電子ビームの時間幅「1,000兆分の1秒」の評価法を開発

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X線の強度干渉現象を利用して時間分解能の限界を突破

2018/08/31 理化学研究所,高輝度光科学研究センター,東京大学

理化学研究所(理研)放射光科学研究センターの井上伊知郎基礎科学特別研究員と矢橋牧名グループディレクターらの共同研究グループは、「X線強度干渉法[1]」の原理に基づき、光速近くまで加速された電子ビームの時間幅の計測法を開発しました。この計測法を利用することで、X線自由電子レーザー(XFEL)[2]施設「SACLA[3]」において、10フェムト秒(fs、1fsは1,000兆分の1秒)を超える超時間高分解能で電子ビームの時間幅を計測することに成功しました。

今回の計測技術と電子加速技術によって現在よりも電子ビームを短くすることで、より時間幅の短いアト秒(100京分の1秒)領域のパルス幅のXFELの実現につながると期待できます。

XFELはX線領域において初めて実現されたレーザーです。ユニークな特徴の1つは、時間幅がフェムト秒(1000兆分の1秒)と非常に短いことです。この短い時間幅を生かし、化学反応過程の解明や放射線損傷なしのX線構造解析などの研究が行われています。XFELを発振させる電子ビームの時間幅を制御できるようになると、XFELの発光時間の幅(パルス幅)を実験の目的に応じて柔軟に変えることができますが、現在の電子ビーム診断技術では電子ビームの時間幅を10fs以下の精度で測定することは困難でした。今回、共同研究グループは、電子ビームから放射されたX線を分光光学素子[4]によって単色度[5]を変化させながら強度干渉現象[1]の程度を計測することで、電子ビームの時間プロファイルを計測できることを理論的に示しました。また、実際にこの計測法をSACLAに応用した結果、その電子ビームの時間プロファイルが半値全幅7.3fsおよび45.8fsの二つのガウス関数(正規分布)の和として表されることが明らかになりました。

本研究は、米国の科学雑誌『Physical Review Accelerators and Beams』に掲載されるのに先立ち、オンライン版(8月30日付け)に掲載されました。

※共同研究グループ

理化学研究所
放射光科学研究センター
XFEL研究開発部門 ビームライン研究開発グループ ビームライン開発チーム
基礎科学特別研究員 井上 伊知郎(いのうえ いちろう)
XFEL研究開発部門 ビームライン研究開発グループ
グループディレクター 矢橋 牧名(やばし まきな)
XFEL研究開発部門
部門長 田中 均(たなか ひとし)
XFEL研究開発部門 加速器研究開発グループ 先端ビームチーム
チームリーダー 原 徹(はら とおる)
XFEL研究開発部門 加速器研究開発グループ 基盤光源チーム
チームリーダー 稲垣 隆宏(いながき たかひろ)

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