Development of an intense terahertz-wave source based on coherent Cherenkov radiation matched to circular plane wave

• Project/Area Number: 19H04406
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: Sei Norihiro 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (20357312)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 境 武志 日本大学, 理工学部, 准教授 (20409147) ; 田中 俊成 日本大学, 理工学部, 研究員 (30155147) ; 小川 博嗣 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (60356699) ; 住友 洋介 日本大学, 理工学部, 助教 (70729243)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2020: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2019: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 量子ビーム計測 / コヒーレントチェレンコフ放射 / テラヘルツ / 縦偏光 / 量子ビーム / 光源技術

Outline of Research at the Start

非線形分光の研究が光誘起相転移の観測等に有用なテラヘルツ帯でも開拓され、尖頭出力および平均出力の高い広帯域光源の開発が希求されている。この学術的課題に応えるため、我々は平面波コヒーレントチェレンコフ放射の原理を考案した。中空円錐管内で発生した放射を円錐管底面から平面波として取り出せるため、既存の加速器光源技術よりも1桁以上強い広帯域テラヘルツ光を期待できる。本研究では日本大学の加速器施設にて平面波コヒーレントチェレンコフ放射源を開発し、従来にはない高尖頭出力かつ高平均出力のテラヘルツ光源を実現する。さらに、集光ベクトルビームによる微細構造の形成機序解明なども期待され、光科学の発展に貢献する。

Outline of Final Research Achievements

By passing a relativistic electron beam though a hollow conical tube made of a high-resistance silicon, an intense terahertz beam based on coherent Cherenkov radiation matched to a circular plane wave has been developed at Laboratory for Electron Beam Research and Application of Nihon University. The generated terahertz beam was transported to a laboratory by a terahertz beamline using a toroidal mirror and analyzed in a dry air environment. The terahertz beam separated from the coherent edge radiation by the Michelson interferometer was confirmed to be the coherent Cherenkov radiation matched to a circular plane wave. We plan to increase the intensity of the terahertz beam and elucidate the characteristics of the longitudinally polarized electric field by improving the hollow conical tube.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

コヒーレントチェレンコフ放射の基本特性に関する研究は東北大学や京都大学にて20年ほど前に行われていたが、集光の困難さ故に光源としては普及しなかった。しかし、10年ほど前にUCLAが金属被覆の石英中空円錐管にて単色のコヒーレントチェレンコフ放射発生に成功し、再び脚光を浴びるようになった。この研究では0.01mJを超える出力が得られているが、単色化のためにパルス幅が長くなり、尖頭出力はMWには到達しない。本研究では、誘電体構造を工夫して円錐面で広がる放射を平面波に変換するため、従来にない高尖頭出力・高平均出力の広帯域テラヘルツ光を創生できる。加速器科学の発展とテラヘルツ応用の推進が期待される。

Research Products

• [Journal Article] Peak Shift of Coherent Edge Radiation Spectrum Depending on Radio Frequency Field Phase of Accelerator (2022)
  • Author(s): Sei Norihiro、Zen Heishun、Ohgaki Hideaki
  • Journal Title: Applied Sciences Volume: 12 Issue: 2 Pages: 626-626
  • DOI: 10.3390/app12020626
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 日本大学電子線利用研究施設におけるコヒーレントエッジ放射の光源開発 (2022)
  • Author(s): 境 武志、早川 恭史、住友 洋介、清 紀弘
  • Journal Title: 日本赤外線学会誌 Volume: 31(2) Pages: 76-83
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron-Bunch Shape Unveiled by Coherent Edge Radiation (2021)
  • Author(s): 清 紀弘
  • Journal Title: Journal of the Particle Accelerator Society of Japan Volume: 18 Issue: 2 Pages: 72-80
  • DOI: 10.50868/pasj.18.2_72
  • NAID: 130008071592
  • ISSN: 1349-3833, 2436-1488
  • Year and Date: 2021-07-31
  • Open Access
• [Journal Article] Design and Construction of an Intense Terahertz-Wave Source based on Coherent Cherenkov Radiation Matched to Circle Plane Wave (2021)
  • Author(s): N. Sei, H. Ogawa, K. Hayakawa, Y. Hayakawa, K. Nogami, T. Sakai, Y. Sumitomo, Y. Takahashi, T. Tanaka, T. Takahashi
  • Journal Title: Proceedings of the 12th International Particle Accelerator Conference Volume: 1 Pages: 2751-2754
  • Open Access
• [Journal Article] Observation of terahertz coherent edge radiation amplified by infrared free-electron laser oscillations (2021)
  • Author(s): Sei Norihiro、Sakai Takeshi、Hayakawa Yasushi、Sumitomo Yoske、Nogami Kyoko、Tanaka Toshinari、Hayakawa Ken
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 34331-11
  • DOI: 10.1038/s41598-021-82898-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] First demonstration of coherent resonant backward diffraction radiation for a quasi-monochromatic terahertz-light source (2020)
  • Author(s): Sei Norihiro、Takahashi Toshiharu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 75261-11
  • DOI: 10.1038/s41598-020-64426-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluation of Bunch Length by Measuring Coherent Synchrotron Radiation with a Narrow-Band Detector at LEBRA (2020)
  • Author(s): Sakai Takeshi、Hayakawa Ken、Tanaka Toshinari、Hayakawa Yasushi、Nogami Kyoko、Sei Norihiro
  • Journal Title: Condensed Matter Volume: 5 Issue: 2 Pages: 341-10
  • DOI: 10.3390/condmat5020034
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multiple-Collision Free-Electron Laser Compton Backscattering for a High-Yield Gamma-Ray Source (2020)
  • Author(s): Sei Norihiro、Ogawa Hiroshi、Jia QiKa
  • Journal Title: Applied Sciences Volume: 10 Issue: 4 Pages: 1418-1418
  • DOI: 10.3390/app10041418
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] コヒーレント共鳴後方回折放射による準単色テラヘルツ光源の研究 (2020)
  • Author(s): 清 紀弘、高橋 俊晴
  • Journal Title: 日本赤外線学会誌 Volume: 29(2) Pages: 49-56
  • NAID: 40022162721
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Research of coherent edge radiation generated by electron beams oscillating free-electron lasers (2019)
  • Author(s): Sei N、Ogawa H、Tanaka T、Hayakawa Y、Sakai T、Sumitomo Y、Takahashi Y、Hayakawa K、Nogami K、Zen H、Ohgaki H
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1350 Issue: 1 Pages: 012039-012039
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1350/1/012039
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of Coherent Terahertz Wave Sources and Transport Systems at LEBRA Linac (2019)
  • Author(s): T. Sakai, Y. Hayakawa, Y. Sumitomo, T. Tanaka, K. Hayakawa, K. Nogami, N. Sei, H. Ogawa
  • Journal Title: Proc. 10th Int. Particle Accelerator Conf. Volume: 1 Pages: 1775-1777
  • Open Access
• [Presentation] 日本大学におけるテラヘルツ帯平面波コヒーレントチェレンコフ放射源の開発状況 (2022)
  • Author(s): 清 紀弘、小川 博嗣、早川 恭史、境 武志、住友 洋介、田中 俊成、早川 建、高橋 由美子、野上 杏子、高橋 俊晴
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] Design and Construction of an Intense Terahertz-Wave Source based on Coherent Cherenkov Radiation Matched to Circle Plane Wave (2021)
  • Author(s): N. Sei, H. Ogawa, K. Hayakawa, Y. Hayakawa, K. Nogami, T. Sakai, Y. Sumitomo, Y. Takahashi, T. Tanaka, T. Takahashi
  • Organizer: The 12th International Particle Accelerator Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Toward THz Coherent Undulator Radiation Experiment With a Combination of Velocity Bunchings (2021)
  • Author(s): Y. Sumitomo, T. Sakai, K. Hayakawa, Y. Hayakawa, K. Nogami, T. Tanaka, N. Sei
  • Organizer: The 12th International Particle Accelerator Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An Experimental Challenge with Accelerator and Plasma to Astrophysical Fast Radio Bursts (2021)
  • Author(s): Y. Sumitomo, T. Asai, S. Kisaka, Y. Hayakawa, S. Inagaki, N. Kawanaka, D. Kobayashi, H. Koguchi, S. Kumagai, T. Sakai, N. Sei, T. Seki
  • Organizer: Optics & Photonics International Congress 2021 / High Energy Density Sciences 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 赤外自由電子レーザー施設におけるTHz帯コヒーレントエッジ放射源の開発 (2021)
  • Author(s): 清 紀弘
  • Organizer: 2021年度ビーム物理研究会
  • Invited
• [Presentation] 高強度コヒーレントエッジ放射光源の開発及び利用研究 (2021)
  • Author(s): 清 紀弘、小川 博嗣、早川 恭史、境 武志、住友 洋介、田中 俊成、早川 建、高橋 由美子、野上 杏子、山添 亮、木下 耀、大谷 昭仁、川島 雄介、金田 隆、全 炳俊、大垣 英明
  • Organizer: 第30回日本赤外線学会研究発表会
• [Presentation] 日本大学電子線利用研究施設PXRラインにおけるテラヘルツ光源の研究開発 (2021)
  • Author(s): 境 武志、清 紀弘、早川 恭史、住友 洋介、早川 建、田中 俊成、野上 杏子、高橋 由美子、斉藤 広斗、廣原 匠
  • Organizer: 第18回日本加速器学会年会
• [Presentation] テラヘルツ波分光計測における水蒸気の吸収軽減および吸収補正に関する検討 (2021)
  • Author(s): 山添 亮、木下 耀、清 紀弘、境 武志、大谷 昭仁
  • Organizer: 2021年電気学会計測/知覚情報合同研究会
• [Presentation] 日本大学におけるテラヘルツ帯平面波コヒーレントチェレンコフ放射源の開発計画 (2021)
  • Author(s): 清 紀弘、小川 博嗣、早川 恭史、境 武志、住友 洋介、田中 俊成、早川 建、高橋 由美子、野上 杏子、高橋 俊晴
  • Organizer: 第34回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] コヒーレントエッジ放射のすすめ (2021)
  • Author(s): 清 紀弘
  • Organizer: 第27回FELとHigh-Power Radiation 研究会
  • Invited
• [Presentation] テラヘルツ帯コヒーレント放射源の新規開発と電子バンチ波形観測への応用 (2020)
  • Author(s): 清 紀弘、小川 博嗣、早川 恭史、境 武志、住友 洋介、田中 俊成、早川 建、高橋 由美子、野上 杏子、全 炳俊、大垣 英明、高橋 俊晴
  • Organizer: 日本赤外線学会第29回研究発表会
• [Presentation] Observation of temporal evolution of coherent edge radiation during free-electron laser oscillations (2020)
  • Author(s): N. Sei, H. Zen, H. Ohgaki
  • Organizer: The 11th International Symposium of Advanced Energy Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 日本大学LEBRAにおけるコヒーレントエッジ放射源の開発 (2020)
  • Author(s): 境 武志，清 紀弘，早川 恭史，住友 洋介，早川 建，田中 俊成，野上 杏子，高橋 由美子，岡崎 大樹，黒澤 歩夢，斉藤 広斗，廣原 匠
  • Organizer: 第17回 日本加速器学会年会
• [Presentation] 日本大学125MeV電子線形加速器および光源開発の現状報告 (2020)
  • Author(s): 野上 杏子，早川 恭史，境 武志，住友 洋介，高橋 由美子，早川 建，田中 俊成，清 紀弘，小川 博嗣，古川 和朗，道園 真一郎，土屋 公央，吉田 光宏，諏訪田 剛，福田 茂樹，榎本 收志，大澤 哲，山本 樹，新冨 孝和
  • Organizer: 第17回 日本加速器学会年会
• [Presentation] 日大での準単色コヒーレントTHzアンジュレーター放射に向けた開発状況 (2020)
  • Author(s): 住友 洋介、境 武志、清 紀弘、早川 建、早川 恭史、黒澤 歩夢、野上 杏子、岡崎 大樹、田中 俊成
  • Organizer: 第17回 日本加速器学会年会
• [Presentation] 平面波コヒーレントチェレンコフ放射に基づく高出力テラヘルツ光源の開発計画 (2020)
  • Author(s): 清 紀弘、小川 博嗣、早川 恭史、境 武志、住友 洋介、田中 俊成、早川 建、高橋 由美子、野上 杏子、高橋 俊晴
  • Organizer: 第33回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] Research of coherent edge radiation generated by electron beams oscillating free-electron lasers (2019)
  • Author(s): N. Sei, H. Ogawa, T. Tanaka, Y. Hayakawa, T. Sakai, Y. Sumitomo, Y. Takahashi, K. Hayakawa, K. Nogami, H. Zen, H. Ohgaki
  • Organizer: 10th International Particle Accelerator Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Coherent Terahertz Wave Sources and Transport Systems at LEBRA Linac (2019)
  • Author(s): T. Sakai, Y. Hayakawa, Y. Sumitomo, T. Tanaka, K. Hayakawa, K. Nogami, N. Sei, H. Ogawa
  • Organizer: 10th International Particle Accelerator Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of electron bunch shape for high-power FEL oscillations using coherent edge radiation (2019)
  • Author(s): N. Sei, H. Zen, H. Ohgaki
  • Organizer: The 10th International Symposium of Advanced Energy Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Intense Terahertz pulse images of the malignant tumor; a preliminary study using liver cancer (2019)
  • Author(s): Yusuke Kawashima, Norihiro Sei, Hiroshi Ogawa, Yasushi Hayakawa, Takashi Sakai, Kyoko Nogami, Toshinari Tanaka, Ken Hayakawa, Masaaki Suemitsu, Kayo Kuyama, Satoshi Tokunaga, Yoshinobu Hara, Hiroko Indo, Hideyuki J Majima, Takashi Kaneda
  • Organizer: The 22nd International Congress of Dentomaxillo-facial Radiology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 日本大学における加速器テラヘルツ光源の開発および計画 (2019)
  • Author(s): 清 紀弘、早川 恭史、境 武志、住友 洋介、田中 俊成、高橋 由美子、早川 建、野上 杏子、高橋 俊晴
  • Organizer: 第26回FELとHigh-Power Radiation研究会
• [Presentation] 日本大学LEBRA FEL ビームラインにおけるコヒーレントエッジ放射源の開発 (2019)
  • Author(s): 境 武志、清 紀弘、早川 恭史、住友 洋介、田中 俊成、野上 杏子、高橋 由美子、早川 建、小川 博嗣
  • Organizer: 第16回日本加速器学会年会
• [Presentation] 日本大学125MeV電子線形加速器の現状報告 (2019)
  • Author(s): 野上 杏子、早川 建、田中 俊成、境 武志、住友 洋介、高橋 由美子、清 紀弘、小川 博嗣、古川 和朗、道園 真一郎、土屋 公央、吉田 光宏、諏訪田 剛、福田 茂樹、榎本 收志、大澤 哲、新富 孝和、佐藤 勇
  • Organizer: 第16回日本加速器学会年会
• [Presentation] 日本大学における加速器高出力テラヘルツ波源の開発計画 (2019)
  • Author(s): 清 紀弘、早川 恭史、境 武志、住友 洋介、田中 俊成、高橋 由美子、早川 建、野上 杏子、金田 隆、川島 雄介、高橋 俊晴
  • Organizer: 第28回日本赤外線学会研究発表会
• [Remarks] 産業技術総合研究所 分析計測標準研究部門 放射線イメージング計測研究グループ
  • URL: https://unit.aist.go.jp/rima/ja/teams/rad-imag.html
• [Remarks] 産総研 分析計測標準研究部門 放射線イメージング計測研究グループ
  • URL: https://unit.aist.go.jp/rima/ja/teams/rad-imag.html
• [Remarks] 日本大学電子線利用研究施設
  • URL: http://www.lebra.nihon-u.ac.jp/
• [Remarks] 産総研 放射線イメージング計測研究グループ
  • URL: https://unit.aist.go.jp/rima/rad-imag/group.html