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論文

エネルギー回収型リニアックにおける電子銃時間ジッタの影響の評価

永井 良治; 沢村 勝; 羽島 良一; 菊澤 信宏; 西森 信行; 西谷 智博; 峰原 英介

Proceedings of 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 30th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.376 - 378, 2005/07

原研FELグループでは次世代放射光源用加速器としてエネルギー回収型リニアックの基礎研究を行っている。この放射光源はフェムト秒時間分解能の光源であり時間ジッタは数10fs以下にする必要がある。そこで、エネルギー回収型リニアックにおける電子銃時間ジッタの影響の評価をPARMELAを用いて行った。その結果、電子ビーム圧縮過程で時間ジッタも圧縮されるので電子銃時間ジッタを1ps以下にすれば時間ジッタを36fs以下、電子ビーム輝度ジッタを0.5%以下にできることがわかった。

論文

原研972MHzRFテストスタンドの現状報告

堀 利彦*; 千代 悦司; 山崎 正義*; 鈴木 浩幸*; 長谷川 和男

Proceedings of 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 29th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.212 - 214, 2004/08

972MHz RFテストスタンドで昨年実施した主な活動状況2件を報告する。これに加えて、クライストロン入出力特性の出力飛び現象を究明するために、診断用のモニタなどを整備し、クライストロンビーム電流波形及び、入力反射波RFスペクトラムを計測した。結果、出力飛びの主原因がクライストロン管球内を逆走する逆行電子であることを、ビーム電流減少率とクライストロン入力側で出力特性がモニタできたデータより実証した。

論文

Photocathode RF gunにおけるレーザー-ビーム同期不安定性の環境依存性

上坂 充*; 飯島 北斗; 上田 徹*; 室屋 裕佐*; 作美 明*; 熊谷 教孝*; 冨澤 宏光*

Proceedings of 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 29th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.628 - 630, 2004/08

ポンプ-アンド-プローブ法を用いた超高速反応の放射線化学実験では、ポンプ・ビームとプローブ・レーザーのパルス幅が短いことも重要であるが、2つのパルスの時間同期も精度に対する重要な要因となる。本研究ではMgフォトカソードRF電子銃とシケイン型圧縮器を用いたリニアックからの電子ビームとフェムト秒モードロックレーザーで、ピコ秒からサブピコ秒の時間分解能実現してきた。しかしながら短時間では安定な時間同期も、レーザー室の温度変化に敏感で、1時間程度では10psのタイミング・ドリフトを起こすことがある。これは、レーザー室の温度変化に伴い、レーザー共振器中での光の行路長が変化し、発振周波数が変化することで、RFに対するタイミングがずれることにより起きる。行路長の変化は、共振器長自身の変化に加えて、結晶の屈折率が変化する場合の2つに起因している。現在、この解決策として、共振器とフォトカソード電子銃の間に光学遅延装置を置き、共振器でのタイミングのずれを補正する装置を開発中である。

報告書

大電力ジャイロトロンの定常運転のための電子ビーム電流制御

南 龍太郎; 小林 則幸*; 坂本 慶司; 春日井 敦; 高橋 幸司; 今井 剛

JAERI-Research 2004-006, 17 Pages, 2004/03

JAERI-Research-2004-006.pdf:1.37MB

ITER用大電力ジャイロトロンの秒レベルの長パルス運転時には、5A/sの電子ビーム電流の減少が生じ、正常な発振条件のミスマッチに起因する発振モードの移行のため、パルス幅が制限された。この電流減少の物理機構について検討し、その改善のための方法について報告する。電子ビーム電流の定量的な評価は、電子銃部陰極における熱移動のモデルを考え、パワーバランス方程式を解くことにより行い、このモデルが、実験結果をよく説明できることを明らかにした。また、ジャイロトロンの安定高性能な運転を維持するために、ショット中に電子銃部のヒーター電圧を上げ、電子ビーム電流を補償する実験を行った。これにより、電子ビーム電流の減少が抑制され、連続運転に向けた発振の安定化への見通しが得られた。

論文

Effect of electron beam on velocities of uranium atomic beams produced by electron beam heating

大場 弘則; 小倉 浩一; 西村 昭彦; 田村 浩司; 柴田 猛順

Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, 39(9A), p.5347 - 5351, 2000/09

 被引用回数:5 パーセンタイル:71.39(Physics, Applied)

電子ビーム加熱で生成したウラン電子ビームの速度をレーザードップラー法で測定した。原子ビームの生成には、磁場偏向型電子銃あるいは斜入射直進型電子銃を用い、加熱方式の違いによる原子ビーム速度への影響を比較した。磁場偏向型電子銃で生成した原子ビームは、斜入射直進型電子銃加熱で生成したそれよりも200m/sも加速されることがわかった。これは蒸発部近傍での入射電子ビームエネルギーが蒸発原子の励起やイオン化により損失し、イオン化のエネルギーが原子間衝突時にビームの並進エネルギーに転換されるとして説明できた。

論文

Experimental verification of laser photocathode RF gun as an injector for a laser plasma accelerator

上坂 充*; 木下 健一*; 渡部 貴宏*; 菅原 淳*; 上田 徹*; 吉井 康司*; 小林 鉄也*; Halz, N.*; 中島 一久; 酒井 文雄*; et al.

IEEE Transactions on Plasma Science, 28(4), p.1133 - 1142, 2000/08

 被引用回数:14 パーセンタイル:55.68(Physics, Fluids & Plasmas)

レーザープラズマ加速の入射器として、フォトカソード高周波電子銃の研究を行った。16MeVの電子ビームエネルギー、6$$pi$$mm.mradのエミッタンス、240フェムト秒のパルス幅、1バンチあたり350ピコクーロンの電荷を得ることができた。フェムト秒の電子パルス波形計測手法としては、フェムト秒ストリークカメラ、コヒーレント遷移放射干渉法、マイケルソン干渉計、遠赤外線ポリクロメーターを使用した。それにより、200フェムト秒以上のパルス幅においてはストリークカメラが最も信頼性が高く、短いパルス幅においてはポリクロメーターが一番よかった。フォトカソード高周波電子銃用のYLFレーザーと電子ビームとの同期においては、3.5ピコ秒を成し遂げた。これらに基づき、より同期のよい、カーレンズモードロックのTi:Sapphireレーザーを導入した。これにより、タイミングジッターは320フェムト秒まで下がった。

論文

原研FEL用熱電子銃の性能

西森 信行; 永井 良治; 羽島 良一; 静間 俊行; 峰原 英介

Proceedings of 25th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.71 - 73, 2000/07

原研FELでは高出力FELの達成のために、特に電子銃の改良に努めてきた。電子ビームの生成は230kV高圧熱電子銃で行う。カソードはY646B(EIMAC)を用いグリッドパルサーで駆動する。改良の結果、ビームエネルギー230kV,FWHMパルス幅0.86ns,ピーク電流0.66A,時間ジッター($$sigma$$)22ps,振動変動1%以下,エミッタンス13$$pi$$ mm-mradの電子ビームが電子銃から得られるようになった。改良点と現在の性能について述べる。

論文

Improved performance of the JAERI injection and free electron laser system

西森 信行; 永井 良治; 羽島 良一; 静間 俊行; 沢村 勝; 菊澤 信宏; 峰原 英介

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 445(1-3), p.432 - 436, 2000/05

 被引用回数:9 パーセンタイル:43.49(Instruments & Instrumentation)

原研FELでは平均出力1kWクラスのFEL発振を目指している。電子ビームからFELへの変換効率を1%とすると、100kW以上が電子ビームに要求される。そこで、平均電流6mA(0.6nC/パルス)、電圧16MVの電子ビームをアンジュレーターに導くことを目標に改良している。まず、電子銃のグリッドパルサーの性能を向上することにより、0.6nCの電子ビームのミクロパルス幅を4nsから1.2ns(FWHM)に減らし、タイミングジッターを0.2ns以下に押さえた。また、2つある前段加速器ではそれぞれ1MVの加速を行いたいので、RF電源の出力を4,5kWから6,7kWに性能を上げた。以上の改良により16MeVの電子ビームを5mAアンジュレーター中に導くことができた。同じ条件で規格化RMSエミッタンスは30mm-mradが得られた。今後はFEL発振実験を行い、その特性の測定を行う。

論文

フェムト秒電子シングルバンチの生成・計測・利用

上坂 充*; 渡部 貴宏*; 木下 健一*; 菅原 淳*; 原野 英樹*; 上田 徹*; 吉井 康司*; 中島 一久; 酒井 文雄*; 小瀧 秀行; et al.

日本原子力学会誌, 42(4), p.310 - 324, 2000/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

Sバンドレーザーフォトカソード高周波電子銃及びシケイン型磁気パルス圧縮器を、東大工原施ツインライナックシステムに導入し、低エミッタンス(6$$pi$$mm・mrad)、フェムト秒(240-290fs at FWHM)電子シングルバンチ(エネルギー16MeV,エネルギー分散2%,電荷量350pC/バンチ)を生成・測定した。電子パルス波形計測手法としては、非分散光学系フェムト秒ストリークカメラシステム(分解能200fs)、コヒーレント遷移放射干渉法及び遠赤外線ポリクロメーターを使用した。そのほか電子ビームパラメーター、ピコ秒レーザーとの同期精度及び暗電流挙動も詳細に測定しその電子銃の性能を総合的に評価した。さらに、フェムト秒量子ビームポンプ&ポローブ分析を提案し、その先駆けとして、時間分解X線回折を行った。原子の動画像化は継続中であるが、GaAs,KCl,CaF2など単結晶のCuK$$alpha$$1,2の回折線取得に成功した。最後に新規導入したフェムト秒高速量子現象研究設備を紹介する。

報告書

光陰極電子銃による高輝度電子ビームの研究‐ LINAC-FEL用ニードルRF電子銃の開発 ‐

望月 孝晏*; 宮本 修治*; 天野 壮*; 井上 隆博*; 八束 充保*; 長谷川 信; 山崎 良雄

JNC-TY9400 2000-008, 20 Pages, 2000/03

JNC-TY9400-2000-008.pdf:0.81MB

本報告書は、姫路工業大学と核燃料サイクル機構が、光陰極(フォトカソード)電子銃による高輝度電子ビームの研究に関して、共同で実施した研究成果をとりまとめたものである。本研究の目的は、光電子放出(フォトエミッション)型電子銃を用いて高品質電子ビームを発生するために、電子銃の特性とダイナミックスを計算機シミュレーションおよび実験研究により調べ、フォトエミッション型電子銃の応用の可能性を評価することである。電子ビーム品質の改善・高輝度化は、自由電子レーザー(Free Electron Laser:FEL)等の応用上、性能を決定する主要な項目で各種の方法が試みられている。レーザーフォトカソードを用いた電子銃は、短パルスレーザーによる制御性の増加も加えて、電子銃の大きな改善を可能とすると期待されている。フォトカソードを利用する電子源は、古くから利用されてきているが、近年の安定なモードロックレーザー技術の進歩により、高周波(RF)電子銃に安定に同期した発生が可能となり、新しい展開が開けている。本研究では、フォトエミッションをニードルカソード先端の高電界の元で行うことにより、フォトエミッションの量子効率の大幅な改善が行われることを、実験的に示し、それを用いたRF電子銃の計算機シミュレーションによるパラメーターサーベイを行った。

報告書

大電流電子線加速器の開発

野村 昌弘; 遠山 伸一; 田中 拓; 武井 早憲; 山崎 良雄; 平野 耕一郎; 大村 明子

JNC-TN9410 2000-007, 376 Pages, 2000/03

JNC-TN9410-2000-007.pdf:15.51MB

昭和63年10月に原子力委員会・放射性廃棄物対策専門部会で策定された「群分離・消滅処理研究技術研究開発長期計画(通称:「オメガ計画」)」に沿って、大洗工学センターでは、その計画の一部である「電子線加速器による消滅処理」の研究を実施してきた。これは、電子線加速器で作られる高エネルギーガンマ線を用いて光核反応によりセシウム、ストロンチウム等の放射性核分裂生成物を安定な核種に変換する研究であるが、この消滅処理研究を工学的な規模で実施するためには100mA-100MeV(ビーム出力10MW)級の電子線加速器が必要であると推定され、「オメガ計画」の第1期の課題である大電流電子線加速器のビーム安定化等に関する要素技術の開発として20mA-10MeV(ビーム出力200kW)を開発目標として大電流電子線加速器の開発を行ってきた。本電子線加速器は、平成2年度から高エネルギー物理学研究所、放射線医学総合研究所、大学等の協力を得て技術開発に着手、平成5年度から大電流電子線加速器の製作を開始した。その後、加速器の心臓部とも言える入射部系が完成し、性能試験を平成8年3月から9月にかけて実施した。平成9年3月には本加速器の主要設備全ての据付けが完了したが、サイクル機構の諸事情等もあり、大幅に遅れ平成11年1月から性能確認のための加速器運転を開始、平成11年12月まで継続してきた。試験結果としては、まだ開発途中であり、長時間・安定に至っていないが、ビーム出力約14kWを達成した。また、短時間であるが、ビーム出力約40kWの運転も可能とした。本報告書では、サイクル機構で開発してきた大電流電子線加速器の開発を開始当時まで振り返って、開発の経緯、要素機器の開発、設備・機器の設計、加速器の性能確認試験等の事項について、総括的にまとめた。

論文

A Thermionic electron gun system for the JAERI superconducting FEL

西森 信行; 永井 良治; 羽島 良一; 静間 俊行; 峰原 英介

Proceedings of 7th European Particle Accelerator Conference (EPAC 2000) (CD-ROM), 3 Pages, 2000/00

原研FELはマクロパルス幅1ms,マクロ周期10Hz,ミクロパルス周期10.4125MHzで運転する。電子ビームの生成は230kV高圧熱電子銃で行う。カソードはY646B(EIMAC)を用いグリッドパルサーで駆動する。FEL性能向上のために行われてきた改良の結果、ビームエネルギー230kV,FWHMパルス幅0.86ns,ピーク電流0.66A,時間ジッター($$sigma$$)22ps,振動変動1%以下,エミッタンス13$$pi$$ mm-mradの電子ビームが電子銃から得られるようになり、最近のFEL性能向上に大きく貢献した。ここでは、電子銃の改良と現在の性能について述べる。

報告書

電子ビーム加熱生成したウラン原子ビームの速度

大場 弘則; 小倉 浩一; 西村 昭彦; 田村 浩司; 柴田 猛順

JAERI-Research 99-043, 17 Pages, 1999/07

JAERI-Research-99-043.pdf:0.84MB

原子法レーザーウラン濃縮における装置設計上、重要なパラメータである、電子ビーム加熱生成ウラン原子ビームの速度をレーザードップラーシフト法で測定した。ウラン原子ビームの生成には磁場偏向型電子銃あるいは斜入射直進型電子銃を用い、加熱方式の違いによる原子ビーム速度への影響を比較した。磁場偏向型電子銃で生成した原子ビームは、斜入射直進型電子銃加熱で生成したそれよりも加速されることがわかった。これは蒸発部近傍での入射電子ビームエネルギーが蒸発原子の励起やイオン化により損失し、損失エネルギーが原子間衝突時に原子ビームの並進エネルギーに転換されるとして説明できた。

論文

BNL/KEK/SHIフォトカソード高周波電子銃の性能試験

神門 正城; 小瀧 秀行; 出羽 英紀; 近藤 修司; 吉井 康司*; 上田 徹*; 渡部 貴宏*; 上坂 充*; 酒井 文雄*; 小方 厚*; et al.

Proceedings of 24th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.128 - 130, 1999/00

レーザー航跡場加速実験のための高品質電子ビーム源として1.6セルフォトカソード高周波電子銃(以下、RFガン)の開発を進め、東京大学大学院工学系研究科附属原子力工学研究施設において1997年8月よりRFガンの性能試験を行ってきた。本年3月にフォトカスケード照射用のレーザーシステムが更新され、レーザーのエネルギー安定度が格段に向上し、それに伴い電子ビームの電荷量の安定度が従来の7$$sim$$20%(rms)から1%(rms)に向上した。また、レーザーパルス長も20ps(FWHM)から6ps(FWHM)に短縮化され、電子ビームのパルス長も短縮化された。また、レーザーエネルギー安定化に伴い、銅カソードの量子効率がRFエージングと真空度に関連して変化する現象を観測した。真空度を10$$^{-10}$$程度まで向上することで、量子効率は1.4$$times$$10$$^{-4}$$まで増加し、2.7nC/bunchの電子ビームを確認した。レーザーシステムの更新により、低エミッタンス,短バンチの高輝度電子パルスを安定に発生できことが可能になった。

論文

Recent progress of laser wakefield acceleration experiments at KEK/U.Tokyo/JAERI

中島 一久; 中西 弘*; 小方 厚*; 原野 英樹*; 上田 徹*; 上坂 充*; 渡部 貴宏*; 吉井 康司*; 出羽 英紀; 細貝 知直; et al.

Proceedings of 6th European Particle Accelerator Conference (EPAC98) (CD-ROM), p.809 - 811, 1998/01

光量子科学センターレーザー加速研究グループは高エネルギー加速器研究機構、東京大学原子力工学施設と共同でテーブルトップテラワットレーザーを用いたレーザー航跡場加速実験を実施し、17MeVの電子ライナックからのビームをピーク出力2TWパルス幅90fsのレーザーパルスによる航跡場において200MeV以上まで加速することに成功した。またこれを裏付ける航跡場の直接測定矢レーザーパルスの自己チャネリングの観測にも成功しており加速実験結果と良い一致を示している。さらにレーザー加速実験の高度化のためのフォトカソード電子銃を用いた高品質電子源の開発、高精度エネルギー測定のためのエマルジョン検出器を用いたスペクトロメーターの開発、高強度レーザーパルスの長距離伝播のためのキャピラリー放電プラズマ導波路の開発についても述べ、今後のレーザー加速実験計画について発表する。

論文

原研FEL電子銃の改良

西森 信行; 永井 良治; 菊澤 信宏; 峰原 英介; 沢村 勝; 杉本 昌義; 山内 俊彦; 早川 岳人

Proceedings of 23rd Linear Accelerator Meeting in Japan, p.130 - 132, 1998/00

自由電子レーザーは電子ビームが媒質の役割を果たすので、電子ビームの安定が極めて重要である。電子ビームの源は電子銃であり、そのビーム特性が充分よいものである必要がある。今回、グリッドパルサーを改善することにより、パルス幅が6nから3nへと半分にすることができ、またパルスごとのばらつきを20%から3%程度へと小さくすることができた。またウェネルトを12$$phi$$からより小さなものへ変更する試みも実行中であり、ビームのエミッタンスを半分以下にする予定である。これらの改善による、電子ビームの特性向上の結果と、レーザーパワー向上のへの影響について報告する予定である。

論文

Characterization of gadolinium plasma in gadolinium vapor at high-rate evaporation by electron beam heating

大場 弘則; 西村 昭彦; 柴田 猛順

Japanese Journal of Applied Physics, 32(12A), p.5759 - 5764, 1993/12

 被引用回数:4 パーセンタイル:71.51(Physics, Applied)

電子ビーム加熱で原子ビームを生成させると蒸発部でプラズマが発生する。これらプラズマは真空蒸着等には好都合であるが、原子法レーザー同位体分離では逆に取除く必要がある。いずれの場合でも蒸発部で生成したプラズマの特性を知ることが重要である。本研究では直進型電子銃でガドリニウムを蒸発させた時に生成するプラズマの特性をラングミュアプローブを用いて調べた。その結果、電子温度は蒸発面温度に比べはるかに低く、蒸発原子の原子励起温度に近かった。原子ビーム中のイオン量の割合は0.4%程度で、磁場偏向型電子銃でガドリニウムを発生させたときに比べて低い値であった。これは蒸発原子と電子ビームの衝突距離、電子銃の加速電圧が異なるためである。どちらの電子銃を使用しても原子ビーム中のイオン量の割合は、蒸発原子の電子ビーム衝突によるイオン化で説明できることがわかった。

報告書

電子ビーム加熱大量蒸発で生成したガドリニウム原子ビーム中の蒸発部生成プラズマの除去

大場 弘則; 西村 昭彦; 柴田 猛順

JAERI-M 92-216, 13 Pages, 1993/01

JAERI-M-92-216.pdf:0.5MB

電子銃蒸発源で金属蒸気を生成させると蒸発部でプラズマが発生する。原子法レーザー同位体分離ではこれらプラズマを取除く必要がある。ここでは直進型電子銃蒸発源でガドリニウム原子を大量に蒸発させて、原子ビーム中の蒸発部近傍生成プラズマの除去試験を行った。原子ビームの流れに沿って設けた平行平板の除去電極に正または負の電圧を印加した。除去電極に正電圧を印加すると電極に数Aの電流が流れ、プラズマの除去ができなかった。これに対して、除去電極に負電圧を印加すると、原子ビーム中のプラズマが除去できた。プラズマが除去電極を通過する間にプラズマを完全に消滅させるのに必要な除去電極電位を蒸発部生成プラズマの特性値を用いて推定した。推定値は実験値と一致した。

論文

Initial data of linac preinjector for SPring-8

鈴木 伸介; 吉川 博; 掘 利彦*; 柳田 謙一; 水野 明彦; 為実 健二*; 益子 勝夫*; 横溝 英明

Proc. of the 1993 Particle Accelerator Conf., 0, p.602 - 604, 1993/00

SPring-8の建設が1991年に始まり、入射系の線型加速器の建設が東海研に仮設置された。現在そのコミッショニングを行っており、電子銃、バンチングセクション、RFセクション、各種モニターの試験を行っている。電子銃においては1ns巾のパルスビームをSHBなしで発生させることに成功し、SPring-8の蓄積リングからの要請であるポジトロンビームを十分な強度で生成させるめどがたった。又、モジュレータのフラットトップも2.4$$mu$$sの巾であり、初期の計算のスペックを満たすものができている。その結果、1nsのビームを9.1MeVまで加速することに成功し、ビームサイズ等に十分な性能を有していることがわかった。これからの課題として、営業運転に適した耐久性を持つかどうかの試験を行う。

論文

電子ビーム加熱蒸発面の温度分布

大場 弘則; 小倉 浩一; 柴田 猛順

真空, 36(3), p.203 - 206, 1993/00

電子銃加熱蒸発源は真空蒸着等多くの分野で利用されている。電子銃加熱時の蒸発面温度分布は蒸発特性を決める上で重要であるが、その報告例はほとんど無い。ここでは銅の電子銃加熱蒸発面を単色フィルタを通してCCDカメラで録画し、温度分布の測定を試みた。その結果、ビームスポットの中心温度は2050Kに達し、るつぼ半径方向に向って急激な温度勾配があり、るつぼ壁面近くでは融点に近くなっていること、ビームスポットが楕円として蒸着速度から求めた推定蒸発面温度は2010Kで測定値とほぼ一致することがわかった。

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