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論文

Development of a multialkali photocathode preparation system

西森 信行; 羽島 良一; 永井 良治; 沢村 勝

Proceedings of 56th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs (ERL 2015) (Internet), p.100 - 102, 2015/12

We have developed a multialkali photocathode preparation system at JAEA for high current operation of DC photoemission gun. The system will be connected to a 250 kV-50 mA gun for beam generation test. The status of development will be presented.

論文

250kV大電流光陰極電子銃の開発

西森 信行; 永井 良治; 沢村 勝; 羽島 良一

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.508 - 510, 2015/09

次世代ERL放射光源のための光陰極開発、及びテラヘルツスミスパーセル放射光源開発のため、50mAビーム生成を目指した250kV光陰極電子銃の立ち上げを行っている。アルカリ光陰極準備システムを備えておりCs$$_{3}$$Sbカソードの成膜を行った。波長530nmのレーザーに対して0.3%の量子効率を達成している。光陰極準備システム開発の現状と、ビーム生成試験へ向けた電子銃本体の開発状況について発表する。

論文

コンパクトERL電子銃の現状とアップグレード計画

西森 信行; 永井 良治; 森 道昭; 羽島 良一; 山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 内山 隆司*; Jin, X.*; 帯名 崇*; et al.

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.511 - 515, 2015/09

コンパクトERLは2013年4月の運転開始以降、順調にコミッショニングを進めている。2014年度までに0.1mAのエネルギー回収試験を終え、レーザーコンプトンX線発生試験も行った。その間、cERL電子銃はトラブル無く、安定なビーム供給に貢献している。ただし、分割セラミック管の不具合のため、運転電圧が390kVに留まっている。2015年度は、セラミック管増設により500kV化を目指す。また、FELへの利用を視野に入れ、高電荷ビーム生成用電子銃駆動レーザーの開発にも着手している。本発表では、cERL電子銃運転の現状と、アップグレード計画について報告する。

論文

レーザー・コンプトン散乱による高輝度$$gamma$$線の実現とその利用

羽島 良一; 沢村 勝; 永井 良治; 西森 信行; 早川 岳人; 静間 俊行; Angell, C.

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.79 - 83, 2015/09

レーザー・コンプトン散乱で発生する$$gamma$$線は、エネルギー可変かつ狭帯域の特徴を有する。電子加速器とレーザーの先端技術を組み合わせることで、高輝度$$gamma$$線源を実現することができる。このような高輝度$$gamma$$線源は、核物質の非破壊測定をはじめとした産業利用、原子核物理の基礎研究に革新的な進歩をもたらすと期待されている。ヨーロッパでは、次世代$$gamma$$線源としてELI-NPの建設が始まっており、2018年の運転開始の予定である。われわれは、エネルギー回収型リニアック(ERL)を用いることで、ELI-NPを超える輝度、強度を持った$$gamma$$線源を提案しており、基盤技術の開発を行っている。本発表では、ERLに基づくレーザー・コンプトン散乱$$gamma$$線源の特徴、産業利用、学術利用の展開について述べる。

論文

ERL超伝導スポーク空洞製作の現状

沢村 勝; 羽島 良一; 西森 信行; 永井 良治; 岩下 芳久*; 頓宮 拓*; 久保 毅幸*; 佐伯 学行*

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.583 - 586, 2015/09

スポーク空洞の利点を生かせば、ERL加速器を小型化できる可能性が期待できるため、光・量子融合連携研究開発プログラム「小型加速器による小型高輝度X線源とイメージング基盤技術開発」における小型加速器の候補として超伝導スポーク空洞の開発を進めている。スポーク空洞は形状が複雑であるため、プレス加工工程を含めた金型設計や強度計算による補強検討等を行っているので、スポーク空洞製作の現状について報告する。

論文

Review of experimental results from high brightness DC guns; Highlights in FEL applications

西森 信行

Proceedings of 37th International Free Electron Laser Conference (FEL 2015) (Internet), p.269 - 273, 2015/09

Future energy recovery linac light sources and high repetition rate X-ray FELs require high-brightness and high-current electron guns capable of delivering an electron beam with an emittance lower than 1 mm-rad and currents up to 100 mA. A DC photoemission gun is one of the most promising candidates for such guns, because a record high current of 65 mA and generation of high brightness beam with 90% normalized emittances of 0.3 mm-mrad with bunch charge of 77 pC were recently demonstrated at the Cornell photo injector with a 350 kV photoemission gun. Further increase of the gun high voltage is desirable to reduce space charge induced emittance growth especially for high bunch charge application such as X-ray FEL. Employment of a segmented insulator is a key to reach higher voltage. This technique led to generation of 500 keV beam from the JAEA gun with 160 mm acceleration gap, conditioning voltage more than 500 kV at the Cornell gun with gap /lt 50 mm, and demonstration of 500 kV holding for 10 hours at the KEK gun with 70 mm gap. In this talk, we present recent experimental results of high brightness DC guns and discuss highlights and limitations in FEL applications.

論文

Diffraction of $$gamma$$-rays with energies of 1.17 and 1.33 MeV by a flat Si crystal

松葉 俊哉*; 早川 岳人; 静間 俊行; 西森 信行; 永井 良治; 沢村 勝; Angell, C.; 藤原 守; 羽島 良一

Japanese Journal of Applied Physics, 54(5), p.052203_1 - 052203_5, 2015/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:74.64(Physics, Applied)

Diffraction of $$gamma$$-rays by a flat Si crystal has been demonstrated using a high flux $$^{60}$$Co source with an intensity of 2.3 TBq. The diffraction intensities of the $$gamma$$-rays with energies of 1.17 and 1.33 MeV have been measured as a function of the rotation angle of the crystal. Three peaks corresponding to the Si(440) and Si(220) diffractions for 1.17 MeV and the Si(440) diffraction for 1.33 MeV have been measured. The heights and shapes of these three peaks are well reproduced by taking into account Bragg's law and the experimental geometry.

論文

High order harmonics from relativistic electron spikes

Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Faenov, A. Y.*; Pikuz, T. A.*; 河内 哲哉; 匂坂 明人; Koga, J. K.; 森 道昭; 川瀬 啓悟*; et al.

RAL-TR-2015-025, P. 22, 2015/00

We provide a description of experiments performed with the J-KAREN and Astra Gemini lasers where we discovered a new regime of relativistic high-order harmonic generation by multi-terawatt femtosecond lasers in gas targets. The results were explained using particle-in-cell simulations and catastrophe theory. Our work paves the way towards a bright coherent X-ray source based on compact lasers and accessible, repetitive, and debris-free gas jet targets. Such a source will be crucial for fundamental research and numerous applications requiring pumping, probing, imaging of microscopic objects and for attosecond science.

論文

Development of a high-brightness and high-current electron gun for high-flux $$gamma$$-ray generation

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 羽島 良一; 山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 内山 隆司*; 栗木 雅夫*

Nuclear Physics and $$gamma$$-ray sources for Nuclear Security and Nonproliferation, p.321 - 326, 2014/12

The quantification of fissile materials such as uranium-235 and plutonium-239 in spent fuel assemblies requires isotope-specific identification. We propose the use of nuclear resonance fluorescence (NRF) to identify the isotopic composition of sample materials nondestructively. The proposed nondestructive isotope identification system requires a high-intensity mono-energetic $$gamma$$-ray beam. Although a mono-energetic $$gamma$$-ray beam can be generated using a conventional laser Compton scattering technique, the generation of a high-intensity $$gamma$$-ray beam requires an electron beam of unprecedentedly high brightness, which can be generated with an advanced accelerator system known as the energy recovery linac (ERL). A technological challenge of the ERL system, which we have addressed, is the development of a high-brightness, high-current electron gun. Our current status of development and operational experience of our gun is presented.

論文

大電流電子源のための光陰極準備システムの開発

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 沢村 勝; 羽島 良一

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1031 - 1033, 2014/10

高輝度大電流光陰極電子源が注目を集めている。メガヘルツ繰り返しのX線自由電子レーザー(LCLS-II)、リソグラフィ用自由電子レーザー、核種分析用のコンプトン散乱$$gamma$$線源等、応用範囲が急速に広がりつつある。我々は光陰極直流電子源から世界初の500keV電子ビーム生成を達成することで高輝度化の目処を立てた。ガリウムヒ素光陰極を用いて1.8mAの 電流生成を達成しているが、さらなる大電流化や長寿命化の観点からは 光陰極表面の繊細さが不安視されている。そこで、我々は大電流化を目指しマルチアルカリ光陰極の開発に着手した。近年のコーネル大学などのデモンストレーションにより、大電流化の切り札として期待されている。本発表では、原子力機構における光陰極準備システムの開発状況、既存の50mA-250kV電子源と組み合わせた大電流試験計画について報告する。

論文

500kV直流光陰極電子銃の開発

西森 信行; 永井 良治; 山本 将博*

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.165 - 170, 2014/10

直流光陰極電子銃は、リニアコライダーの偏極電子源やエネルギー回収リニアック(ERL)の高輝度大電流電子源として国内外で20年以上に渡り開発されてきたが、運転電圧は350kV以下に留まっていた。我々は独自技術を用いて世界初となる500kVの安定印加、及び500keV電子ビーム生成に成功し、その後のコンパクトERLでの安定なビーム運転に貢献した。この電子銃には3つの主要開発技術がある。(1)光陰極には、偏極電子源開発に用いられてきた不電子親和力(NEA)表面を持つガリウムヒ素を選定した。(2)セラミック管については、独自のガードリング付分割型セラミック管を開発し、サポートロッドからの電界放出電子がセラミック管表面を直接叩かない構造とした。セラミック管表面のチャージアップによる放電や穴の開く事故を防ぎ、サポートロッド有の状態で500kVの安定印加に世界で初めて成功した。(3)ビーム生成用加速電極のインストール後、電圧印加中に電極の高電界部から暗電流が突然発生する未知の問題に悩まされた。陽極効果に着目し、加速ギャップ周囲への非蒸発型ゲッターポンプの配置とギャップ長の最適化により問題を解決した。

論文

ERL超伝導スポーク空洞開発の現状

沢村 勝; 永井 良治; 西森 信行; 羽島 良一; 岩下 芳久*; 藤澤 博*; 頓宮 拓*; 久保 毅幸*; 佐伯 学行*

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.618 - 620, 2014/10

スポーク空洞は、空洞間隔を短くできることや、マイクロフォニックスによる空洞周波数の変動も小さいこと、セル間のカップリングが強く電界分布調整が容易なことなどERL加速器として用いる場合に利点が大きい。光・量子融合連携研究開発プログラム「小型加速器による小型高輝度X線源とイメージング基盤技術開発」における小型加速器の候補として4Kで高電界加速運転可能な325MHz超伝導スポーク空洞の開発を進めている。これまで行ってきた空洞形状の最適化結果をもとに、空洞製作工程の検討を行っている。スポーク部分は形状が複雑であり、スプリングバック等による成型誤差等を考慮しながら金型設計を進めており、それらを含めスポーク空洞開発の現状について報告する。

論文

光陰極直流電子銃無塵化技術の開発

永井 良治; 沢村 勝; 西森 信行; 羽島 良一

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1016 - 1018, 2014/10

高輝度、単色の加速器技術を基盤とした光源を実現するには、電子銃の加速器表面電界の向上が必須の課題である。無塵化技術は高電界電子銃を実現する上で鍵となる技術である。そのために、我々は新しい手法の無塵化技術を提案した。本報告において、その技術の開発状況と予備試験の結果について報告する。

論文

High order harmonics from relativistic electron spikes

Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T. A.*; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.

New Journal of Physics (Internet), 16(9), p.093003_1 - 093003_30, 2014/09

 被引用回数:15 パーセンタイル:21.56(Physics, Multidisciplinary)

We present a detailed description of our discovery of a new regime of high-order harmonic generation, including experimental data, simulations, and description of new harmonic generation mechanism. The harmonics are generated by multi-terawatt relativistic-irradiance ($$>$$ 10$$^{18}$$ W/cm$$^2$$) femtosecond ($$approx$$ 30-50 fs) lasers focused to gas jet targets. According to our model, the harmonics are produced by sharp, structurally stable, oscillating electron spikes at the joint of boundaries of wake and bow waves excited by the laser pulse.

論文

Analysis on effects of transverse electric field in an injector cavity of compact-ERL at KEK

Hwang, J.-G.*; Kim, E.-S.*; 宮島 司*; 本田 洋介*; 原田 健太郎*; 島田 美帆*; 高井 良太*; 久米 達哉*; 長橋 進也*; 帯名 崇*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 753, p.97 - 104, 2014/07

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.51(Instruments & Instrumentation)

For a future synchrotron light source based on a linac, e.g. an X-ray free electron laser and an energy recovery linac (ERL), an injector is a key component to generate a high brightness electron beam. For the acceleration and transportation of the electron beam in the injector, the adjustment of beam orbit inside the cavity is important to avoid the deterioration of the beam quality due to the transverse electric field of it, which causes the transverse emittance growth. To adjust the beam orbit, an investigation of the electromagnetic center of the cavity is required in the beam operation. This paper shows a new method for measuring the electromagnetic center of the cavity, and describes an analytical model of emittance growth due to a combination of transverse electric field and orbit offset. The validation of the method was confirmed by the emittance measurement in the compact ERL (cERL) injector at KEK.

論文

光陰極直流電子銃から500keV-mA電子ビームの生成

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 羽島 良一; 山本 将博*; 宮島 司*; 本田 洋介*; 内山 隆司*; 飯島 北斗*; 栗木 雅夫*; et al.

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.174 - 178, 2014/06

次世代ERL放射光源の電子源に対する要求は、エミッタンス0.1$$sim$$1mm-mrad電流10$$sim$$100mAの電子ビーム生成である。この低エミッタンスビーム生成には、空間電荷力抑制のため、電子銃の出射ビームエネルギー500keV以上が要求される。500kV光陰極DC電子銃が提案されて20年、運転電圧は放電問題のため350kVに留まってきた。われわれは、高電圧化を目標に掲げて電子銃開発に取り組んだ。まずガードリング付き分割型セラミック管を採用し、サポートロッドからの電界放出電子に起因する放電問題を解決した。次に、電子銃真空容器と陰極間の放電により、容器面上の残留微細粉塵が帯電し、陰極に付着した後に暗電流源となる現象が問題となった。これを解決するため、陰極-陽極のギャップ間隔を最適化し、特に真空容器表面の電界を下げる改造を行った。これにより電子ビーム生成条件下での550kV印加に初めて成功した。500keV電子ビーム生成試験を行った。波長530nmDCレーザー光をGaAs光陰極に照射し電子ビームを生成した。レーザー径0.1mm$$sigma$$、パワー1.5W、GaAs量子効率0.28%で最大1.8mAのビーム生成に成功した。

論文

ERL超伝導スポーク空洞加速器の開発計画

沢村 勝; 永井 良治; 西森 信行; 羽島 良一

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.956 - 959, 2014/06

エネルギー回収型リニアック(ERL)とレーザーを組み合わせた核物質の非破壊核種分析検査システムを提案している。核保障措置及び核セキュリティのためのシステムを構築するには加速器を小さくすることが重要であり、コンパクト化に有利なスポーク空洞を検討してきた。スポーク空洞は空洞間隔を短くできることや、マイクロフォニックスによる空洞周波数の変動も小さいこと、セル間のカップリングが強く電界分布調整が容易なことなどERL加速器として用いる場合に利点が大きい。これまでMW-STUDIOを用いた空洞形状の最適化やHOMカップラーの計算など各コンポーネントの設計を行うとともに、アルミニウム製のスポークモデル空洞を用いてスポーク空洞の高周波特性の測定等を行ってきた。超伝導加速器を運転するには冷凍機が必要となるが、実用性を考慮して4Kヘリウムで運転可能な325MHzのスポーク空洞の開発を計画している。平成25年度からニオブを用いた3セルスポーク空洞試作機の製作に着手し、数年後の縦測定での性能試験を行う予定になっている。

論文

Application of laser Compton scattered $$gamma$$-ray beams to nondestructive detection and assay of nuclear material

羽島 良一; 早川 岳人; 静間 俊行; Angell, C.; 永井 良治; 西森 信行; 沢村 勝; 松葉 俊哉; 小菅 淳*; 森 道昭; et al.

European Physical Journal; Special Topics, 223(6), p.1229 - 1236, 2014/05

 被引用回数:9 パーセンタイル:55.89(Physics, Multidisciplinary)

Generation of energy-tunable $$gamma$$-rays via laser Compton scattering is of great interest for applications of MeV photons -which interact with nuclei- and scientific studies. One of the promising applications of such energy-tunable $$gamma$$-rays is the nondestructive detection and assay of nuclides, which are necessary for nuclear security and safeguards. We are developing technologies relevant to $$gamma$$-ray nondestructive detection and assay, which include a high-brightness $$gamma$$-ray source based on modern laser and accelerator technologies, and $$gamma$$-ray measurement methods optimized for highly radioactive samples.

論文

Experimental investigation of an optimum configuration for a high-voltage photoemission gun for operation at $$geq$$ 500 kV

西森 信行; 永井 良治; 松葉 俊哉; 羽島 良一; 山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 飯島 北斗*; 栗木 雅夫*; 桑原 真人*

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 17(5), p.053401_1 - 053401_17, 2014/05

 被引用回数:12 パーセンタイル:23.42(Physics, Nuclear)

We have demonstrated generation of a 500-keV electron beam from a high DC voltage photoemission gun for an energy recovery linac light source. This demonstration was achieved by addressing two discharge problems that lead to vacuum breakdown of the DC gun. One is field emission generated from a central stem electrode. The other is microdischarge at an anode electrode or a vacuum chamber, which is triggered by microparticle transfer or field emission from a cathode electrode. An experimental investigation has revealed that larger acceleration gap optimized to mainly reduce surface electric field of anode electrode results in suppression of the microdischarge events which accompany gas desorption. It has also been found that non evaporable getter pumps placed around the acceleration gap greatly help suppress those microdischarge events. The applied voltage as a function of the total gas desorption is shown to be a good measure to find the optimum DC gun configuration.

論文

New design of HOM coupler using coaxial-like rounded waveguide

沢村 勝; 羽島 良一; 永井 良治; 西森 信行

Proceedings of 16th International Conference on RF Superconductivity (SRF 2013) (Internet), p.1081 - 1084, 2014/02

超伝導加速器、特に大電流加速を行うエネルギー回収型リニアックにおいて高調波モードを減衰させることは重要である。HOMカップラー,ビームラインHOMダンパー,導波管型HOMカップラーなど様々な種類のものが開発されてきたが、HOMカップラーにおいては出力コネクターにおける内軸の発熱やビームラインHOMダンパーにおいてはパッキング係数が小さくなるという問題点がある。そこで我々は新しいタイプのHOMカップラーを提案する。このカップラーは空洞やビームラインに接続する同軸部分と加速周波数を遮断できる導波管を丸めた構造から成り立っている。丸めた導波管は同軸と同じような構造をしているが、内軸と外軸とが導波管の側板に相当する板で接続されている。これにより外軸を通して内軸を効率よく冷却することができる。MW-STUDIOを用いた計算結果を発表する。

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