早稲田大学RF電子銃における...

Waseda Univ. Washio Lab.

早稲田大学RF電子銃における応用研究と将来計画

五輪智子、五十嵐千明、樫野多加志、加藤雄太、小宮圭太、坂上和之、鈴木達也、野本知章、濱義昌、藤田晃宏、増田明彦、村田亜希、鷲尾方一 （早稲田大学理工学研究所）

浦川順治、早野仁司 （高エネルギー加速器研究機構）

黒田隆之助 （産業技術総合研究所）

柏木茂 （産業技術総合研究所）

丑田公規 （理化学研究所）

X. J. Wang （Brookhaven National Laboratory）

第5回 高周波電子銃研究会 12/4-5/2007

Work supported by JSPS Grant-in-Aid for Scientific Research (B)(2)18340079 and MEXT High-tech Research Center Project HRC707.

第5回 高周波電子銃研究会 2Waseda Univ. Washio Lab.

コンテンツ

1. 早稲田大学におけるプロジェクト

2. 早稲田大学RF電子銃システム

3. 高品質電子ビームを用いた応用実験

3.1. パルスラジオリシスシステムの構築

3.2. “水の窓”軟X線源の開発

4. 現在までの成果と課題

5. 今後の展望

6. まとめ

第5回 高周波電子銃研究会 3Waseda Univ. Washio Lab.

1. 早稲田大学におけるプロジェクト

高品質電子ビーム

フォトカソードRF電子銃システムBNL type S-band RF-gun

パルスラジオリシスシステムの開発

“水の窓”軟X線源の開発

放射線化学反応の初期過程の解明

生きた細胞が観察可能な生体顕微鏡の開発

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2. 早稲田大学RF電子銃システム

高周波源

10 MW S-band KlystronThomson TV2019B6

Pulse ModulatorNissin Electric Co. Ltd

Pulrise V SHI. Ltd BNL type 1.6cell Cu cathode

レーザーによるビームの時間構造制御→コンパクト性（ビームライン全長約2m）

レーザーシステム

1mJ/pulseEnergy

~25HzRR

1047nmWavelength

10ps(FWHM)Pulse length

3πmm・mrad~Emittance

~1nCCharge

~4.6MeVEnergy

10ps~(FWHM)Bunch length

フォトカソードRF電子銃

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3. 高品質電子ビームを用いた応用実験

パルスラジオリシスシステムの開発

放射線化学反応の初期過程の解明

“水の窓”軟X線源の開発

生きた細胞が観察可能な生体顕微鏡の開発

高品質電子ビーム

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3.1. パルスラジオリシスシステムの構築

早稲田大学のパルスラジオリシスシステム

他の研究施設に比べてコンパクトピコ秒オーダーでの測定が可能

物質にパルス放射線を照射して生成した短寿命中間活性種の時間挙動を観察し、放射線化学反応の初期過程を解明する方法

放射線誘起による初期反応過程の本質の解明ナノテク・半導体分野等、産業応用のための基礎研究

パルスラジオリシス

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3.1. パルスラジオリシスシステムの構築

励起源である電子ビーム(Pump光)を試料に照射して中間活性種を作り出し、そこへ分析光(Probe光)を入射させてその光の吸収から時間挙動を観測する方法。

分析

光の

強度

時間

Δt

ストロボスコピック法

中間活性種

電子ビーム

分析光

時間分解能が電子ビームと分析光の空間幅・時間幅によって決定される⇒ 計測器の性能に依存しない

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3.1. パルスラジオリシスシステムの構築

FLでアンプ

白色光生成

サンプルに照射

光学遅延

計測

IIlogO.D. 0

10=Ｉ0＝Reference光

Ｉ＝Probe光

早稲田大学のシステム

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3.1. パルスラジオリシスシステムの構築

23.5S/N比

約 14 時間測定時間

21 ps時間分解能

水和電子の過渡吸収測定 （システム評価）

128 ave.Signal測定

立ち上がり： 1 psベース： 5 ps

測定ステップ

32 ave. ×15 point白色相関測定

128 ave.BG測定

5Hz

RR

1.11mm1.12mm900pC

YX ChargeBeam size (FWHM)

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

-120 -80 -40 0 40 80 120

time [ps]

時間分解能

signal

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3. 高品質電子ビームを用いた応用実験

パルスラジオリシスシステムの開発

放射線化学反応の初期過程の解明

“水の窓”軟X線源の開発

生きた細胞が観察可能な生体顕微鏡の開発

高品質電子ビーム

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3.2. “水の窓”軟X線源の開発

逆コンプトンX線の特徴：

エネルギー可変

準単色

短パルス

コンパクトなシステム

逆コンプトン散乱によるX線生成

＠早稲田大学電子ビーム：~5MeVレーザー： 1047nm衝突角： 約20deg

“水の窓”軟X線約370eV (3.6nm)

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3.2. “水の窓”軟X線源の開発

水の窓領域軟X線(250～500eV)

水の窓におけるX線吸収係数

水 << 細胞の主要構成元素(C, N)

脱水不要＋スライス、重金属着色不要

生きたまま細胞観察が可能な軟X線生体顕微鏡の開発へ

370eV

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3.2. “水の窓”軟X線源の開発

軟X線生成システム

Bend部と衝突chamberが一体化

3-pass amp.によるIR増強

内部IRミラーによる衝突角調整

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3.2. “水の窓”軟X線源の開発

生成軟X線

生成システムの改良によって大幅な収量増加とS/Nの改善に成功した。

3.28×1043121231120362006

6.87×103301.4100102005Generated PhotonDetected PhotonS/NX-ray [mV]IR [mJ]

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3.2. “水の窓”軟X線源の開発

生成X線を用いてビームとレーザーのinteractionを詳細に観察することが可能になった。

電子ビームとレーザーのInteraction

①レーザーの衝突位置を変化させ、生成X線量の変化から電子ビームサイズを測定

horizontal 250µm vertical 56µm

③ 長時間生成

12時間の長時間生成に成功

（調整なし）

＜今後の課題＞・ レーザーパワーの安定化・ RF位相の安定化

② ルミノシティの衝突角依存性

衝突chamber内のミラーで衝突角を変化させて生成X線の変動を観測

Ne・・・電子数Nl・・・レーザー光子数ψ・・・衝突角σ・・・ビームサイズ(RMS)

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4. 現在までの成果と課題

“水の窓”軟X線源の開発

水の窓軟X線の生成及びS/Nの改善に成功

収量増加と２次元分布測定が今後の課題

パルスラジオリシスシステムの開発

ピコ秒パルスラジオリシスシステム構築に成功

S/Nの改善と他の試料での測定が今後の課題

Cs2Teカソードを備えた改良型電子銃空胴の導入

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5. 今後の展望

パルスラジオリシス実験におけるS/Nの大幅な改善

電子ビームのマルチバンチ化が可能に

→マルチパルス軟X線源の開発へ

Cs2Teカソードを備えた改良型電子銃空胴の導入

Reference：

坂上和之「レーザーコンプトン散乱小型X 線源のための衝突用レーザーシステムの開発」

村田亜希「早稲田大学Cs2Te カソードRF 電子銃の現状」

第5回 高周波電子銃研究会 18Waseda Univ. Washio Lab.

6. まとめ

早稲田大学ではフォトカソードRF電子銃で生成した高品質電子ビームを用いて、パルスラジオリシスシステムの構築と、水の窓軟X線源の開発を行っている。

今年度導入されたCs2Teカソードを備えた改良型電子銃空胴を用いることで、各応用実験の幅が広がることが期待される。

現在、改良型電子銃空胴を用いた応用実験をスタートさせたところである。

第5回 高周波電子銃研究会 19Waseda Univ. Washio Lab.

ご清聴ありがとうございました

第5回 高周波電子銃研究会 20Waseda Univ. Washio Lab.

参考： パルスラジオリシス測定手順

④Delay stageを動かす

IR-off UV-onで

放射線ノイズを測定IR-off UV-offでRFノイズを測定

①BG測定

IR-on UV-offでProbe光とReference光を測定

②白色相関測定

IR-on UV-onでProbe光とReference光を測定

③Signal測定

①に戻る

良い

悪い

②をやり直す

相関係数・傾き・切片を算出

①・②をもとにO.D.を算出

第5回 高周波電子銃研究会 21Waseda Univ. Washio Lab.

参考：白色光（Probe光）

photonic multi-channel analyzer (Hamamatsu Photonics)を用いた白色光のスペクトル観察（セル長30mm）

第5回 高周波電子銃研究会 22Waseda Univ. Washio Lab.

参考： 3-pass amp.

第5回 高周波電子銃研究会 23Waseda Univ. Washio Lab.

参考： 新旧衝突chamber

3.28×1043121231120362006

6.87×103301.4100102005Generated PhotonDetected PhotonS/NX-ray [mV]IR [mJ]

第5回 高周波電子銃研究会 24Waseda Univ. Washio Lab.

参考： X線収量とレーザーサイズ

X-ray signal is correlated with IR laser size at the collision point.

σHl=σVl=42µm at focal point