パルスガンマ線発生の原理 • ガンマ線のエネルギー、パルス幅、強度の見積もり • UVSOR-IIで行った実験 • まとめ

  3. レーザーコンプトン散乱とは 逆コンプトン散乱 Photon (Laser )EL Electron beam Ee = γmec2 θ Gamma ray Eγ

  4. レーザーコンプトン散乱ガンマ線の利用 偏極陽電子生成 原子核物理学 電子ビーム診断 非破壊検査 • 等に利用 国内の利用可能な施設：TERASやNew SUBARUなど • ガンマ線のパルス幅に着目した研究は行われていない。

  5. 目的と現状 １）パルス幅~１00 fsの超短パルスガンマ線の発生方法の確立。 現状：パルス幅 2 ps (推定値) のガンマ線を発生 パルス幅測定の準備実験 ２）超短パルスガンマ線のパルス幅測定手法の開発。 ３）超短パルスガンマ線の利用方法の開拓。

  6. UVSOR-II (分子科学研究所)

  7. 超短パルスガンマ線発生の原理 Electron Beam Femtosecond laser Gamma ray Femtosecond laser Electron Beam α= 90° Ultra-short-pulse gamma ray Head-on collision α=0 Vertical collision α=90°

  8. ガンマ線のパルス幅 電子ビームのパルス幅 レーザーのパルス幅 Head-on Vertical 90°

  9. エネルギー Bucket height Head-on Vertical 90°

  10. ガンマ線のパラメーター (計算値)

  11. UVSOR-IIで行った実験 • 90°衝突実験 • ガンマ線のパルス幅測定の準備実験 • 偏極ガンマ線の空間分布測定

  12. セットアップ(90°衝突) レーザーの入射角度を70-110°の範囲で変えた。 Bending magnet Quadrupole magnet Laser Gamma ray Electron beam NaI Straight section of the storage ring Collision point Multichannel analyzer Shaper amplifer

  13. レーザーシステム Phase Shifter Synchro Lock Feedback 90.1 MHz 1/16 Divider Mode-locked Ti:Sapphire Laser 5.63 MHz RF Bucket Selector 1/5632 Divider 90.1 MHz CW Laser 1 kHz Regenerative Amplifier 1 kHz Q-switch Pump laser Laser Electron bunch RF cavity Cavity Pickup 90.1 MHz Ti:Sa Laser Wavelength： 800 nm Frequency： 1 kHz Power： 2.0 W Pulse width： 130 fs (FWHM) 蓄積リングのRF加速に同期

  14. レーザー輸送 Laser Electron Beam Gamma ray

  15. 衝突のタイミング調整 Laser Electron Beam Gamma ray 電極 フォトダイオード 衝突点から電極までの距離 Photodiode

  16. 検出器 Gamma ray NaI

  17. EGS5 • モンテカルロ粒子輸送シミュレーションコード • 電子・光子と物質との相互作用 • エネルギー範囲 keV~PeV • 実験時の物質の配置を模擬 • ガンマ線に対するNaIの応答を計算 145 mm Gamma ray NaI H. Hirayama et al., SLAC-R-730, 2005.

  18. エネルギースペクトルの比較 90°衝突

  19. エネルギー可変ガンマ線の生成 計算値 Y. Taira et al., Nucl. Instr. and Meth. A, accepted for publication 2010.

  20. ガンマ線のパルス幅(推定値) 衝突点での レーザーサイズ σx=2.5 mm, σy=1.5 mm レーザーを集光 ＆ 鉛直衝突 ⇒サブピコ秒の ガンマ線発生

  21. ガンマ線のパルス幅の測定手法の開発 • サブピコ秒の時間分解能を有するストリークカメラを用いて、ガンマ線のパルス幅を測定する。 電子、陽電子 チェレンコフ光 Gamma ray タングステン板 0.5 mm アクリル板 1 mm ストリークカメラ Ncherenkov = ~ 1000 photons pulse-1

  22. セットアップ(チェレンコフ光の測定) 第一段階の目標：APDを用いて、チェレンコフ光の発生を確認する。 Laser Quadrupole magnet Bending magnet Electron beam Gamma ray f =125 mm Straight section of the storage ring APD Collision point パルス幅 2 ps (rms) 強度 4×106 photons s-1 Oscilloscope APD受光面

  23. 測定結果 APDの出力波形 (100回平均) チェレンコフ光を測定することができた。

  24. セットアップ(偏極ガンマ線) Laser Quadrupole magnet λ/2板または、λ/4板 Bending magnet Electron beam Gamma ray f =125 mm IP Straight section of the storage ring Collision point カセッテ内部に、タングステン板とＩＰを一緒に封入

  25. 直線偏極ガンマ線の空間分布 測定データ 計算結果 偏光方向

  26. 円偏極ガンマ線の空間分布 測定データ 計算結果

  27. 電子ビームとレーザーの90°衝突を行い、パルス幅2 psのガンマ線の発生に成功した。 ガンマ線のパルス幅測定の準備実験を行い、チェレンコフ光の発生を確認した。 ガンマ線の偏極によって空間分布が異なることを測定できた。 展望：ストリークカメラを用いて、パルス幅測定を行う。 まとめ

  28. ご清聴ありがとうございました。 共同研究者 名古屋大学大学院 工学研究科 分子科学研究所 UVSOR 曽田　一雄 保坂　将人 山本　尚人 加藤　政博 阿達　正浩 全　炳俊 総合研究大学院大学 谷川　貴紀

  29. 電子ビーム形状 断面図 Y 鉛直方向 X 水平方向 0.06 mm 0.60 mm 108 ps (= 32 mm) 108 ps (= 32 mm) Z 進行方向 Z 進行方向 Y 鉛直方向 X 水平方向 電子蓄積リングを周回する電子ビームは、進行方向に対する 垂直方向の大きさが極端に小さい。

  30. 強度 Head-on Vertical 90°

  31. 測定データとシミュレーションの比較

  32. 検出器の大きさ

  33. ガンマ線エネルギーの単色特性計算 鉛直90°衝突 鉛の厚さ200 mm N: コリメーター通過後の数 N0: 発生点での数 N/N0 = 9.0 % (φ = 5 mm) N/N0 = 3.6 % (φ = 3 mm) N/N0 = 0.3 % (φ = 1 mm)

  34. スペクトル比較　直線偏極

  35. スペクトル比較　円偏極

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