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論文

Ultralow emittance beam production based on Doppler laser cooling and coupling resonance

野田 章*; 中尾 政夫*; 岡本 宏巳*; 大崎 一哉*; 百合 庸介; 想田 光*; 頓宮 拓*; 神保 光一*; Grieser, M.*; He, Z.*; et al.

Proceedings of 5th International Particle Accelerator Conference (IPAC '14) (Internet), p.28 - 33, 2014/07

Three-dimensional (3D) cooling of 40-keV $$^{24}$$Mg$$^+$$ ion beams with Doppler laser cooling and the coupling resonance has been demonstrated in the storage ring S-LSR of Kyoto University toward the production of ultralow-emittance beams, in other words, ultracold beams and so-called crystalline beams. So far, the transverse temperatures of 6 K and 2 K have been experimentally attained in the horizontal and vertical directions, respectively, at a low beam intensity of about $$10^4$$ ions in the ring. These temperatures are the lowest ever attained by laser cooling of ion beams. Systematic molecular dynamics simulations predict the realization of further lower temperatures, $$approx$$ 1 mK and $$approx$$ 0.1 K in the longitudinal and transverse directions, respectively, if the laser spot size and detuning are properly adjusted even with such a low laser power ($$approx$$ 10 mW) as utilized in the experiments at S-LSR. A 3D ordered state of the beam with 3D laser cooling is also predicted. Recent experimental achievements and latest simulation results are presented.

論文

イオン蓄積・冷却リングS-LSRでのMgイオンビームのレーザー冷却

野田 章*; 中尾 政夫*; 想田 光*; 頓宮 拓*; 岡本 宏巳*; 大崎 一哉*; 百合 庸介; 神保 光一*; Grieser, M.*; He, Z.*

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.143 - 145, 2014/06

We have experimentally demonstrated transverse indirect laser cooling utilizing synchro-betatron resonance coupling in the ion accumulation cooler ring S-LSR. However, its efficiency was rather poor for relatively high beam intensity of $$10^7$$ ions in the ring due to beam heating by intra-beam scattering and its cooling time was as long as 100 s. By application of beam scraping and optimization of laser detuning together with equilibrium deceleration with the use of an induction accelerator, we could reach the lowest transverse temperatures ever attained by laser cooling as 7.0 K and 2.1 K for the horizontal and vertical directions, respectively. The prospect of generating an ultra-low-temperature beam and realizing beam crystallization will be discussed on the basis of the present result.

論文

Simulation study on transverse laser cooling and crystallization of heavy-ion beams at the cooler storage ring S-LSR

百合 庸介; 大崎 一哉*; 岡本 宏巳*; He, Z.*; 想田 光*; 野田 章*; 中尾 政夫*; 頓宮 拓*; 神保 光一*

Proceedings of Workshop on Beam Cooling and Related Topics (COOL '13) (Internet), p.162 - 165, 2013/11

Efficient transverse laser cooling of a low-intensity heavy-ion beam has been recently accomplished experimentally by means of the resonant coupling method at the cooler storage ring S-LSR of Kyoto University. In parallel with the experimental effort, multi-dimensional laser cooling of the ion beam has been studied also numerically with the molecular dynamics (MD) simulation code in which the stochastic interaction between ions and laser photons is incorporated in order to search optimum laser-cooling conditions and verify the results of the experiment. The present MD result demonstrates that, in spite of the limited experimental conditions of the cooling laser such as low power, fixed frequency, and short cooling section, a three-dimensionally low-temperature beam of 40-keV $$^{24}$$Mg$$^+$$ can be obtained through resonant coupling at a low intensity of $$10^4$$ ions in the ring, which is consistent with the experimental result.

論文

Latest results of experimental approach to ultra-cold beam at S-LSR

野田 章*; 中尾 政夫*; 想田 光*; 頓宮 拓*; 岡本 宏巳*; 大崎 一哉*; 百合 庸介; 神保 光一*; Grieser, M.*; He, Z.*

Proceedings of Workshop on Beam Cooling and Related Topics (COOL '13) (Internet), p.157 - 161, 2013/11

We have tried to approach to the lowest attainable beam temperature with laser cooling of a 40-keV $$^{24}$$Mg$$^+$$ ion beam at a cooler storage ring S-LSR, which has a superperiodicity of six and is designed to be tough against resonant perturbation to the circulating beam. The capability of active indirect transverse laser cooling has been experimentally demonstrated with the use of the theoretically-proposed synchro-betatron resonance coupling scheme. For the reduction of beam heating due to intrabeam scattering, an additional scheme has been established to control the intensity of the circulating beam down to $$sim 10^4$$ ions by scraping the outskirt of the beam with the use of a horizontally-moving scraper, which could cool the horizontal and vertical beam temperature down to $$sim 20$$ K and $$sim 30$$ K, respectively, at an operation tune without horizontal-vertical (H-V) coupling. In the present paper, we would like to also present our recent results with H-V coupling in addition to longitudinal-horizontal coupling toward further reduction of the transverse beam temperature.

論文

Parameter optimization for multi-dimensional laser cooling of an ion beam in the storage ring S-LSR

He, Z.*; Wei, J.*; 大崎 一哉*; 岡本 宏巳*; 野田 章*; 中尾 政夫*; 想田 光*; 百合 庸介; 神保 光一*

Proceedings of 25th North American Particle Accelerator Conference (NA-PAC '13) (Internet), p.1298 - 1300, 2013/09

The power of the cooling laser currently available in a compact ion cooler ring S-LSR, Kyoto University, is quite limited for generating ultralow-temperature ion beams. Therefore, parameters of laser cooling should be carefully determined in order to approach the lowest possible temperature in the experiment. This paper mainly concerns optimization of laser-cooling parameters and prediction of a possible lower limit of beam temperature in S-LSR, based on systematic molecular dynamics simulations. The adiabatic capture process of the ion beam was introduced to prevent the emittance from blowing up during bunching. The spot size of the laser was optimized with the total laser power limited. An optimum solenoid field strength was obtained for three-dimensional cooling. The lowest beam temperature achievable in S-LSR was predicted by choosing the parameters optimized.

論文

Efficiency enhancement of indirect transverse laser cooling with synchro-betatron resonant coupling by suppression of beam intensity

想田 光*; 中尾 政夫*; 頓宮 拓*; 神保 光一*; 大崎 一哉*; 岡本 宏巳*; 百合 庸介; He, Z.*; Grieser, M.*; 野田 章*

Japanese Journal of Applied Physics, 52(3), p.030202_1 - 030202_4, 2013/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:22.9(Physics, Applied)

The efficiency of indirect transverse laser cooling of a heavy-ion beam using synchro-betatron resonant coupling (SBRC) was improved by the reduction of the beam intensity through scraping the tail part of the beam. In order to measure the beam size at low beam intensity, a new scheme was established where the beam profile was determined from the beam survival ratio by changing the insertion position of a beam scraper. At a beam intensity of $$10^4$$ particles in the ring, the transverse cooling time of the beam was reduced to 1.2 s, and horizontal and vertical minimum beam sizes were 0.2 mm and 0.6 mm, corresponding to the beam temperatures of 20 K and 29 K, respectively. The cooling time was much improved compared with that of our previous experiment, 100 s at $$10^7$$ particles (Nakao et al.). The transverse temperature was comparable to that in other work (Madsen et al.), in spite of the limitation in the experimental conditions such as low laser power and short laser-cooling section. This suggests that the present SBRC scheme has a potential capacity for attaining a lower-temperature beam or even Coulomb crystallization.

論文

Approach to the low temperature state oriented for crystalline beam

野田 章*; 中尾 政夫*; 想田 光*; 頓宮 拓*; 神保 光一*; 岡本 宏巳*; 大崎 一哉*; 百合 庸介; Meshkov, I.*; Smirnov, A.*; et al.

Proceedings of 23rd Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC 2012) (Internet), p.48 - 52, 2012/09

Various approaches to attaining low-temperature beams have been continued in the cooler storage ring S-LSR at Kyoto University. One-dimensional ordering of electron-cooled 7-MeV protons was realized with an abrupt longitudinal temperature jump from 2 K to 0.3 K at a particle number of around 2000. Laser cooling has been applied to 40-keV $$^{24}$$Mg$$^+$$ beams toward the realization of crystalline beams. For a coasting beam, the lowest longitudinal temperature of 3.6 K was attained at $$4 times 10^4$$ ions. The temperature was limited due to intra-beam scattering (IBS). On the other hand, the transverse temperature of the beam indirectly cooled through IBS was saturated at 500 K for $$2 times 10^7$$ ions. In order to cool the transverse direction further, synchro-betatron resonance coupling has been applied to a bunched Mg beam. The transverse temperature has been reduced to the order of $$10^1$$ K at the beam intensity of $$10^4$$ ions by the reduction of the beam intensity using a scraper.

論文

スクレイパーを用いた横方向レーザー冷却効果の観測

想田 光*; 中尾 政夫*; 頓宮 拓*; 野田 章*; 神保 光一*; 大崎 一哉*; 岡本 宏巳*; 百合 庸介; Grieser, M.*; He, Z.*

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.388 - 390, 2012/08

京都大学化学研究所のイオン蓄積・冷却リングS-LSRでは、シンクロ・ベータトロン共鳴によって重イオンビームの運動の進行方向と水平方向の振動を結合させ、レーザー冷却によって横方向を間接的に冷却する実験を進めている。冷却の過程において、粒子数が多い場合Intra-beam散乱による自己加熱作用によって冷却が阻害されるため、スクレイパーによってビーム外縁部の粒子を除去することによって冷却効率を高めている。このとき、2枚のスクレイパーを用い、1枚目のスクレイパーで粒子数を減らした後、2枚目のスクレイパーの挿入距離を変えてビームの残存率を測定することで、ビーム中心からの距離とその内側にある粒子の割合が得られ、この関係から冷却後のビームサイズを測定した。その結果、40keV $$^{24}$$Mg$$^+$$ビームについて、水平・鉛直ベータトロンチューン、及びシンクロトロンチューンがそれぞれ(2.074, 1.120, 0.072)、1枚目のスクレイパーをビーム中心から0.3mmまで挿入して粒子数を1$$times$$10$$^5$$まで減少させた条件で、水平方向ビームサイズが0.3mm、温度に換算して52Kまで冷却されていることを観測した。この時、ビームサイズが1/eになるまでの冷却時間は1.25秒であった。

論文

横方向間接レーザー冷却の効率化に向けた制御ビームスクレーピング

野田 章*; 中尾 政夫*; 想田 光*; 頓宮 拓*; 神保 光一*; 岡本 宏巳*; 大崎 一哉*; 百合 庸介; Grieser, M.*; He, Z.*

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.72 - 74, 2012/08

Laser cooling of 40-keV Mg ion has been performed at S-LSR. Indirect transverse laser cooling of a bunched beam with the use of synchro-betatron resonance coupling (SBRC) has been experimentally indicated. However, it is not so efficient due to heating by intra-beam scattering for the ion number of 10$$^7$$. For attaining very low-temperature beam, it is inevitable to reduce the beam intensity without deterioration of beam detection signal. For this purpose, we have applied controlled scraping of a laser-cooled beam. After beam injection, the beam tail is cut off by a scraper moving in the horizontal direction and laser-cooled both in the longitudinal and horizontal directions with SBRC. Then, the horizontal beam size was measured with another scraper moving also in the horizontal direction. With this scheme, the beam intensity could be reduced from 10$$^7$$ to 10$$^5$$, which resulted in rather efficient indirect transverse laser cooling with the cooling time of about 1 sec.

論文

Challenge for more efficient transverse laser cooling for beam crystallization

野田 章*; 中尾 政夫*; 想田 光*; 頓宮 拓*; 伊藤 清一*; 岡本 宏巳*; 大崎 一哉*; 百合 庸介; 神保 光一*; Grieser, M.*; et al.

Proceedings of 3rd International Particle Accelerator Conference (IPAC '12) (Internet), p.394 - 396, 2012/05

Mg ion beams have been successfully laser-cooled both in longitudinal and transverse directions at S-LSR in ICR, Kyoto University. The cooling rate, however, is not strong enough to realize a crystalline beam due to heating from intra-beam scattering (IBS). Reduction of the beam intensity is inevitable to suppress this IBS effect, which, however, had resulted in poor S/N ratio for observation of the transverse beam size. We, therefore, describe a new beam-scraping scheme: The scheme selects out ions in the distribution tail of the transverse phase space, keeping the beam density in the core part by simultaneous application of multi-dimensional laser cooling and beam scraping. The strategy to realize the scheme effectively has been searched by combination of the beam experiments and computer simulations.

論文

Structure of Au(111) and Au(100) single-crystal electrode surfaces at various potentials in sulfuric acid solution determined by in situ surface X-ray scattering

近藤 敏啓*; 森田 潤*; 花岡 一哉*; 高草木 達*; 田村 和久; 高橋 正光; 水木 純一郎; 魚崎 浩平*

Journal of Physical Chemistry C, 111(35), p.13197 - 13204, 2007/09

 被引用回数:83 パーセンタイル:89.43(Chemistry, Physical)

50mM硫酸水溶液中でのAu(111)及びAu(100)単結晶電極の表面構造の電極電位依存性について、表面X線散乱法を用いて検討した。Au(111), Au(100)面ともに、酸素吸着したまま、表面再配列が起きていることが明らかになった。

論文

Distortion of pulse-height spectra of neutron capture $$gamma$$ rays

Laptev, A.; 原田 秀郎; 中村 詔司; 堀 順一*; 井頭 政之*; 大崎 敏郎*; 大釜 和也*

AIP Conference Proceedings 819, p.402 - 406, 2006/03

飛行時間法(Time-of-flight: TOF)法による中性子捕獲実験では、中性子源で強力なガンマフラッシュが発生する。このガンマフラッシュにより検出器は著しい影響を受け、$$gamma$$線波高シグナルのベースラインが歪められてしまう。この歪みは、測定される$$gamma$$線ピークの収量に影響を及ぼしてしまうという問題が生じてしまう。そこで、ベースラインの歪みに対する補正因子を求める手法を開発し、補正量を定量的に求めた。

論文

Measurements of neutron-capture cross sections of radioactive nuclides through high-energy $$gamma$$-ray spectroscopic studies

古高 和禎; 原田 秀郎; 中村 詔司; 坂根 仁; 山名 元*; 藤井 俊行*; 山本 修二*; 堀 順一*; 井頭 政之*; 大崎 敏郎*; et al.

KURRI Progress Report 2004, P. 16, 2005/09

2004年度に、京都大学原子炉実験所で行った、高エネルギー$$gamma$$線分光法を用いた放射性核種の中性子捕獲断面積の測定に関する研究についてまとめた。即発$$gamma$$線測定による断面積測定法の開発,飛行時間法を用いた断面積のエネルギー依存性の測定、及びBGO検出器の全エネルギー検出器としての特性試験について記した。

論文

Baseline distortion effect on $$gamma$$-ray pulse-height spectra in neutron capture experiments

Laptev, A.; 原田 秀郎; 中村 詔司; 堀 順一*; 井頭 政之*; 大崎 敏郎*; 大釜 和也*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 543(2-3), p.502 - 508, 2005/00

 被引用回数:5 パーセンタイル:41.12(Instruments & Instrumentation)

パルス中性子源を用いた中性子飛行時間法測定におけるガンマフラッシュによるベースライン歪み効果について調べた。C$$_{6}$$D$$_{6}$$検出器からの信号を、通常のADCとflash-ADCの2種類の測定モードで取り込んだ。ベースラインのズレによる補正係数を、2つの測定モードのパルス波高スペクトルを比較することにより定量的に求めた。補正係数は、ガンマフラッシュ後の時間に依存している。

報告書

ITER用超伝導コイルの製作技術開発と成果

濱田 一弥; 中嶋 秀夫; 奥野 清; 遠藤 壮*; 菊地 賢一*; 久保 芳生*; 青木 伸夫*; 山田 雄一*; 大崎 治*; 佐々木 崇*; et al.

JAERI-Tech 2002-027, 23 Pages, 2002/03

JAERI-Tech-2002-027.pdf:2.94MB

国際熱核融合実験炉(ITER)の建設判断に必要な技術を実証することを目的として、1992年から工学設計活動 (EDA) が日本,欧州連合(EU),ロシア,米国の国際協力によって進められた。このEDAでは、各種の先端的機器の製作技術開発が行われ、ITERで必要とされる製作技術の実証と技術目標の達成に成功し、2001年7月に終了した。そして、現在、ITER計画は建設に向けた新たな局面へと進んでいる。ITERの超伝導コイル・システムは、トロイダル磁場(TF)コイル,中心ソレノイド(CS)コイル,ポロイダル磁場(PF)コイル,及び不整磁場補正コイルの4種類からなる。これらのコイルの内、CSコイル及びTFコイルは、これまで経験したことのない大型かつ高性能なコイルであるため、EDAにおいて、それぞれCSモデル・コイル計画及びTFモデル・コイル計画を実施し、製作技術開発及び超伝導特性の実証試験を行った。CSモデル・コイルの製作には、高性能超伝導素線製造技術,大型撚線技術,コイル化技術,熱処理技術,超伝導導体接続技術及び高耐電圧絶縁技術の開発が不可欠である。本報では日本が中心となって開発に成功したCSモデル・コイルについて、以上の製作技術を中心に紹介する。

論文

Fabrication of ITER central solenoid model coil-outer module

安藤 俊就; 檜山 忠雄; 高橋 良和; 中嶋 秀夫; 加藤 崇; 杉本 誠; 礒野 高明; 河野 勝己; 小泉 徳潔; 濱田 一弥; et al.

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 9(2), p.628 - 631, 1999/06

 被引用回数:8 パーセンタイル:51.51(Engineering, Electrical & Electronic)

国際協力で進めている国際熱核融合実験炉(ITER)のR&Dにおいて最も重要な位置を占める中心ソレノイド・モデル・コイルの外層モジュールの建設が90%の完成をみるところまで進展した。その製作の内容について紹介する。

口頭

蓄積リングS-LSRにおけるMg$$^+$$イオンビームのレーザー冷却シミュレーション

大崎 一哉*; 岡本 宏巳*; 想田 光*; 野田 章*; 百合 庸介

no journal, , 

蓄積リング中を運動しているビームを3次元的に強力に冷却すると、最終的にはビームはクーロン結晶化することが理論的に知られている。このビームはクリスタルビームと呼ばれ、そのエミッタンスは極めて低く、究極の高品質ビームといえる。現在、京都大学にある蓄積リングS-LSRでは、クリスタルビームの生成を目指して重イオンビーム冷却実験を行っている。最も強力なビーム冷却手段であるレーザー冷却法を用いて、Mg$$^+$$イオンビームの進行方向を直接冷却し、さらに進行方向の冷却を横方向に拡張するため、共鳴結合法により強力な多次元冷却を行っている。現在S-LSRで用いられているビーム冷却用のレーザーは1本でパワーも制限されており、ビーム冷却効率を向上させるため、レーザーのパラメータを分子動力学法によるシミュレーションで決定する必要がある。本講演では、実験時に近いパラメータを用いたレーザー冷却シミュレーションの結果について報告する。

口頭

スクレイパーでの粒子数低減による横方向レーザー冷却の効率化

想田 光*; 中尾 政夫*; 頓宮 拓*; 野田 章*; 神保 光一*; 大崎 一哉*; 岡本 宏巳*; 百合 庸介; He, Z.*; Grieser, M.*

no journal, , 

京都大学化学研究所のイオン蓄積リングS-LSRにおいてシンクロ・ベータトロン共鳴結合(SBRC)を利用した$$^{24}$$Mg$$^+$$ビームの間接的横方向レーザー冷却実験を行い、スクレイパーでビーム外縁部の粒子を除去しビーム強度を縮減することで、イントラビーム散乱による加熱を抑制し効率的な横方向冷却を実現した。また、レーザーの迷光によるバックグラウンドのため光学的観測が難しい低ビーム強度でのビームサイズ測定に有効な手法として、スクレイパー挿入時の粒子数を、スクレイパー挿入位置を変えながら測定し、その減少率からビームプロファイルを再構成してビームサイズを求める手法を確立した。3方向のチューンが$$(nu_x, nu_y, nu_s)$$=(2.072, 1.120, 0.072)である、進行方向-水平方向間のSBRC条件において、リング内の全粒子数を10$$^4$$個にまで減らすことで、1/e冷却時間を1.2秒に短縮し、冷却後の水平ビームサイズ0.2mm、鉛直ビームサイズ0.6mmを得た。これはリング平均の温度で水平方向が20K及び鉛直方向が29Kに相当しており、SBRCによる横方向冷却では、先行実験の結果(約200K)に比べて大幅な効率向上を果たした。

口頭

蓄積リングS-LSRにおける極低温ビーム生成シミュレーション

大崎 一哉*; 岡本 宏巳*; 想田 光*; 野田 章*; 中尾 政夫*; 百合 庸介

no journal, , 

京都大学の蓄積リングS-LSRで行われているレーザー冷却と共鳴結合に基づく3次元ビーム冷却実験では、運動エネルギー40keVのMgイオンビームを用いて既に10K程度の低温ビームの生成が観測されている。この実験をさらに進めて超高品質ビームであるクリスタルビームを実現するため、S-LSRの実験環境を想定したレーザー冷却に関する系統的な分子動力学シミュレーション研究を行い、レーザーのスポットサイズや周波数を最適化した。さらに、最適化された条件下でのレーザー冷却後に高周波電圧を徐々に下げ粒子密度を低減してクーロン散乱による加熱効果を抑制するというシミュレーション結果に基づき、ビームの極低温化に伴う10mm以上の長い1次元クリスタルビームを生成する可能性について考察した。

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