Challenging research toward realization of THz-wave electron accelerator

• Project/Area Number: 18K18758
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kashiwagi Shigeru 東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (60329133)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 坂上 和之 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 主幹研究員 (80546333) ; 渡邉 謙 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 助教 (70534816)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2019: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2018: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: テラヘルツ波 / 極短電子ビーム / 加速器 / レーザー / フォトカソード / テラヘルツ / 偏光操作 / テーブルトップ加速器 / 偏光 / 加速 / 電子ビーム / 光陰極 / 光電子

Outline of Final Research Achievements

To realize a THz wave-driven electron accelerator, the scale matching of "Wavelength of the electromagnetic fields used for beam acceleration" and "3D beam size" is the key issue. In this research, we developed the electron source for generating the extremely short beam and an accelerating structure for THz wave with feed coupler. In the development of a DC photocathode electron gun, we clarified the parameters required to generate femtosecond electron pulses. A prototype of the Yb fiber laser for the photocathode has been build and succeeded to generate less than 100 fs laser pulse. In the design study of THz structure, we considered a type in which a dielectric is attached to the inside of a conductor. THz waves are converted from linearly polarized to radially polarized wave and faded through a tapered coupler. We demonstrated the polarization manipulation using the THz wave generated by the accelerator and established the technology for the polarization control.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、テラヘルツ波駆動の電子加速器の可能性について、電子源および加速構造体についてその課題を明らかにすることができたことは、テーブルトップサイズの粒子加速器の小型化に向けた大きな一歩であり、基礎科学から産業応用まで幅広い分野に大きな影響を与えるものである。特に、ビームと加速電磁波のスケールマッチングを軸として研究に取り組み、実現性と信頼性の両方を考慮した学術的にも意義のある研究である。

Research Products

• [Journal Article] Demonstration of variable polarized coherent terahertz source (2020)
  • Author(s): Shigeru Kashiwagi, Hirotoshi Saito, Fujio Hinode, Yuto Ishizuki, Ken Kanomata, Sadao Miura, Nozomu Morita, Toshiya Muto, Ikurou Nagasawa, Ken-ichi Nanbu, Koutaro Shibata, Ken Takahashi, Kento Terada, Hiroki Yamada, Hiroyuki Hama, Heishun Zen, Akinori Irizawa
  • Journal Title: Infrared Physics & Technology Volume: 106 Pages: 1032741-4
  • DOI: 10.1016/j.infrared.2020.103274
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] コヒーレントTHzアンジュレータ放射の偏光スイッチング (2020)
  • Author(s): 柏木 茂，齊藤 寛峻，寺田 健人，石附 勇人，鹿又 健，柴田 晃太朗，髙橋 健，長澤 育郎，南部 健一，日出 富士雄，三浦 禎雄，武藤 俊哉，山田 悠樹，山本 大喜，濱 広幸，全 炳俊，入澤 明典
  • Journal Title: 日本加速器学会 第17回年会プロシーディングス Volume: 17 Pages: 120-123
  • Open Access
• [Journal Article] アンジュレータ超放射のコヒーレンスを用いた電子ビーム特性測定の検討 (2020)
  • Author(s): 寺田 健人，柏木 茂，石附 勇人，鹿又 健，柴田 晃太朗，髙橋 健，長澤 育郎，南部 健一，日出 富士雄，三浦 禎雄，武藤 俊哉，山田 悠樹，山本 大喜，濱 広幸
  • Journal Title: 日本加速器学会 第17回年会プロシーディングス Volume: 17 Pages: 124-126
  • Open Access
• [Journal Article] Light source based on a 100 mm-long monolithic undulator magnet with a very short 4 mm-period length (2019)
  • Author(s): S. Yamamoto, S. Kashiwagi, S. Masuda, N. Nakanii, T. Hosokai, M. Kando, T. Muto, K. - Nanbu, F. Hinode and H. Hama
  • Journal Title: J. Synchrotron Rad. Volume: 26 Issue: 6 Pages: 1902-1910
  • DOI: 10.1107/s1600577519013031
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] コヒーレントTHzアンジュレータ放射の偏光スイッチング (2020)
  • Author(s): 柏木 茂
  • Organizer: 日本加速器学会 第17回年会
• [Presentation] アンジュレータ超放射のコヒーレンスを用いた電子ビーム特性測定の検討 (2020)
  • Author(s): 寺田 健人
  • Organizer: 日本加速器学会 第17回年会
• [Presentation] Demonstration of variable polarized coherent terahertz source (2019)
  • Author(s): Shigeru Kashiwagi et al.
  • Organizer: 10th International Workshop on Infrared Microscopy and Spectroscopy with Accelerator Based Sources
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] テラヘルツコヒーレントアンジュレータ放射の偏光制御 (2019)
  • Author(s): 柏木茂 他
  • Organizer: 第16回 日本加速器学会年会 （京都大学）
• [Presentation] テラヘルツコヒーレントアンジュレータ放射の偏光制御に関する研究 (2019)
  • Author(s): 柏木茂,齊藤寛峻, 全炳俊, 入澤明典, 鹿又健, 森田希望, 高橋健, 長澤育郎, 南部健一, 二宮慎吾,日出富士雄, 三浦禎雄, 武藤俊哉, 山田悠樹, 濱広幸
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会（2019）