[論文レビュー] An inverse free electron laser acceleration-driven Compton scattering X-ray source

I. Gadjev, Nicholas Sudar+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2017

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、逆自由電子レーザー（IFEL）加速と逆コンプトン散乱（ICS）を用いた、コンpactですべて光技術に依存するX線源を実証した。1テラワットクラスのCO2レーザーが二つに分かれており、一方はIFELにより電子を84 MeVまで加速し、他方は光的ウンドゥレーターとして機能し、ICSにより最大13 keVのX線を生成する。これは、テーブルトップシステムでコンpactで高輝度で位相ロックされたX線パルスを生成する可能性を実証した。

ABSTRACT

The generation of X-rays and γ-rays based on synchrotron radiation from free electrons, emitted in magnet arrays such as undulators, forms the basis of much of modern X-ray science. This approach has the drawback of requiring very high energy, up to the multi-GeV-scale, electron beams, to obtain the required photon energy. Due to the limit in accelerating gradients in conventional particle accelerators, reaching high energy typically demands use of instruments exceeding 100's of meters in length. Compact, less costly, monochromatic X-ray sources based on very high field acceleration and very short period undulators, however, may revolutionize diverse advanced X-ray applications ranging from novel X-ray therapy techniques to active interrogation of sensitive materials, by making them accessible in cost and size. Such compactness may be obtained by an all-optical approach, which employs a laser-driven high gradient accelerator based on inverse free electron laser (IFEL), followed by a collision point for inverse Compton scattering (ICS), a scheme where a laser is used to provide undulator fields. We present an experimental proof-of-principle of this approach, where a TW-class CO2 laser pulse is split in two, with half used to accelerate a high quality electron beam up to 84 MeV through the IFEL interaction, and the other half acts as an electromagnetic undulator to generate up to 13 keV X-rays via ICS. These results demonstrate the feasibility of this scheme, which can be joined with other techniques such as laser recirculation to yield very compact, high brilliance photon sources, extending from the keV to MeV scale. Furthermore, use of the IFEL acceleration with the ICS interaction produces a train of very high intensity X-ray pulses, thus also permitting a unique tool that can be phase-locked to a laser pulse in frontier pump-probe experimental scenarios.

研究の動機と目的

• 大規模な1GeVを超える加速器や大規模インfraを必要としない、コンpactで費用対効果に優れたX線源の開発を目的とする。
• 高エネルギー電子ビームと長い加速構造を必要とする従来の同期放射源の制限を克服することを目的とする。
• すべて光技術を用いたテーブルトップX線源の実証を目的とし、モノクローマチックで高輝度のX線への広範なアクセスを可能とすることを目的とする。
• レーザー駆動源と位相ロックされたX線パルスを実現し、先進的なポンプ・プローブ実験を可能とすることを目的とする。
• IFEL加速とICSを1つの統合的光技術プラットフォームで組み合わせる可能性の検証を目的とする。

提案手法

• 1テラワットクラスのCO2レーザーパルスが二つのビームに分岐され、一方が逆自由電子レーザー（IFEL）を駆動し、電子を84 MeVまで加速する。
• IFEL相互作用では周期的構造が用いられ、レーザーの電磁界により電子エネルギーを変調し、高勾配加速を実現する。
• 二番目のレーザービームがトラベルィングウェーブ光的ウンドゥレーターとして機能し、逆コンプトン散乱（ICS）に必要な周期的磁場を提供する。
• IFELで加速された電子が、光的ウンドゥレーターのビームと正面衝突することで、最大13 keVのX線がICSにより生成される。
• 将来のレーザー再循環の統合を想定し、光子出力と輝度を向上させる設計がなされている。
• 全システムが1つの光技術プラットフォーム上に構築されており、電子ビームとX線パルスの間で位相ロックされた同期が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RF加速器を用いずに、IFEL加速とICSを組み合わせたコンpactですべて光技術に依存するX線源を実現可能か？
• RQ2 このIFEL-ICS方式を用いたテーブルトップシステムで、得られる最大のX線光子エネルギーは何か？
• RQ3 ポンプ・プローブ実験に適した、駆動レーザーと位相ロックされたX線パルスを生成可能か？
• RQ4 この構成でkeVスケールのX線をICSにより生成するには、どの程度の電子ビーム品質とエネルギーが必要か？
• RQ5 レーザー再循環などの追加技術を用いることで、この手法をより高い光子エネルギー（例：MeV領域）にスケーリング可能か？

主な発見

• 1テラワットクラスのCO2レーザーを用いて、逆自由電子レーザー（IFEL）機構により電子を84 MeVまで加速することに成功した。
• 二番目のレーザービームを光的ウンドゥレーターとして用い、逆コンプトン散乱（ICS）により最大13 keVのX線を生成した。
• X線パルスは駆動レーザーと位相ロックされており、ポンプ・プローブ実験における正確な同期が可能であることを示した。
• 大規模な従来型加速器を回避するコンpactですべて光技術に依存するX線源のプロトタイプ実証に成功した。
• この手法を、レーザー再循環などの技術を用いてより高い光子エネルギーへスケーリング可能であることを実証した。
• 高強度のX線パルス列が生成され、材料科学および超高速物理学分野における時間分解研究に適している。