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論文

Development and operation of the JAERI superconducting energy recovery linacs

峰原 英介

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 557(1), p.16 - 22, 2006/02

 被引用回数:8 パーセンタイル:46.33(Instruments & Instrumentation)

原研は世界で現在運転中の2台のエネルギー回収型リニアック(ERL)の一つを独力で開発し、もう1台の施設であるジェファーソン国研のERLとともに世界のERL開発及び将来のERL応用研究を切り開いてきた。現在のアップグレード開発研究と応力腐食割れ防止技術開発研究、さらにERLの主要開発要素でもある光陰極,電子励起陰極などの大電流光電子銃技術に関して報告する。

論文

Optics and beam transport in energy-recovery linacs

羽島 良一

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 557(1), p.45 - 50, 2006/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:86.24(Instruments & Instrumentation)

エネルギー回収型リニアックにおけるビーム光学,ビーム輸送系の諸問題をまとめ、研究の最新動向を述べる。合流部及び周回軌道における空間電荷,コヒーレント放射によるエミッタンス増大の評価方法とその抑制方法の提案,ビーム電流の上限を与えるHOM不安定性現象の閾値電流計算手法と不安定性を抑制するためのビーム光学的なアプローチ、さらに、FEL,放射光,電子冷却などの目的に応じたビーム周回軌道の設計方法などである。

論文

原研ERL-FEL制御系のWebベースデータベースシステムの開発

菊澤 信宏; 永井 良治

Proceedings of 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 30th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.430 - 432, 2005/07

加速器に関する膨大な計測データを有効活用するためには、必要なデータを簡単な操作で検索して可視化できることが重要である。このためソースコードが公開されているオープンソースソフトウェアを利用してWebデータベース(DB)の開発を行った。データの管理や表示をWeb上で行えるようになったことにより、ネットワークでつながった端末であれば機種や場所を選ばずにデータの編集や検索などが行えるため、効率的に管理できるようになった。現在では計測データのほかにも機器の設定情報や作業マニュアルなどもWeb上で検索できるようになっており、情報の共有化を進めている。本研究会ではこのWeb DBシステムの開発について報告する。

論文

ERL-FELからのチャープパルス計測

飯島 北斗; 羽島 良一; 永井 良治; 峰原 英介; 山内 俊彦

Proceedings of 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 30th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.793 - 795, 2005/07

原研・光量子科学研究センター・FELグループはエネルギー回収型超伝導加速器(ERL)を用いた遠赤外超短パルス高出力FELの開発を進めてきた。この加速器から発振される波長約20$$mu$$mのチャープされたFELは、例えば多原子分子の解離などに応用した場合、現状の技術よりも飛躍的に高い解離効率が期待される。これまでの研究で、波長23.3$$mu$$m,パルス幅319fs(FWHM),チャープ量$$Deltaomega/omega_0$$=14.3%のFEL発振に成功し、これを自己相関により測定した。現在はこのチャープされたFELの時間と周波数の相関を直接観測するために、frequency-resolved optical grating (FROG)による計測の準備を進めている。加えて、FEL光輸送系の構築も行った。

論文

Velocity bunchingされた電子バンチのダブルスリット法によるエミッタンスの測定

飯島 北斗; 羽島 良一; 上坂 充*; 作美 明*; 坂本 文人*; 上田 徹*

Proceedings of 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 30th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.501 - 503, 2005/07

エネルギー回収型超伝導リニアック(ERL)は、次世代放射光源として高輝度かつコヒーレントなX線発生を実現する技術として注目を浴びている。こうしたX線の利用方法はさまざまであるが、その1つにpump-and-probe法による超高速現象の観測が挙げられ、こうした実験では高時間分解能を必要とすることから、100fs程度の電子バンチの生成が要求される。そこでわれわれは、この極短電子バンチの生成方法としてmain linacでのvelocity bunchingを考え、PARMELAによるシミュレーションでこれを評価した。加速管はTESLA型を仮定した。これにより電荷量77pCの電子バンチが3.2psから0.17psまで圧縮できることを確認した。エミッタンスに関しては1.5$$pi$$mm.mradで、わずかな増大が確認されたが、それは許容範囲であった。今後、このシミュレーションをもとに低電荷量,低エミッタンスビームに対する圧縮の実証実験を東大18Lライナックで行う。

報告書

原研ERL-FELのための制御・データベースシステムの開発

菊澤 信宏

JAERI-Tech 2005-022, 48 Pages, 2005/03

JAERI-Tech-2005-022.pdf:3.14MB

原研ERL-FELではパーソナルコンピュータ(PC)ベースのネットワーク分散処理型制御系を独自開発し、運転を行ってきた。その制御系はイーサネットで接続されたPC(NEC製PC98シリーズ)上に構築された。しかしながら、PCは使用開始からすでに10年以上が過ぎてPCの規格が変わってしまったために修理や交換部品の入手が難しく、今後の機能の維持が困難となっていた。さらに、オペレーティングシステム(OS)のメーカサポートの打ち切りにより修正プログラムが提供されなくなったため、多数のPCをネットワークで接続して使用することはネットワークセキュリティ上の問題があった。このため、従来のPCベースのネットワーク分散処理型制御系の信頼性や安全性を向上させるために、高い信頼性が要求される産業用機器や家電などに多くの導入実績を持つ$$mu$$ITRONをOSとして組み込んだコントローラを開発した。このローカルコントローラの開発とあわせて、将来のコンソール用計算機の更新が容易なように、多くの処理系で高い互換性を持つJava言語により制御用プログラムを新規に開発した。これらによって、高い信頼性と互換性が確保されたため、長期間の連続運転を前提とした信頼性の高い独自の制御系の開発に成功した。

論文

Experimental verification of velocity bunching via shot-by-shot measurement at S-band photoinjector and linac

飯島 北斗; 上坂 充*; 坂本 文人*; 上田 徹*; 熊谷 教孝*; Serafini, L.*

Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, 44(7A), p.5249 - 5253, 2005/01

 被引用回数:8 パーセンタイル:65.75(Physics, Applied)

「速度集群」と呼ばれる圧縮方法の実験的な検証を報告する。 線形圧縮に基づく速度集群は圧縮器として進行波型の加速管を使用する。 実験は東京大学の原子力工学研究施設にあるS-バンドのフォトカソードRF電子銃と線形加速器を用いて行われた。1バンチごとのバンチ長はフェムト秒ストリークカメラにより、バンチあたりの電荷量1nCに対して、平均0.5$$pm$$0.1ps(rms)と測定された。この結果はPARMELAによるシミュレーションとよく一致している。

論文

JAERI 10kW high power ERL-FEL and its applications in nuclear energy industries

峰原 英介; 羽島 良一; 飯島 北斗; 菊澤 信宏; 永井 良治; 西森 信行; 西谷 智博; 沢村 勝; 山内 俊彦

Proceedings of 27th International Free Electron Laser Conference (FEL 2005) (CD-ROM), p.305 - 308, 2005/00

原研高出力ERL-FELは10kWよりも高出力高効率FELに拡張された。これは原子力エネルギー産業、とその他の重工業たとえば防衛,造船,化学工業,環境科学,スペースデフリ処理,エネルギー伝送などのために開発されたものである。波長可変,高効率,高平均出力,高ピーク出力,極短パルスを実現するために、エネルギー回収配位を持つ原研独自のコンパクト,自立式,無蒸発型超伝導リニアックによって駆動される効率的な高出力のFELが必要である。このERL-FELに関する議論はこの10kWアップグレードの現状と原子力発電所の廃炉措置を行うための非熱剥ぎ取り,切断,穿孔などの応用と、また小さな立方体の低炭素ステンレス鋼を用いて、定常運転状態での原子力発電所における冷間加工応力腐食割れ故障予防の原理検証を成功裏に実行できたことについて述べられる。

論文

Laser pattern profile emitted through optical glass fiber bundle with load

山内 俊彦

Japanese Journal of Applied Physics, 43(9A), p.6473 - 6474, 2004/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Applied)

自由電子レーザー等のレーザー用光学バンドルファイバーを通ったHe-Neレーザーの出力分布は、ファイバーに加えられた負荷に強く依存する(横モード変調)。出力分布半径の増分は、負荷とともに指数関数的に増加する。これはマイクロベンディングに起因していると考えられる。一方、遅延時間もまた負荷とともに指数関数的に増加する。この遅延時間は、ピコ秒程度と小さい。

論文

Analysis of an FEL oscillator at zero detuning length of an optical cavity

西森 信行

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 528(1-2), p.34 - 38, 2004/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:89.14(Instruments & Instrumentation)

原研FELで初めて観測された光共振器の完全同期長発振の解析の報告である。完全同期長発振のFEL電場はself-amplified spontaneous emission (SASE) FELとよく似た性質を持っている。どちらの場合にも、光の先頭部分は自発放射光レベルであり、コヒーレントな増幅電場がそれに続く。完全同期長では、FEL光は光共振器でフィードバックされ、電子と繰り返し相互作用する。コヒーレント電場は成長を続け、飽和状態では 高い電子密度を持つSASE-FELの立上り電場とよく似た性質を持つ。完全同期長発振のピークパワーとパルス幅は、FELパラメーターと光共振器のロスにスケールする。

論文

Emittance compensation in a return arc of an energy-recovery linac

羽島 良一

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 528(1-2), p.335 - 339, 2004/08

 被引用回数:13 パーセンタイル:32.57(Instruments & Instrumentation)

エネルギー回収型リニアックを用いた高出力自由電子レーザー,次世代放射光源の開発における重要な検討課題の一つが、周回軌道におけるビームエミッタンスの増大である。われわれは、適切な周回軌道設計を行うことによって、コヒーレント放射光によるエミッタンス増大が抑制できることを示す。また、簡便な行列計算でエミッタンス増大量の評価が可能であることを述べる。

論文

Optical resonator optimization of JAERI ERL-FEL

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

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 528(1-2), p.231 - 234, 2004/08

 被引用回数:2 パーセンタイル:81(Instruments & Instrumentation)

原研ERL-FELの高出力化のために光共振器形状の最適化を行った。FELの効率は光共振器の出力効率,相互作用モード体積といった光共振器の性能に依存している。光共振器の出力効率,相互作用モード体積をそれぞれ最大化,最小化することにより形状の最適化を行った。光共振器の出力効率及び相互作用モード体積はFFTにより改良したFox-Liの手法を用いたシミュレーションコードにより計算した。

論文

SASE-FELにおける電子位相空間分布の時間発展の解析解

西森 信行

Proceedings of 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 29th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.174 - 176, 2004/08

SASE FELの放射光パワーの時間発展を表すキュービック方程式の解と対になる、電子の位相空間分布の時間発展の解析解を1次元FEL方程式を用いて求めたので報告する。飽和以前の指数関数的にパワーが増加する領域において、この解はシミュレーション結果とよく一致する。この解を用いて、アンジュレーター周期数1/$$rho$$で飽和する等、SASEでよく知られた関係式を導き出す。

報告書

大電流線形誘導加速器の開発研究

前原 直; Zheng, X.*; 渡辺 聡彦*; 木代 純逸*; 高山 健*; 堀岡 一彦*; 小川 雅生*; 川崎 温*; 志甫 諒

JAERI-Research 2004-007, 40 Pages, 2004/03

JAERI-Research-2004-007.pdf:4.48MB

大電流線形誘導加速器の開発として、1995年から2002年までの共同研究の成果と原研独自の研究成果を総括した。線形誘導加速器の要素開発として、東工大が行った強磁性体のファイメットコアについて、250kV-100nsの誘導電圧に対して1kHzの繰返し運転が可能であることが判明した。またKEKでは1MHzの高繰返パルスモジュレータの開発に成功した。電子ビーム加速実験では、原研が1MeV-1kAの低エミッタンス電子銃を設計し、2MeVまでの追加速に成功した。イオン加速では、東工大が120kV-200mAのCu$$^{+}$$イオンの引出しに成功した。また線形誘導加速器の応用として、原研が2MeVにおいてXバンドFELの設計を行い、200MWのBWOに成功に基づき、コンパクトな発振系であるBWO-FELの概念設計を提案し、Xバンドにおいて500MW-800MWの大出力発振系の開発に目処がついた。またその他の線形誘導加速器を使った実験や計画について、MTX実験や高勾配加速器,誘導型シンクロトン,ニュトリノファクトリ計画を解説し、全体を総括した。

論文

Phase shift induced by free electron laser interaction

西森 信行; 羽島 良一; 永井 良治

Free Electron lasers 2003, p.II_21 - II_22, 2004/00

共鳴エネルギーを持つ電子と自由電子レーザー(FEL)との相互作用ではゲインが0となるため、ゲインを得るには共鳴エネルギーよりわずかに高いエネルギーで入射する必要があることはMadey理論として知られている。一方で、FELパラメーターの大きい(波長単位での電子密度が高い)FELでは、共鳴エネルギーでもゲインを持つことが、collective instabilityとして知られている。FELとの相互作用で波長単位でバンチされた電子と、FELが相互作用することにより生じるFELの位相シフトから、この一見相反する2つの事実を説明できる。

論文

Analytical solution of phase space evolution of electrons in a SASE FEL

西森 信行

Proceedings of 26th International Free Electron Laser Conference (FEL 2004) and 11th FEL Users Workshop (CD-ROM), p.41 - 44, 2004/00

飽和前のSASE FELの電子の位相空間分布の時間発展の解析解を、1次元FEL方程式を用いて求めた。解析解は1次元FEL方程式を用い、ショットノイズの効果を採り入れたシミュレーション計算結果とよく一致する。SASE放射光電場は電子の最適なバンチングが起こったときに飽和に至る。最適なバンチングの条件からSASEでよく知られた飽和条件の$$rho$$Nw 1を導き出す。

論文

20.8MHz electron gun system for an energy recovery linac FEL at JAERI

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

Proceedings of 3rd Asian Particle Accelerator Conference (APAC 2004), p.625 - 627, 2004/00

原研FELではエネルギー回収リニアックFELの発振パワー向上のため、入射系の電子ビームパワー増加に取り組んでいる。開発の一貫として、電子銃の繰り返し周波数を従来の10.4MHzから2倍の20.8MHzに増やすことに成功した。電子銃はグリッドパルサーで駆動するDC熱電子銃であり、グリッドパルサーの繰り返し周波数の増加が必須となる。ロシアのブドカー研究所で開発されたグリッドパルサーを導入して、この目的を達成した。電子銃後のビーム性能を測定したところ、パルス幅は電荷量0.5nCに対して0.6ns、振幅変動は1.2%rms、時間ジッターは13psrmsとなり、輝度,安定性とも従来のものに比べて優れている。

論文

Analysis of an FEL oscillator at zero detuning length of an optical cavity in the early stage of the field evolution

西森 信行

第14回加速器科学研究発表会報告集, p.108 - 110, 2003/11

完全同期長における高強度極短パルスFEL生成のメカニズムについて理論解析を行う。共振器型FELの最初のパスで形成される電場はSelf Amplified Spontaneous Emission(SASE)と同じであり、FELパラメーターで特徴づけられる。完全同期長でnパス後に、このSASE電場と電子のFEL相互作用で得られる電場は、FELパラメーターとパス数nで特徴づけられるSASEとよく似た電場であることを示す。

論文

原研ERL-FELの制御系更新計画

菊澤 信宏

Proceedings of 28th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.437 - 439, 2003/08

原研自由電子レーザー用制御系はPCをベースにした分散処理型制御系であるが、1992年から使用を開始し、何度かの大きな変更を行いながらも基本的な部分は変更せずに使用してきた。しかしながら、PCとインターフェースボードが入手困難となり、ハードウェア,ソフトウェアの更新が必要となっている。本研究会では、現状の問題点と今後の更新計画の概要とシステムについて述べる。

論文

原研ERLにおける10kW級FELの開発

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

Proceedings of 28th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.390 - 392, 2003/08

原研ERL-FELでは、10kW級FEL発振を目指した装置開発を行っている。本稿では、これら装置開発の内容を概括し、将来の展望を述べる。具体的には、ERLにおけるエネルギーアクセプタンスとFEL変換効率の見積もり,ビーム電流増大のための入射器増強の戦略と現状,超伝導加速器安定化のためのRF制御系の改良などである。

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