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論文

Development of laser system for laser stripping injection

原田 寛之; Saha, P. K.; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 渕 葵*; 佐藤 篤*; 金正 倫計

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011026_1 - 011026_6, 2021/03

炭素膜を用いた荷電変換入射は、世界中で大強度陽子加速器で採用されている。それは、パルス型陽子ビームを大強度で生成する画期的な方法ではあるが、大強度がゆえに大きな課題がある。一つ目の課題は、陽子ビームの通過時もしくは衝突時に生じる膜の変形や破壊による短寿命である。もう一つの課題は、膜で散乱された粒子のビーム損失よる高放射化である。それゆえに、炭素膜に代わる非衝突型の荷電変換入射がさらなる大強度化に必要となる。そこで、本研究ではレーザーのみを使用した荷電変換入射手法を新たに考案した。その新たな手法は、「レーザー荷電変換入射」と呼ばれる。この手法を確立するために、J-PARCでは原理実証実験を計画している。本発表では、J-PARCにおけるレーザー荷電変換入射の実現に向けたレーザーシステム開発の現状を報告する。

論文

Studies of laser power reduction for the laser stripping of 400 MeV $$H^{-}$$ beam at J-PARC RCS

Saha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 渕 葵*; 佐藤 篤*; Liu, Y.*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011025_1 - 011025_7, 2021/03

We proposed and also preparing for a POP (Proof-of-Principle) demonstration of a completely non-destructive H$$^{-}$$ stripping method by using only lasers at J-PARC. To reduce the laser power, which is one of the critical issues in this case, we have studied an extensive manipulations of the H$$^{-}$$ beam as well advanced uses of the lasers in this research. These includes utilizing a dispersion derivative of the H$$^{-}$$ beam to cope with its large momentum spread, while multi-pass laser system to utilize multiple interactions of the H$$^{-}$$ beam with lasers. We have estimated that the laser power can be reduced to more than one order of magnitude by applying a combination of these two methods. The detail simulation and experimental results of the H$$^{-}$$ beam manipulations as well as development status of the multi-pass laser system are presented in this paper.

論文

J-PARCにおけるレーザー荷電変換実験に向けたレーザー開発状況

原田 寛之; Saha, P. K.; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 渕 葵*; 佐藤 篤*; 柴田 崇統*; 金正 倫計

Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.441 - 445, 2020/09

大強度陽子加速器では、線形加速器で加速された負水素イオンの2つの電子を円形加速器の入射点に設置された荷電変換用炭素膜にて剥ぎ取り、陽子へと変換しながら多周回にわたり入射することで、大強度陽子ビームを形成している。この入射手法は、大強度の陽子ビームを生成できる反面、周回する陽子ビームが膜への衝突を繰り返すため、膜の短寿命化や膜での散乱によるビーム損失が大強度ゆえに課題となっている。そのため、さらなる大強度出力を目指すには、炭素膜を用いた衝突型の荷電変換入射に代わる非衝突型の新たな入射手法が必要となる。本研究では、レーザーにて電子剥離を行う「レーザー荷電変換入射」を新たに提案し、J-PARCにおける原理実証実験を計画しており、その実験に向けたレーザーシステム開発を進めている。本発表では、レーザー荷電変換入射の概要を紹介し、レーザーシステムの開発状況を報告する。

論文

Development of two-mirror multi-pass laser system to reduce laser power for laser stripping injection at J-PARC 3-GeV RCS

Saha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 佐藤 篤*; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.841 - 845, 2019/07

In the 3-GeV RCS of J-PARC, a laser stripping of 400 MeV H$$^{-}$$ (negative hydrogen) to proton for charge-exchange injection (CEI) is under studied. The aim is to overcome the issues and limitations associated with a stripper foil used for that purpose. To reduce the laser power, which is one of the main issues with laser stripping, we consider a two mirror multi-pass laser system for multiple interactions of the H$$^{-}$$ beam with reflected laser light. The seed laser energy can be significantly reduced, which is almost inversely proportional number of interactions. At present we are developing such a cavity with Nd:YAG laser for H$$^{-}$$ neutralization to H$$^{0}$$, which will be first tested for 3 MeV H$$^{-}$$ beam at J-PARC RFQ test facility. Once the system is developed for the 3-MeV H$$^{-}$$, it can be easily applied for the 400 MeV H$$^{-}$$ stripping. The development status of the laser system and details of experimental strategies are presented.

論文

Progress status of proof-of-principle demonstration of 400 MeV H$$^{-}$$ laser stripping at J-PARC 3-GeV RCS

Saha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 三浦 昭彦; 吉本 政弘; 岡部 晃大; 菅沼 和明; 山根 功*; 入江 吉郎*; Liu, Y.*; et al.

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.806 - 810, 2018/08

To ensure stable operation of J-PARC RCS at 1 MW beam power and beyond, an alternative H$$^{-}$$ stripping injection method other than using stripper foil has to be implemented. A short life time of the foil due to foil degradation caused by high intensity beam irradiation as well as an extremely high residual radiation at the injection area caused by the foil beam scattering beam loss are two serious issues not only to maintain a long-term stable operation, but also for the facility maintenance. The laser stripping of H$$^{-}$$ holds the promise of overcoming and eliminating the above issues, as it has no lifetime issue as well as completely nondestructive. To establish and develop the new method for the RCS operation, a POP (proof-of-principle) demonstration of 400 MeV H$$^{-}$$ stripping by using only laser has to be carried out first. The progress status of the POP experiment, which includes recent beam study and simulation results for the H$$^{-}$$ beam manipulations to reduce the laser power is presented.

論文

レーザー荷電変換入射の原理実証実験に向けたレーザーシステムの開発

原田 寛之; Saha, P. K.; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 井上 峻介*; 佐藤 篤*; 菅沼 和明; 山根 功*; 金正 倫計; 入江 吉郎*

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.811 - 815, 2018/08

大強度陽子加速器では、線形加速器で加速された負水素イオンの2つの電子を円形加速器の入射点に設置された荷電変換用炭素膜にて剥ぎ取り、陽子へと変換しながら多周回にわたり入射することで、大強度陽子ビームを形成している。この入射手法は、大強度の陽子ビームを生成できる反面、周回する陽子ビームが膜への衝突を繰り返すことで、ビーム自身が散乱され制御不能なビーム損失が原理的に発生する。加えて、大強度出力ではビームの衝突時の熱や衝撃による膜の破壊が生じる。大強度陽子ビームの出力や運転効率は、このビーム損失による残留線量や膜の寿命による制限が懸念される。そのため、さらなる大強度出力には炭素膜を用いた荷電変換入射に代わる新たな入射手法が必要となる。J-PARC 3GeVシンクロトロンでの設計出力を超える大強度化に向けて、レーザーにて電子剥離を行う「レーザー荷電変換入射」を新たに考案した。その原理実証実験に向けて、レーザーシステムの開発を進めている。本発表では、レーザー荷電変換入射の概要を紹介し、レーザーシステムの開発状況を報告する。

論文

Status of proof-of-principle demonstration of 400 MeV H- stripping to proton by using only lasers at J-PARC

Saha, P. K.; 原田 寛之; 金正 倫計; 三浦 昭彦; 吉本 政弘; 入江 吉郎*; 山根 功*; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*

Proceedings of 61st ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2018) (Internet), p.422 - 427, 2018/07

The laser stripping of H$$^{-}$$ is the most advanced application of the laser manipulations of H$$^{-}$$ beams, especially at high intensity accelerators like J-PARC. The first stage of the present research includes non-destructive beam measuring as well as online morning by using lasers, which is highly essential at J-PARC as the beam power is approaching to 1 MW and beyond. In addition, it is also highly required to replace the stripper foil by lasers used for multi-turn H$$^{-}$$ charge exchange injection in RCS. Extremely high residual radiation due to beam losses caused by the foil-beam interaction and short lifetime of the foil are serious issues for facility maintenance and stable operation. To overcome the issues and limitations associated with foil, in the present research we will perform a proof-of-principle demonstration of H$$^{-}$$ stripping to protons by using lasers, which is essential not only at J-PARC, but also for similar existing and proposing high intensity proton accelerators worldwide.

論文

Zeeman splitting of laser-driven soft X-ray laser line by the enhancement of magnetic field in plasma

河内 哲哉; 長谷川 登; 岩前 敦*; 米田 仁紀*

Journal of Physics; Conference Series, 548(1), p.012038_1 - 012038_7, 2014/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.03

偏光は光の基本的な性質であり、その性質は磁性体などの物性研究のみならずプラズマの診断等にも役立てることができる。プラズマにおいては、発光線のアライメントなどの情報からプラズマの非等方性を導いたり、ゼーマン効果から磁場強度を見積もることができる。我々はレーザー駆動の軟X線レーザー(波長18.895nm)を例にとり、外部磁場が存在する場合のゼーマン分裂の量を測定した。測定には分解能15000の斜入射分光器HIREFSを用いた。外部磁場は直径4ミリのコイルをパルスパワー電源で駆動することで生成した。磁場強度は10から35テスラの範囲で可変であり、その方向は軟X線レーザーの発生方向に一致させた。磁場をかけることで軟X線レーザーの右回り及び左回りの円偏光成分を分離して測定することに成功したが、その際のゼーマン効果の量から推定される磁場強度は印加磁場の4倍程度大きな値を示していた。励起レーザー光の伝搬を考慮した流体コードによる解析により、軟X線レーザーの発振を引き起こすレーザーパルスのポンデロモーティブ力がプラズマ中の磁束密度の圧縮を引き起こし、磁場強度を実効的に増加させていることを見出した。

論文

High-precision measurement of the spectral width of the nickel-like molybdenum X-ray laser

長谷川 登; 河内 哲哉; 佐々木 明; 山谷 寛; 岸本 牧; 越智 義浩; 田中 桃子; 錦野 将元; 國枝 雄一; 永島 圭介; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 163(1), p.012062_1 - 012062_4, 2009/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:68.23

X線レーザーは高密度の多価イオンを媒質としている。X線レーザーは線幅が非常に狭いため、その波長及び線幅の精密な計測結果は、原子過程の計算、特に衝突励起及び脱励起の計算の指標となる。しかし、非常に高い分解能が必要なため、特に線幅についての計測例はほとんど報告されていないのが現状である。今回われわれは、ニッケル様モリブデンを増幅媒質とするX線レーザーの線幅計測に成功したので、それを報告する。

論文

High-resolution spectroscopy of the nickel-like molybdenum X-ray laser toward the generation of circularly polarized X-ray laser

長谷川 登; 佐々木 明; 山谷 寛; 岸本 牧; 田中 桃子; 越智 義浩; 錦野 将元; 國枝 雄一; 河内 哲哉; 米田 仁紀*; et al.

Journal of the Optical Society of Korea, 13(1), p.60 - 64, 2009/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:31.16(Optics)

現在われわれは、円偏光二色性計測用の光源として、円偏光軟X線レーザーの開発を行っている。プラズマX線レーザーの遷移線はNi様イオンの4p(J=1)-4d(J=0)であり、下準位(4p)は磁気量子数m=-1, 0, +1の3つの準位が縮退している。通常縮退している個々の遷移線は、円偏光もしくは直線偏光を有しているため、外部磁場により下準位の縮退を解消することで、円偏光X線レーザーの発生が可能となる。本方式による円偏光軟X線レーザーを実現するためには、X線レーザーの線幅の情報が非常に重要であるが、高精度の分光計測が必要なため、ほとんど報告されていないのが現状である。今回、世界で初めてニッケル様モリブデンX線レーザーの線幅の計測に成功したので、これを報告する。さらに、この結果を元に行った円偏光X線レーザーの発生実験についても合わせて報告する。

口頭

強磁場によるX線レーザーの偏光制御について

長谷川 登; 河内 哲哉; 佐々木 明; 岸本 牧; 田中 桃子; 越智 義浩; 錦野 将元; 國枝 雄一; 岩前 敦*; 米田 仁紀*

no journal, , 

本研究ではプラズマX線レーザーの発振過程を利用し、強磁場を印加することで円偏光の選択的な抽出を行う方法を開発している。今回対象としたX線レーザー遷移はNi様イオンの4p(J=1)-4d(J=0)であり、下準位(4p)は磁気量子数m=-1,0,+1の3つの準位が縮退しているものを選んでいる。$$Delta$$m=-1の遷移線では量子化軸の方向に右回りの円偏光、$$Delta$$m=+1の遷移線では量子化軸の方向に左回りの円偏光、$$Delta$$m=0の遷移線では量子化軸と垂直な方向に直線偏光の輻射が行われるため、量子化軸を外部磁場により決定することで特定の偏光状態の選択が可能となる。実験では小型パルスパワー装置により約20Teslaの磁場をプラズマX線利得媒質部に与え、この制御を試みたのでこれを報告する。

口頭

パルス強磁場によるプラズマ軟X線レーザーの偏光制御について

長谷川 登; 河内 哲哉; 佐々木 明; 岸本 牧; 越智 義浩; 錦野 将元; 米田 仁紀*

no journal, , 

円偏光を利用した吸収測定は、紫外,可視,赤外の領域で分子の構造解析などに幅広く用いられている。真空紫外,軟X線領域では、多くの共鳴準位があり円偏光二色性測定により多くの情報が得られると期待されているが、良好な偏光素子(位相子)がないことからほとんど行われていない。一方、原子遷移の発光のうち磁気量子数m=-1,0,+1の3つの準位が縮退しているものでは、$$Delta$$m=-1の遷移線($$sigma$$'光)では量子化軸の方向に右回りの円偏光、$$Delta$$m=+1の遷移線($$sigma$$光)では量子化軸の方向に左回りの円偏光になることが知られており、強磁場によりその発光点においてゼーマン効果による波長分離を起こさせれば、偏光成分をスペクトル分離することが可能になる。そこで、本研究ではプラズマ軟X線レーザーの発振過程に強磁場を印加し円偏光の選択的な抽出を行える軟X線ビーム開発を行っている。実験では、Ni様イオンの4p(J=1(m=-1,0,+1))-4d(J=0(m=0))遷移線を対象とした。これに小型パルスパワー装置により約17テスラの磁場を与え、偏光成分の分離を試みたのでこれを報告する。

口頭

レーザー荷電変換入射に向けた原理実証実験

原田 寛之; Saha, P. K.; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 渕 葵*; 佐藤 篤*; 金正 倫計

no journal, , 

大強度陽子加速器では、線形加速器で加速された負水素イオンの2つの電子を円形加速器の入射点に設置された荷電変換用炭素膜にて剥ぎ取り、陽子へと変換しながら多周回にわたり入射することで、大強度陽子ビームを形成している。この入射手法は、大強度の陽子ビームを生成できる反面、周回する陽子ビームが膜への衝突を繰り返すことで、ビーム自身が散乱され制御不能なビーム損失が原理的に発生する。加えて、大強度出力ではビームの衝突時の熱や衝撃による膜の破壊が生じる。大強度陽子ビームの出力や運転効率は、このビーム損失による残留線量や膜の寿命による制限が懸念される。そのため、さらなる大強度出力には炭素膜を用いた荷電変換入射に代わる新たな入射手法が必要となる。J-PARCでは、さらなる大強度化に向けて、レーザーにて電子剥離を行う「レーザー荷電変換入射」を新たに考案した。その原理実証実験に向けて、レーザーシステムの開発を進めている。本発表では、レーザー荷電変換入射の概要を紹介し、レーザーシステムの開発状況を報告する。

口頭

大強度陽子加速器におけるレーザー荷電変換入射の実現に向けた原理実証実験

原田 寛之; Saha, P. K.; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 渕 葵*; 佐藤 篤*; 柴田 崇統*; 金正 倫計

no journal, , 

大強度陽子加速器では、線形加速器で加速された負水素イオンの2つの電子を円形加速器の入射点に設置された荷電変換用炭素膜にて剥ぎ取り、陽子へと変換しながら多周回にわたり入射することで、大強度陽子ビームを形成している。この入射手法は、大強度の陽子ビームを生成できる反面、炭素膜に大量のビームを通過させる衝突型の方式であり、その膜への熱付加などによる膜の短寿命化、膜で散乱された陽子が周辺機器に衝突することによる機器の高放射化が、大強度ゆえに世界的な課題となっている。そこでJ-PARCでは、さらなる大強度出力に向けて、炭素膜に代わる非衝突型の「レーザー荷電変換入射」の方式を考案し、その原理実証実験に実施すべく、開発を進めている。本発表では、レーザー荷電変換入射の概要を紹介し、開発と実験準備の現状に加え、実験スケジュールに関しても報告する。

口頭

J-PARCにおけるレーザー荷電変換実験のための高繰り返しレーザー開発

渕 葵*; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 原田 寛之; Saha, P. K.; 佐藤 篤*; 柴田 崇統*; 金正 倫計

no journal, , 

大強度陽子加速器J-PARCでは、リニアックからシンクロトロンに負水素イオンを入射する際に陽子へと荷電変換をしている。現在は炭素膜を用いた手法が用いられているが、さらなる大強度化に向け、レーザーを用いた荷電変換を行うことを目指し、レーザー光源及び原理実証実験を進めている。この方式では、ドップラー効果と多段階の電子電離プロセスを考えており、高出力レーザー開発が比較的容易な波長のレーザーとその5倍波のパルスレーザーを利用することを想定している。さらに、パルスあたりのエネルギーを下げるには、光の有効利用率を高めなければならない。そのため、折り返し像転送光学系やビームシェーパーの開発を進めている。本発表では、現在開発中の高繰り返しレーザー光源や像転送光学系について報告する。

口頭

大強度陽子加速器におけるレーザー荷電変換実験

原田 寛之; Saha, P. K.; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 渕 葵*; 柴田 崇統*; 金正 倫計

no journal, , 

大強度陽子加速器では、線形加速器で加速された負水素イオンの2つの電子を円形加速器の入射点に設置された荷電変換用炭素膜にて剥ぎ取り、陽子へと変換しながら多周回にわたり入射することで、大強度陽子ビームを形成している。この入射手法は、大強度の陽子ビームを生成できる反面、炭素膜に大量のビームを通過させる衝突型の方式であり、その膜への熱付加などによる膜の短寿命化、膜で散乱された陽子が周辺機器に衝突することによる機器の高放射化が、大強度ゆえに世界的な課題となっている。そこでJ-PARCでは、さらなる大強度出力に向けて、炭素膜に代わる非衝突型の「レーザー荷電変換入射」の方式を考案し、その原理実証実験に実施すべく、開発を進めている。本発表では、レーザー荷電変換入射の概要を紹介し、開発と実験準備の現状に加え、実験結果に関しても初めて報告する。

口頭

大強度陽子加速器におけるレーザ荷電変換実験用レーザー装置開発

渕 葵*; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 原田 寛之; Saha, P. K.; 柴田 崇統*; 金正 倫計

no journal, , 

大強度陽子加速器では、線形加速器で加速された負水素イオンビームを陽子へと荷電変換しながら入射することで大強度ビームを生成している。この入射手法は、大強度の陽子ビームを生成できる反面、炭素膜に大量のビームを通過させる衝突型の方式であり、その膜への熱付加などによる膜の短寿命化、膜で散乱された陽子が周辺機器に衝突することによる機器の高放射化が、大強度ゆえに世界的な課題となっている。そこでJ-PARCでは、さらなる大強度出力に向けて、炭素膜に代わる非衝突型の「レーザー荷電変換入射」の方式を考案し、その原理実証実験に実施すべく、開発を進めている。本研究では、レーザー開発,像転送共振器の開発を行い、J-PARCにおいてレーザー荷電変換実験を開始した。その実験の結果、0.57%の荷電変換を確認でき、目標99%に向けた大きな一歩となった。本発表では、開発したレーザーシステムや光学系を説明し、レーザー荷電変換実験の最初の結果を報告する。

口頭

レーザー荷電変換による400MeV $$H^0$$原子からのDopplerシフトBalmer分光測定装置の開発・校正

柴田 崇統*; 原田 寛之; Saha, P. K.; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 渕 葵*; 金正 倫計

no journal, , 

J-PARCでは、陽子ビームのさらなる大強度化に向け、現在の炭素膜に代わり非破壊で陽子に変換するための、レーザー荷電変換試験を計画している。レーザー荷電変換過程で、中性水素$$H^0$$を励起した$$H^0*$$を経由するシナリオを考えている。その実験のためには、$$H^0$$のエネルギー準位とその励起効率を把握する必要がある。本研究では、励起$$H^0$$から放出される光を分光し検出する分光測定装置を開発している。本発表では、レーザー荷電変換で重要な分光測定装置の開発状況を報告する。

口頭

J-PARCにおけるレーザー荷電変換実験

原田 寛之; Saha, P. K.; 吉本 政弘; 金正 倫計; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; 渕 葵*; 柴田 崇統*

no journal, , 

大強度陽子加速器では、線形加速器で加速された負水素イオンビームを陽子へと荷電変換しながら入射することで大強度ビームを生成している。この入射手法は、大強度の陽子ビームを生成できる反面、炭素膜に大量のビームを通過させる破壊型の方式であり、膜の短寿命化、膜での散乱粒子による機器の高放射化が、大強度ゆえに世界的な課題となっている。そこでJ-PARCでは、さらなる大強度出力に向けて、炭素膜に代わる非破壊型の「レーザー荷電変換入射」の方式を考案し、その原理実証実験に実施すべく、開発を進めてきた。本研究では、レーザー開発、像転送共振器の開発を行い、2回目となるレーザー荷電変換実験を実施した。レーザーとイオンビーム間の時空間マッチングに成功した。その結果、前回の0.57%の30倍となる16.8%の荷電変換効率を達成した。本発表では、レーザー荷電変換実験の概要とその結果を報告する。

口頭

ピコ秒パルス列レーザーによるJ-PARCレーザー荷電変換

渕 葵*; 原田 寛之; 米田 仁紀*; 道根 百合奈*; Saha, P. K.; 吉本 政弘; 金正 倫計; 柴田 崇統*

no journal, , 

大強度陽子加速器施設J-PARCでは、炭素膜に代わる非破壊型の「レーザー荷電変換入射」の方式を考案し、開発を進めている。さらに、非破壊型のビームプロファイルモニタの開発もビーム運転の安定化には重要である。本研究では、それに向けてレーザー光源開発、マルチパス共振器の開発を行い、2回目となるレーザー荷電変換実験を実施した。レーザー光源開発では、5台のレーザー増幅器のそれぞれのタイミングをずらし、出力レーザーが時間的に平坦なパルス構造のレーザーを出力させることに成功した。マルチパス共振器開発では、照射レーザーを折り返し、16パルスのレーザーを照射点に同時集光することに成功した。その結果、前回の0.57%の30倍となる16.8%の荷電変換効率を達成した。本発表では、レーザー光源開発とマルチパス共振器開発の成果を報告する。

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