JPH06326423A - サイクロバンチング・コヒーレント放射光の発生方法およびその装置 - Google Patents
サイクロバンチング・コヒーレント放射光の発生方法およびその装置Info
- Publication number
- JPH06326423A JPH06326423A JP14712193A JP14712193A JPH06326423A JP H06326423 A JPH06326423 A JP H06326423A JP 14712193 A JP14712193 A JP 14712193A JP 14712193 A JP14712193 A JP 14712193A JP H06326423 A JPH06326423 A JP H06326423A
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- Japan
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- magnetic field
- bunching
- radiation
- electrons
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Abstract
(57)【要約】
［目的］ ミリ波からエックス線領域にかけてコヒーレ
ントで偏光した高輝度放射光の発生を大型加速器ならび
に電子ビーム蓄積リング無しで可能ならしめる。 ［構成］ 加速した電子ビームをソレノイド磁場の軸
に斜交して導入し、同磁場中に装着したサイクロトロン
共鳴高周波空洞により、電子のサイクロトロン旋回に共
鳴をおこさせて、旋回位相バンチングを誘発した上で、
ソレノイド磁場外にバンチング電子を超短パルスビーム
として取り出し、シンクロトロン放射光発生用ウィグラ
ー若しくはアンジュレーター或いは遷移放射光発生用薄
膜を通過させて、サイクロバンチング・コヒーレント放
射光を発生する装置。
ントで偏光した高輝度放射光の発生を大型加速器ならび
に電子ビーム蓄積リング無しで可能ならしめる。 ［構成］ 加速した電子ビームをソレノイド磁場の軸
に斜交して導入し、同磁場中に装着したサイクロトロン
共鳴高周波空洞により、電子のサイクロトロン旋回に共
鳴をおこさせて、旋回位相バンチングを誘発した上で、
ソレノイド磁場外にバンチング電子を超短パルスビーム
として取り出し、シンクロトロン放射光発生用ウィグラ
ー若しくはアンジュレーター或いは遷移放射光発生用薄
膜を通過させて、サイクロバンチング・コヒーレント放
射光を発生する装置。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はミリ波からエックス線領
域までのサイクロバンチング・コヒーレント放射光を発
生させる方法および装置に関する。
域までのサイクロバンチング・コヒーレント放射光を発
生させる方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】シンクロトロン放射光がＸ線や真空紫外
光のような短波長領域のみならず、遠赤外線の長波長領
域においても有用であることはよく知られているが、長
波長領域のスペクトル強度が波長の４／３乗で減少する
ため強度が弱いという実用上の難点がある。一方、シン
クロトロン放射光および自由電子レーザーは大型加速器
や電子蓄積リングを必要とするので放射光科学技術の普
及に地域的制約を伴っている。
光のような短波長領域のみならず、遠赤外線の長波長領
域においても有用であることはよく知られているが、長
波長領域のスペクトル強度が波長の４／３乗で減少する
ため強度が弱いという実用上の難点がある。一方、シン
クロトロン放射光および自由電子レーザーは大型加速器
や電子蓄積リングを必要とするので放射光科学技術の普
及に地域的制約を伴っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、従来の技術ではミリ波からエックス線領域にわた
る広域の高輝度放射光が得られ難い点、および放射光源
が大型施設であるが故に、放射光科学技術の社会的普及
に大きな障害となつている点である。
点は、従来の技術ではミリ波からエックス線領域にわた
る広域の高輝度放射光が得られ難い点、および放射光源
が大型施設であるが故に、放射光科学技術の社会的普及
に大きな障害となつている点である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、加速した電子
エネルギーの一部をソレノイド磁場中の旋回エネルギー
に変え、旋回運動における相対論効果によって生ずる旋
回位相バンチングを利用して、超短パルスのバンチング
電子ビームを発生させた上で、これを放射光発生用磁石
又は薄膜に導き、進行方向のバンチング電子の空間的広
がりと同程度の波長のコヒーレント放射光を、従来の方
法では得られない強度で発生させることを特徴とする。
すなわち従来の放射光リング或いは自由電子レーザー
が、電子ビーム蓄積リング内にウィグラー、アンジュレ
ーター、レーザー投射等の放射光又はレーザー発生機器
に加えて、補助加速を含めた膨大な電子ビーム制御機器
を組み込んだ、いわばコンバイン方式であるのに対し、
本発明では蓄積リングを全く必要とせず、加速、バンチ
ング、放射光発生の夫々の独立機器を接続した完全なる
機能分離（セパレート・ファンクション）方式であるこ
とを特徴とする。しかし本発明が加速器、蓄積リングに
も適用できるのは言うまでもない。
エネルギーの一部をソレノイド磁場中の旋回エネルギー
に変え、旋回運動における相対論効果によって生ずる旋
回位相バンチングを利用して、超短パルスのバンチング
電子ビームを発生させた上で、これを放射光発生用磁石
又は薄膜に導き、進行方向のバンチング電子の空間的広
がりと同程度の波長のコヒーレント放射光を、従来の方
法では得られない強度で発生させることを特徴とする。
すなわち従来の放射光リング或いは自由電子レーザー
が、電子ビーム蓄積リング内にウィグラー、アンジュレ
ーター、レーザー投射等の放射光又はレーザー発生機器
に加えて、補助加速を含めた膨大な電子ビーム制御機器
を組み込んだ、いわばコンバイン方式であるのに対し、
本発明では蓄積リングを全く必要とせず、加速、バンチ
ング、放射光発生の夫々の独立機器を接続した完全なる
機能分離（セパレート・ファンクション）方式であるこ
とを特徴とする。しかし本発明が加速器、蓄積リングに
も適用できるのは言うまでもない。
【０００５】
【実施例】図面は、本発明を実施するためのコンパクト
なサイクロバンチング・コヒーレント放射光発生装置の
概念的配置図であって、電子源１を内蔵した加速エネル
ギー０．５（ＭｅＶ）（ＭｅＶ：メガ電子ボルト）の電
子ビーム発生器２、加速電子ビーム３、旋回エネルギー
調整磁石４、ソレノイドコイル５、サイクロトロン共鳴
高周波空洞６、ビーム方向調整磁石７、遷移放射光発生
用薄膜８、コヒーレント放射光９、電子コレクター１
０、高電圧発生器１１、バイアス調整抵抗１２の各要素
で構成されている。
なサイクロバンチング・コヒーレント放射光発生装置の
概念的配置図であって、電子源１を内蔵した加速エネル
ギー０．５（ＭｅＶ）（ＭｅＶ：メガ電子ボルト）の電
子ビーム発生器２、加速電子ビーム３、旋回エネルギー
調整磁石４、ソレノイドコイル５、サイクロトロン共鳴
高周波空洞６、ビーム方向調整磁石７、遷移放射光発生
用薄膜８、コヒーレント放射光９、電子コレクター１
０、高電圧発生器１１、バイアス調整抵抗１２の各要素
で構成されている。
【０００６】しかして電子ビーム発生器２から出た電子
ビーム３は旋回エネルギー調整磁石４を経て、ソレノイ
ドコイル５の磁場中にコイル軸に斜交して導入され、旋
回運動エネルギー（γ１−１）ｍ０ｃ２で螺旋状の軌跡
を描きつつ高周波空洞６の中を通過して行く。ここにγ
１は旋回の相対論的エネルギー因子でγ１ｍ０ｃ２は旋
回運動エネルギーと静止質量エネルギーｍ０ｃ２＝０．
５１１ＭｅＶの和である。ｍ０は電子質量、ｃは光速で
ある。
ビーム３は旋回エネルギー調整磁石４を経て、ソレノイ
ドコイル５の磁場中にコイル軸に斜交して導入され、旋
回運動エネルギー（γ１−１）ｍ０ｃ２で螺旋状の軌跡
を描きつつ高周波空洞６の中を通過して行く。ここにγ
１は旋回の相対論的エネルギー因子でγ１ｍ０ｃ２は旋
回運動エネルギーと静止質量エネルギーｍ０ｃ２＝０．
５１１ＭｅＶの和である。ｍ０は電子質量、ｃは光速で
ある。
【０００７】軸長Ｌの高周波空洞６の中をコイル軸方向
速度β１１ｃで飛行する電子は空洞内の電場周波数の安
定度が正常である限り、ｔ＝Ｌ／β１１ｃの時間内は高
周波電場と共鳴する旋回運動を続ける。共鳴周波数（ω
ｒｆ／２π）は相対論的ドップラー効果によつて
速度β１１ｃで飛行する電子は空洞内の電場周波数の安
定度が正常である限り、ｔ＝Ｌ／β１１ｃの時間内は高
周波電場と共鳴する旋回運動を続ける。共鳴周波数（ω
ｒｆ／２π）は相対論的ドップラー効果によつて
【数１】 ωｃ ＊≡ｅＢ０／ｍ０ ，γ１１≡（１−β１１ ２）
−１／２ となる。（ωｃ ＊／２π）は粒子静止系におけるサイク
ロトロン周波数であり、Ｂ０はソレノイド磁束密度であ
る。又βｒｆｃは高周波電場のソレノイド磁場の軸方向
の伝播速度でβ１１と同方向のとき正としている。実用
上、この高周波は進行波である必要はなく、定常波でも
差し支えない。時間ｔの飛行中に、サイクロトロン・メ
ーザーの発生機構である旋回運動の相対論効果のため、
電子の旋回位相は電場位相に収斂して行き、その旋回位
相幅は３６０°／ａに圧縮される。ここにａはバンチン
グ係数と名付られる係数で
−１／２ となる。（ωｃ ＊／２π）は粒子静止系におけるサイク
ロトロン周波数であり、Ｂ０はソレノイド磁束密度であ
る。又βｒｆｃは高周波電場のソレノイド磁場の軸方向
の伝播速度でβ１１と同方向のとき正としている。実用
上、この高周波は進行波である必要はなく、定常波でも
差し支えない。時間ｔの飛行中に、サイクロトロン・メ
ーザーの発生機構である旋回運動の相対論効果のため、
電子の旋回位相は電場位相に収斂して行き、その旋回位
相幅は３６０°／ａに圧縮される。ここにａはバンチン
グ係数と名付られる係数で
【数２】 であたえられる。したがって、電子ビームは空間的にバ
ンチし、ソレノイドコイル５および高周波空洞６から成
るバンチ系の通過後は
ンチし、ソレノイドコイル５および高周波空洞６から成
るバンチ系の通過後は
【数３】 の長さにバンチしている。ここにβｃは加速エネルギー
０．５ＭｅＶつまりγ＝２に相当する電子速度でβ≡
（１−γ−２）１／２＝０．８７である。今旋回エネル
ギーを０．３０ＭｅＶ、すなわちγ１＝１．６にしたと
すれば、γ１１＝１．４，β１１＝０．７０となる。さ
らにＬ＝２．０（ｍ），ωｃ ＊／２π＝３．１７（ＧＨ
ｚ）、（ＧＨｚ：ギガヘルツ）の場合を考えると（２）
式よりａ＝３４０となり、（３）式からｌ＝１９０（μ
ｍ）の長さに電子がバンチしていることが推定される。
経験上、このような場合
０．５ＭｅＶつまりγ＝２に相当する電子速度でβ≡
（１−γ−２）１／２＝０．８７である。今旋回エネル
ギーを０．３０ＭｅＶ、すなわちγ１＝１．６にしたと
すれば、γ１１＝１．４，β１１＝０．７０となる。さ
らにＬ＝２．０（ｍ），ωｃ ＊／２π＝３．１７（ＧＨ
ｚ）、（ＧＨｚ：ギガヘルツ）の場合を考えると（２）
式よりａ＝３４０となり、（３）式からｌ＝１９０（μ
ｍ）の長さに電子がバンチしていることが推定される。
経験上、このような場合
【数４】 の範囲の波長λの領域で高輝度コヒーレント放射光が得
られる。本実施例ではλ
られる。本実施例ではλ
【０００８】バンチング電子集団の１パルス中の数Ｎは
加速電流Ｉ（Ａ）について
加速電流Ｉ（Ａ）について
【数５】 で与えられる。ｅは電子電荷である。Ｉ＝１（Ａ）の場
合、本実施例では
合、本実施例では
【０００９】通常の放射光強度は電子電流Ｉに比例する
のでＮにも比例しているが、本発明 コヒーレント放射光強度のＮ＝４．５×１０９倍もの強
力なコヒーレント放射光が発生するのである。この増倍
率Ｎの大きさは、本実施例の低電子エネルギー０．５Ｍ
ｅＶにおけるインコヒーレント放射光強度の弱さを補っ
てなお余りあるものがある。
のでＮにも比例しているが、本発明 コヒーレント放射光強度のＮ＝４．５×１０９倍もの強
力なコヒーレント放射光が発生するのである。この増倍
率Ｎの大きさは、本実施例の低電子エネルギー０．５Ｍ
ｅＶにおけるインコヒーレント放射光強度の弱さを補っ
てなお余りあるものがある。
【０００１０】本発明では高電圧発生器１１の負荷は図
から理解されるように、電子源１から引き出される電流
Ｉとコレクター１０に流入するコレクター電流Ｉ′との
差（Ｉ−Ｉ′）となっている。経験上、（Ｉ−Ｉ′）は
Ｉの１０−４倍程度に抑えることが出来るので、本発明
では極く電流容量の小さい高電圧発生器で充分である。
さらに（１）式の共鳴条件を僅かずらせばバンチング電
子の加速も出来るので、原理的にはＩ−Ｉ′＝０ ある
いはＩ−Ｉ′＜０とするのも自在である。
から理解されるように、電子源１から引き出される電流
Ｉとコレクター１０に流入するコレクター電流Ｉ′との
差（Ｉ−Ｉ′）となっている。経験上、（Ｉ−Ｉ′）は
Ｉの１０−４倍程度に抑えることが出来るので、本発明
では極く電流容量の小さい高電圧発生器で充分である。
さらに（１）式の共鳴条件を僅かずらせばバンチング電
子の加速も出来るので、原理的にはＩ−Ｉ′＝０ ある
いはＩ−Ｉ′＜０とするのも自在である。
【０００１１】本発明における電子流の経路は電子源１
から発してコヒーレント放射光発生の後、コレクター１
０に到達し、ここで外部結線を通じて再び電子源１に還
流している。この還流は通常の放射光電子蓄積リング内
の電子の還流とは本質的に異なっている。電子蓄積リン
グでは超高真空が必要不可欠である上に、放射光発生に
伴う電子ビームの品質劣化および自由電子レーザー発生
用反射鏡の効率等の問題が有るのに対し、本発明は此等
の点を全く問題としない。
から発してコヒーレント放射光発生の後、コレクター１
０に到達し、ここで外部結線を通じて再び電子源１に還
流している。この還流は通常の放射光電子蓄積リング内
の電子の還流とは本質的に異なっている。電子蓄積リン
グでは超高真空が必要不可欠である上に、放射光発生に
伴う電子ビームの品質劣化および自由電子レーザー発生
用反射鏡の効率等の問題が有るのに対し、本発明は此等
の点を全く問題としない。
【０００１２】本発明では（３）、（４）両式から明ら
かなように、コヒーレント放射光の波長λはサイクロト
ロン共鳴周波数（ωｃ ＊／２π）の二乗に反比例して短
くなる。したがって、本実施例よりも共鳴周波数を一桁
あげて５０（ＧＨｚ）とすれば（ 可視光が発生する。さらに市販されているジャイロトロ
ン発振器で得られる周波数１５０（ＧＨｚ）までサイク
ロトロン共振周波数（ω０ ＊／２π）をあげれば波長２
０（ｎｍ）のコヒーレント・エックス線すなわらエック
ス線レーザーの発生も可能である。なお、（３）式から
明らかなように周波数固定でも旋回エネルギー（γ１−
１）の調整で波長が大幅に変えられる。
かなように、コヒーレント放射光の波長λはサイクロト
ロン共鳴周波数（ωｃ ＊／２π）の二乗に反比例して短
くなる。したがって、本実施例よりも共鳴周波数を一桁
あげて５０（ＧＨｚ）とすれば（ 可視光が発生する。さらに市販されているジャイロトロ
ン発振器で得られる周波数１５０（ＧＨｚ）までサイク
ロトロン共振周波数（ω０ ＊／２π）をあげれば波長２
０（ｎｍ）のコヒーレント・エックス線すなわらエック
ス線レーザーの発生も可能である。なお、（３）式から
明らかなように周波数固定でも旋回エネルギー（γ１−
１）の調整で波長が大幅に変えられる。
【０００１３】本発明は遷移放射光の光輝度化に特段の
効果がある。遷移放射光のコヒーレンシーと単色性の向
上をはかる目的で放射光発生のため、金属あるいは屈折
率を異にする薄膜を多重組み合わせ構造とした積層薄膜
を使用するのは特に有効である。
効果がある。遷移放射光のコヒーレンシーと単色性の向
上をはかる目的で放射光発生のため、金属あるいは屈折
率を異にする薄膜を多重組み合わせ構造とした積層薄膜
を使用するのは特に有効である。
【０００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、従来の
放射光施設や自由電子レーザー施設では欠くことの出来
ない加速器および電子ビーム蓄積リングは不要で中型又
は大型電子顕微鏡程度の規模の簡便な機器と著しく単純
な運転操作で、ミリ波からエックス線領域にかけての光
輝度コヒーレント放射光の発生を可能とする。本発明に
よる設備、運転経費および運転体制上の省資源、省エネ
ルギー或いは省力の効果は計り知れないものがあり、世
界の放射光科学技術の動向を大きく変えるものである。
放射光施設や自由電子レーザー施設では欠くことの出来
ない加速器および電子ビーム蓄積リングは不要で中型又
は大型電子顕微鏡程度の規模の簡便な機器と著しく単純
な運転操作で、ミリ波からエックス線領域にかけての光
輝度コヒーレント放射光の発生を可能とする。本発明に
よる設備、運転経費および運転体制上の省資源、省エネ
ルギー或いは省力の効果は計り知れないものがあり、世
界の放射光科学技術の動向を大きく変えるものである。
【図１】本発明の一実施例としてのコンパクトなサイク
ロバンチング・コヒーレント放射光発生装置の概念的配
置図である。
ロバンチング・コヒーレント放射光発生装置の概念的配
置図である。
１ 電子源 ２ 電子ビーム発生器 ３ 加速電子ビーム ４ 旋回エネルギー調整磁石 ５ ソレソイドコイル ６ サイクロトロン共鳴高周波空洞 ７ ビーム方向調整磁石 ８ 遷移放射光発生用薄膜 ９ コヒーレント放射光 １０ 電子コレクター １１ 高電圧発生器 １２ バイアス調整抵抗
Claims (2)
- 【請求項１】加速した電子ビームをソレノイド磁場の軸
に斜交して導入し、同磁場中に装着したサイクロトロン
共鳴高周波空洞により電子のサイクロトロン旋回に共鳴
をおこさせて旋回位相バンチングを誘発した上で、ソレ
ノイド磁場外にバンチング電子を超短パルスビームとし
て取り出し、シンクロトロン放射光発生用ウィーグラー
若しくはアンジュレーター或いは遷移放射光発生用薄膜
を通過させてサイクロバンチング・コヒーレント放射光
を発生させる方法。 - 【請求項２】加速した電子ビームをソレノイド磁場の軸
に斜交して導入し、同磁場中に装着したサイクロトロン
共鳴高周波空洞により電子のサイクロトロン旋回に共鳴
をおこさせて旋回位相バンチングを誘発した上で、ソレ
ノイド磁場外にバンチング電子を超短パルスビームとし
て取り出し、シンクロトロン放射光発生用ウィーグラー
若しくはアンジュレーター或いは遷移放射光発生用薄膜
を通過させてサイクロバンチング・コヒーレント放射光
を発生させる装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14712193A JPH06326423A (ja) | 1993-05-14 | 1993-05-14 | サイクロバンチング・コヒーレント放射光の発生方法およびその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14712193A JPH06326423A (ja) | 1993-05-14 | 1993-05-14 | サイクロバンチング・コヒーレント放射光の発生方法およびその装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06326423A true JPH06326423A (ja) | 1994-11-25 |
Family
ID=15423017
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14712193A Pending JPH06326423A (ja) | 1993-05-14 | 1993-05-14 | サイクロバンチング・コヒーレント放射光の発生方法およびその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06326423A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0722715A (ja) * | 1993-06-29 | 1995-01-24 | Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho | 自由電子レーザー発振方法及び装置 |
| EP0720178A1 (en) * | 1994-12-28 | 1996-07-03 | Research Development Corporation Of Japan | Coherent particle beam |
| EP0790686A3 (en) * | 1996-02-19 | 1999-03-31 | Japan Science and Technology Corporation | Method and apparatus for generating super hard laser radiation |
-
1993
- 1993-05-14 JP JP14712193A patent/JPH06326423A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0722715A (ja) * | 1993-06-29 | 1995-01-24 | Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho | 自由電子レーザー発振方法及び装置 |
| EP0720178A1 (en) * | 1994-12-28 | 1996-07-03 | Research Development Corporation Of Japan | Coherent particle beam |
| EP0790686A3 (en) * | 1996-02-19 | 1999-03-31 | Japan Science and Technology Corporation | Method and apparatus for generating super hard laser radiation |
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