分子研研究会（2002年11月13,14日) 「赤外放射光の現状と将来計画」

京都大学原子炉実験所高橋俊晴

コヒーレント放射光の現状とコヒーレント放射光の現状とERLERLへの期待への期待

コヒーレント放射光の歴史・原理京大原子炉ライナックの放射光ビームライン進行中の研究ＥＲＬ（エネルギー回収型ライナック）での

コヒーレント放射光

コヒーレント放射光の解説記事池澤幹彦, 日本物理学会誌, 49 (1994) 208

同 53 (1998) 842固体物理, 31 (1996) 245

講演の概要講演の概要

コヒーレント放射光とはコヒーレント放射光とは

1 10 100 1000 10000WAVENUMBER (cm-1)

110100100010000WAVELENGTH (µm)

100

103

106

109

1012

INTE

NSI

TY (a

rb.u

nits

)

バンチ長

N|NeE|2=N 2P0

Ne|E|2=N P0

1940年代

加速器におけるエネルギー損失の問題としての理論研究

蓄積リング建設期分光研究者には忘れ去られた存在

1982年

蓄積リングにおいて長波長の強力なコヒーレント放射光が発生している可能性を指摘（天文学者F.C.Michel）F.C.Michel, Phys. Rev. Lett. 48 (1982) 580.

コヒーレント放射光の歴史コヒーレント放射光の歴史

コヒーレント放射光の観測コヒーレント放射光の観測1984年Daresbury SRSで観測の試み→確認できずJ.Yarwood, et al., Nature 312 (1984) 742.

1989年

東北大核理研で観測成功（電子ライナックの短バンチ電子ビーム）T.Nakazato, et al., Phys. Rev. Lett. 63 (1989) 1245.

最近蓄積リングで観測MAX-I→ A.Andersson, et al., Opt. Eng. 39 (2000) 3099.NSLS→ G.L.Carr, et al., N.I.M. A 463 (2001) 387

以降京大原子炉、阪大産研、Cornell Univ.、Stanford Univ.、などで

基礎的性質の研究

シンクロトロン放射（放射光）Y.Shibata, et al., NIM A 301 (1991) 161-166K.Ishi, et al., Phys. Rev. A 43 (1991) 5597-5604 U.Happek, et al., Phys. Rev. Lett. 67 (1991) 2962R.Kato, et al., Phys. Rev. E 57 (1998) 3454-3460

遷移放射Y.Shibata, et al., Phys. Rev. A 44 (1991) R3449-R3451E.B.Blum, et al., NIM A 307 (1991) 568T.Takahashi, et al., Phys. Rev. E 48 (1993) 4674-4677 Y.Shibata, et al., Phys. Rev. E 49 (1994) 785-793

回折放射Y.Shibata, et al., Phys. Rev. E 52 (1995) 6787-6794

スミス・パーセル放射K.Ishi, et al., Phys. Rev. E 51 (1995) R5212-R5215 Y.Shibata, et al., Phys. Rev. E 57 (1998) 1061-1074

チェレンコフ放射J.Ohkuma, et al., Phys. Rev. Lett (1991) 1967 T.Takahashi, et al., Phys. Rev. E 50 (1994) 4041-4050 T.Takahashi, et al., Phys. Rev. E 62 (2000) 8606-8611

コヒーレントな諸放射コヒーレントな諸放射

コヒーレント放射光の理論コヒーレント放射光の理論

2

10 )2exp()( ∑

=

=N

jjxiEP πνν

バンチ内電子数:N波数:ν

一個の電子からの強度:)(0 νP

電場の重ね合わせ

放射強度スペクトル

バンチ形状因子

バンチ内電子分布S(x)のフーリエ変換

スペクトル 電子分布（バンチ形状）

)()()()( 02

0 νννν PfNNPP +=2

)2exp()()( ∫= xixSf πνν

バンチ形状によるスペクトルの変化バンチ形状によるスペクトルの変化

1 10 100 1000 10000

WAVENUMBER (cm-1)

100

103

106

109IN

TEN

SITY

(arb

.uni

ts)

x

S(x)

x

S(x)

x

S(x)

バンチ形状計測バンチ形状計測

K.Ishi, et al., Phys. Rev. A 43 (1991) 5597-5604 Y.Shibata, et al., Phys. Rev. E 50 (1994) 1479-1484 R.Lai, et al., Phys. Rev. E 50 (1994) R3342R.Lai, et al., Phys. Rev. E 50 (1994) R4294R.Lai, et al., Phys. Rev. E 52 (1995) 4576H.Lihn, et al., Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 4163H.Lihn, et al., Phys. Rev. E 53 (1996) 6413R.Rai, et al., NIM A 397 (1997) 221M.Uesaka, et al., NIM A 406 (1998) 371

コヒーレントな放射を用いる手法の基本的な文献

コヒーレントな放射によるコヒーレントな放射によるバンチ形状計測バンチ形状計測

ポリクロメータ (InSb, 10Ch.)

スペクトル

電子分布

リアルタイム計測が可能

バンチ間の可干渉性：電子ビームの時間構造バンチ間の可干渉性：電子ビームの時間構造

77 ms (13 Hz)

τ (10 ns, 68 ns, 2 µs)

0.77 ns (23 cm)

Pulse train

Macro pulse

Bunch

Y.Shibata, et al., Phys. Rev. A 44 (1991) R3445-R3448 T.Takahashi, et al., Rev. Sci. Inst. 69 (1998) 3770-3775

バンチ間の可干渉性：干渉分光計バンチ間の可干渉性：干渉分光計

光源

検出器

移動鏡

固定鏡

23cm光路差

大きい光路差のインターフェログラム大きい光路差のインターフェログラム

0 10 20 30 40 50OPTICAL PATH DIFFERENCE (cm)

0

0.02

0.04

OU

TPU

T VO

LTAG

E (V

)

0cm 23cm 46cm

隣のバンチの波束との干渉

自分自身の波束との干渉

１個おきのバンチの波束との干渉

高分解能のスペクトル高分解能のスペクトル

1 2 3 4 5 6 7WAVENUMBER (cm-1)

0.00

0.05

0.10

0.15

INTE

NSI

TY (a

rb. u

nits

)

max.OPD=54.2cm

max.OPD=5cm

(∆ν=0.018cm-1)

(∆ν=0.20cm-1)

連続スペクトルとして見なせる波数分解：Δν＞f RF／c(cm-1)

コヒーレント放射光ビームラインコヒーレント放射光ビームライン京大原子炉Ｌバンド電子ライナック (40MeV, Max.10kW)

Accelerator Room

Experimental Room

Shield Wall

fromL-band Linac

electronbeamS

W1

M1

M2

M3

M4

W2Interferometer

T.Takahashi, et al., Rev. Sci. Inst. 69 (1998) 3770-3775

光源はコヒーレント遷移放射

・Martin-Puplett干渉

分光計・日立FIS-21回折格子

分光計

ビームラインでのスペクトルビームラインでのスペクトル

NN22OOガスの吸収スペクトル（回転準位）ガスの吸収スペクトル（回転準位）

5 10 15WAVENUMBER (cm-1)

0.5 1 1.5 2ENERGY (meV)

0

1

TRAN

SMIS

SIVI

TY

J=2

J=3

J=4

J=5

J=6

J=7

J=8

J=9

J=10

J=11

J=12

J=13

J=14

J=15

J=16

J=17

J=18

J=19

J=20

京大炉で進行中の研究（光源）京大炉で進行中の研究（光源）

Prebunched FEL東北大多元研・柴田先生、伊師先生・既にコヒーレントになっている光を共振器で重ね合わせ増幅・アンジュレーターを用いるFELと異なり、バンチング過程を

無視したFELの増幅過程の研究が可能Y.Shibata, et al., Phys. Rev. Lett. 78 (1997) 2740-2743 Y.Shibata, et al., NIM B 145 (1998) 49-53

ミリ波領域での円偏光放射光の発生東北大多元研・柴田先生、伊師先生・縦横一組の偏向電磁石（1/4周期の円偏光ウィグラー）を

用いる方法・前方遷移放射と後方遷移放射の重ね合わせ方を工夫する

方法(Y.Shibata, et al., Rev. Sci. Inst. 72 (2001) 3221-3224)

京大炉で進行中の研究（分光）京大炉で進行中の研究（分光）

アルカリハライド結晶中不純物の低エネルギー励起T=1.4K～4.2Kライトパイプ型クライオスタットによる透過測定

リチウムイオン二次電池材料のミリ波反射分光神戸大分子フォトセ・太田先生T=77K～400K、試料サイズ～20mm

ミリ波パルスラジオリシス東北大工・近藤先生、東北大多元研・柴田先生、伊師先生電子線励起・コヒーレント放射光プローブ遅延時間0～770psec

パルス強磁場と波長可変パルス光源による強磁場光スペクトル岡山大理・松田先生、野尻先生B=0～40T、4.2K～77K量子ドットや多重量子井戸のサイクロトロン共鳴磁性クラスターの電子スピン共鳴

ERLERLの特徴の特徴

赤外放射光ユーザーから見たERLのメリット

大

100mA小

10μA大

100mA平均電流

近赤外～

ミリ波

サブミリ波・ミリ波

近赤外～遠赤外

利用できる

波長領域

大

1.3GHz小

10Hz大

500MHz繰り返し

周波数

短

100fs短

1ps長

100psバンチ長

ERLライナック蓄積リング

（ERL：エネルギー回収型ライナック）

広帯域短いパルス

JLabJLab--ERLERLのデータのデータG.P.Williams, Rev. Sci. Inst. 73 (2002) 1461

JLabJLab--ERLERLと他の放射光源の比較と他の放射光源の比較

1 10 100 1000 10000WAVENUMBER (cm-1)

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

102

INTE

NSI

TY (W

/0.1

%b.

w.)

JLab-ERL40MeV, 5mA, 400fsec

37.4MHz, 1m90(H)×90(V)mrad

SPring-8 BL43IR8GeV, 100mA, 40m36(H)×12(V)mrad

KURRI-LINAC40MeV, 2μA, 5psec

1.3GHz, 68nsec, 13Hz75(H)×75(V)mrad

(coherent TR)

1 10 100 1000 10000WAVENUMBER (cm-1)

10-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

INTE

NSI

TY (W

/0.1

%b.

w.)

原研原研ERLERLのスペクトルのスペクトル

JAERI-ERL17MeV, 50μA, 5psec10.4MHz, 1msec, 10Hz

0.2m90(H)×90(V)mrad

0.4mA, 40MHz

ERLERL放射光源計画のスペクトル放射光源計画のスペクトル

1 10 100 1000 10000WAVENUMBER (cm-1)

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

102

INTE

NSI

TY (W

/0.1

%b.

w.)

Cornell/JLab5GeV, 100mA, 100fsec

1.3GHz, 30m90(H)×90(V)mrad

ERLERLコヒーレント放射光の注意点コヒーレント放射光の注意点

光強度の安定性が不明蓄積リングの場合と比較してどうか？ビーム電流の安定性→光強度は電流値の２乗に比例して変化バンチ形状の安定性→バンチ形状が変わればスペクトルが変化現在の加速器技術をもってすれば問題なし（？）

バンチ間干渉による波数分解能の制限高分解能の測定では繰り返し周波数を大きくできない1.3GHzのマルチバンチ運転の場合：Δν＞0.04cm-1

繰り返しを小さくしてバンチ電荷量を大きくできれば問題なし

まとめまとめ

コヒーレント放射光（およびコヒーレントな遷移放射、回折放射、スミス・パーセル放射、チェレンコフ放射）の基礎的性質は現在までに実験的な解明が終了

京大原子炉ライナックのビームラインでは分光測定がスタート

ＥＲＬでは遠赤外からミリ波にかけて強力なコヒーレント放射光

低エネルギーでコンパクトな赤外専用ERL放射光源が可能例えば100MeV, 100mA, 100fsec,ρ=10m（Ｘ線による光学素子のダメージがない）