KEK小型電子加速器における小型X線源の開発 KEK 福田 将史 1
目的 医学利用のための小型高フラックスＸ線源の開発 例えば動的血管造影では ヨウ素(I)のKエッジ 33.169keV付近のエネルギーの X線を利用 XCOM: Photon Cross Section Database http://physics.nist.gov/physrefdata/xcom/text/xcom.html 高輝度Ｘ線源の最終レイアウト 小型蓄積リング e- beam X-ray (33keV) 2
X-ray Generation based on Inverse Compton Scattering レーザーコンプトン散乱を利用したＸ線源の開発をKEKで行って いる => LUCX(Laser Undulator Compact X-ray source) project. 43 MeV l = 1064 nm (1.17eV) Cavity Length: 420 mm Mirror Curvature radius: 250mm Finesse 1900 Enhancement factor ~ 780 3
KEK小型電子加速器 KEKアッセンブリーホールにビームラインを設け レーザー蓄積 装置を用いたX線源の開発を行っている Beam line e- beam Collision point UV: 3mJ/bunchsolenoid X-ray X-ray detector Bending magnet ComptonQ-magnet Q-magnet S-band accelerating tube (3m) Energy Intensity Number of Bunch Bunch spacing Rep. Rate Q-magnet Chicane RF Gun Cathode: Cs-Te 43 MeV 200nC/train 100 bunches/train 2.8ns 12.5 Hz 4
Beam line Collision point BPM Bending magnet Faraday cup solenoid BPM BPM ICT BPM PRMPRMQ-magnet Q-magnet S-band accelerating tube (3m) PRM Q-magnet Emittance measurement ICT PRM BPM Beam energy and energy spread measurement PRM Chicane RF Gun Cathode: Cs-Te e- beam ICT & Faraday cup: Beam current monitor BPM: Beam position monitor PRM: Beam Profile Monitor OTR target or Al2O3 (Cr3+ doped) 5
Photo cathode RF gun RF gun cavity (1.6cells) S-band 2856MHz Solenoid Cu UV laser (266nm) e- beam CsTe RF gun UV laser Mo Cathode plug RF Gun -7 真空度 4.0 10 Pa Q.E. : ~0.3% 6
RF system Dummy Load Dummy Load S-band 2856MHz Dummy Load 7
Laser system Pockels cell(kd*p): Pulse width 280ns (100bunches) Fourth Harmonic Generation: Two BBOs, Conversion efficiency ~ 25% (IR -> UV) 266nm Seed laser PC1 PC2 Typically 10uJ/pulse To gun TBP, 357MHz mode-locked pulse laser Nd:YVO4 (λ:1064 nm, FWHM:9 ps) Two amplifier heads (Continuum, rod: Nd:YAG) Double pass configuration Gain ~ 2000 8
ビーム調整 Collision point solenoid Bending magnet Q-magnet S-band accelerating tube (3m) Q-magnet Q-magnet Chicane RF Gun Cathode: Cs-Te e- beam 衝突点でなるべくビームサイズを小さく Solenoid の電流値などをスキャンしEmittanceが小さくなる値を選択 エネルギー広がりを小さく バンチ内のエネルギー広がりが最小になるようGunおよび加速管の RF phase を調整 100バンチ運転において Beam loadingによりバンチ毎のエネルギー差 が出る RF powerが満たされていく過渡期にビームを乗せることで補正 9
Emittance measurement Collision point QD1 Q-scan methodを使用 衝突点のサイズはOTRモニタで測定 QF1 CP1G σx: 86um σy: 36um Beam current : 2.5nC/train, 5bunches 10
Emittance Tuning Gun Phaseを変更 SET (0.18[T]) Normalized Emittance [mm mrad] Normalized Emittance [mm mrad] Solenoid電流を変更 SET 11
Beam loading P=15.05 V G V B V G V B e- beam [mm ] BPM ICT2 MS4G: Beam profile monitor MS4G (OTR) E大 0.9MeV/c E小 12
Beam loading Laser injection timing Beam Energy [MeV] Input RF pulse 黒線 ビームローディングなしの場合 青線 ビームローディングありの場合 100bunches (280ns) エネルギー差: 1% (3.7usのタイミングで入射の場合) Time [usec] 13
Beam loadingの補正 Momentum vs Laser injection timing(5bunches) (3) (3) (1) (2) 280ns (100 bunches) バンチ間の差 0.4MeV/c (2) set here (1) (1) (2) (3)とビームを乗せる タイミング変えて測定 14
X-ray generation 2007年5月にレーザー蓄積装置をインストールし ６月よりX線生成実験を 開始した Collision point UV: 3mJ/bunchsolenoid X-ray X-ray detector Bending magnet ComptonQ-magnet Q-magnet S-band accelerating tube (3m) Q-magnet Chicane RF Gun Cathode: Cs-Te パルスレーザー共振器用真空容器 15
X-ray generation 衝突角度は 20o を選択 正面衝突が理想だが ミラーにビームが当たってしまうため X線の最大エネルギーは 33 kev. 16
X-ray Detector 線形加速器の直下でX線シグナルを検出するため 加速器からのバック グラウンドが問題となる Collimeter, Bragg結晶を用いて 信号とバックグラウンドを分離 Rocking Curve 0.5 Count [khz] 加速器バックグラウンド 高エネルギー エネルギー広がり大 HOPG 0.6 0.4 0.3 0.2 0.1 0 3 4 5 6 7 8 9 Angle [deg] 17
X-ray generation Energy Intensity Beam size Pulse width Number of bunch Laser (in Cavity) = 1064 nm (1.17eV) 5.6mJ/bunch 1.5x1013 photons/bunch s = 89 mm 7ps e- beam 43 MeV 0.5nC/bunch 3.1x109/bunch sx, sy = 80mm, 40mm 10ps 100 bunches/train 期待されるX線数 全エネルギー は 3 x 103 photons/train このうちコリメータ(直径5mm)を通ってくるのは100photons/train 検出器の構成及びX線信号から期待されるシグナルとしては 0.03MeV*100Photons*0.15*0.24=0.11MeV (X線のエネルギー*期待光子数*Si Effciency@30keV*Reflectivity) 測定されたBGは0.67MeV/Trainなので S/N 1/7が期待される 18
X-ray generation 2007年6月までの運転では X線信号を検出することはできず その後は ATFでの床工事のため運転休止 X線は本当にコリメータを通ってきているのか ローテーティングレーザーを用いてアライメントは行ったが 実際のビームが飛んでくる位置を測定したい ポラロイドを用いてビーム位置を測定し これを基準にアライメント (衝突点のスクリーンを入れてその制動放射光を見る) タイミングが全くわからない(360 全てスキャンで丸2日かかる) BPMやPhotoDiodeなどでタイミングの測定を試みたがうまく行かず 電子ビームとレーザーの波形が違ってしまうのが問題点 19
X-ray generation UVレーザーを電子ビームのタイミングとして UVレーザーと衝突レーザーのタイミングを測定することを検討中 APDでUVレーザーとCavityのIRレーザーを測定し レーザーやビームの光路長から数百psくらいで タイミングを合わせたい APDで測定したUVとIRの波形 同じ様に見える IR UV 20
まとめと今後 ATFにおける床工事により6月下旬より運転を休止していたが 2007年11月下旬から運転再開した 現在は 50nC/trainでの運転を行っている 40MeV 0.5nC/bunch 100 bunches/train σp/p : 0.15% εx: 8 [π mm mrad] εy: 10 [π mm mrad] 衝突点での ビームサイズ σx : 80um σy : 40um バンチ間のエネルギー差 0.4 MeV (1%) (100バンチ運転) 2007年6月までの運転では X線信号を検出することはできず 今後 12月以降の運転で再びX線信号の検出を目指す 来年1月以降 衝突レーザーを増幅レーザー蓄積方式を利用した ものに改良する予定 21