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コヒーレント放射の周波数干渉を用いた極短電子バンチ長モニタリング技術の開発

Research Project

Project/Area Number 22K12665
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 80040:Quantum beam science-related
Research InstitutionNational Institutes for Quantum Science and Technology

Principal Investigator

中新 信彦  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 光量子ビーム科学研究部, 主幹研究員 (70615509)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywordsレーザー加速 / バンチ長 / コヒーレント遷移放射 / 周波数干渉 / 電子バンチ
Outline of Research at the Start

高強度レーザーを用いたレーザー加速はフェムト秒という短いバンチ長(時間幅)を持つ高エネルギー電子バンチが発生可能な技術で小型加速器や超高速診断等への応用に期待されている。電子のバンチ長は加速器として重要なパラメータであり、短バンチ性を利用したプローブとしての利用では時間分解能に影響する。本研究ではレーザー加速の極短電子バンチを金属薄膜に通した際に発生するコヒーレントな光遷移放射(COTR)と超短パルスレーザーとの周波数領域での干渉からCOTRの位相を評価する技術を開発し、フェムト秒オーダーの電子バンチ長の評価を行う。

Outline of Annual Research Achievements

レーザープラズマ加速はフェムト秒という短いバンチ長で10 kAを超える大電流の高エネルギー電子バンチが発生可能な技術で小型加速器をはじめ超高速診断等への応用が期待されている。電子のバンチ長は加速器として重要なパラメータであり、時間分解プローブとしての利用では時間分解能に直結する。 しかし、レーザー加速におけるフェムト秒のバンチ長を正確に評価する手法が確立されていない。本研究ではコヒーレントな放射、特に電子バンチが金属薄膜に入射した際にその境界面で発生するコヒーレント光遷移放射(COTR)のスペクトルと各周波数における位相分布を、超短パルスレーザーとの周波数干渉から取得する技術を開発し、フェムト秒オーダーの電子バンチ長の評価を行う。
これまでにエネルギー数100 MeVで単色性が1%を下回る高品質なレーザー加速電子ビームを発生し、ステンレス薄板に通して発生するCOTRとプローブの超短パルスレーザーを干渉させ、空間および周波数干渉縞を得ることに成功した。今年度はこの周波数干渉縞からプローブに対するCOTRの相対的な位相分布を評価し、あらかじめ計測していたプローブの絶対位相と合わせることで、COTRの絶対位相を求めた。その結果、750~840 nmの帯域で位相分布が一様であることが確認された。この位相分布からCOTRのパルスの時間波形を再構成したところ半値全幅で~16.4 fsのパルスになっており、周波数干渉縞が得られた帯域(プローブの帯域)よりもさらに広い帯域のCOTRが観測できたため、電子バンチの時間幅はそれよりもさらに短いと示唆される。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画当初に予定していたレーザー加速電子ビームの安定化、電子ビームを使った近赤外から可視域の広帯域のCOTRの発生、さらには超短パルスレーザーと電子ビームで発生したCOTRの異種の光パルスの周波数干渉の計測に成功し、得られた結果から当初目的であるCOTRの絶対位相を評価し、そのパルス幅を評価した。その結果から電子バンチ長の上限値を得ることができた。

Strategy for Future Research Activity

COTRとレーザーの位相のフラつきから電子バンチのレーザーに対するタイミングジッターの評価を行う。 より高分解能でのバンチ長の評価を行うために、現在使用している~30 fsのレーザーパルスより広い帯域でのCOTR干渉計測を進める。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Electro-optic 3D snapshot of a laser wakefield accelerated kilo-ampere electron bunch2024

    • Author(s)
      Kai Huang, Zhan Jin, Nobuhiko Nakanii, Tomonao Hosokai, Masaki Kando
    • Journal Title

      Light: Science & Applications

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 84-84

    • DOI

      10.1038/s41377-024-01440-2

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Modular supersonic nozzle for the stable laser-driven electron acceleration2024

    • Author(s)
      Lei Zhenzhe、Jin Zhan、Gu Yan-Jun、Sato Shingo、Zhidkov Alexei、Rondepierre Alexandre、Huang Kai、Nakanii Nobuhiko、Daito Izuru、Kando Masaki、Hosokai Tomonao
    • Journal Title

      Review of Scientific Instruments

      Volume: 95 Issue: 1 Pages: 015111-015111

    • DOI

      10.1063/5.0181414

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical study on femtosecond electro-optical spatial decoding of transition radiation from laser wakefield accelerated electron bunches2023

    • Author(s)
      Kai Huang, Zhan Jin, Nobuhiko Nakanii, Tomonao Hosokai, Masaki Kando
    • Journal Title

      Physical Review Accelerators and Beams

      Volume: 26 Issue: 11 Pages: 112801-112801

    • DOI

      10.1103/physrevaccelbeams.26.112801

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Supersonic gas jet stabilization in laser?plasma acceleration2023

    • Author(s)
      Lei Zhen-Zhe、Gu Yan-Jun、Jin Zhan、Sato Shingo、Zhidkov Alexei、Rondepierre Alexandre、Huang Kai、Nakanii Nobuhiko、Daito Izuru、Kando Masakai、Hosokai Tomonao
    • Journal Title

      High Power Laser Science and Engineering

      Volume: 11

    • DOI

      10.1017/hpl.2023.82

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Precise pointing control of high-energy electron beam from laser wakefield acceleration using an aperture2023

    • Author(s)
      Nakanii Nobuhiko、Huang Kai、Kondo Kotaro、Kiriyama Hiromitsu、Kando Masaki
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 16 Issue: 2 Pages: 026001-026001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acb892

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] J-KAREN-Pペタワットレーザーシステムとその利用研究のリモート化と自動化への取り組み2022

    • Author(s)
      桐山 博光、眞柴 雄司、宮坂 泰弘、中新 信彦、近藤 康太郎、今 亮、福田 祐仁、西内 満美子
    • Journal Title

      レーザー研究

      Volume: 50 Pages: 678-682

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Beam stabilization and control of laser wakefield acceleration by laser near field shaping2023

    • Author(s)
      Nobuhiko Nakanii, Kai Huang, Zhan Jin, Kotaro Kondo, Izuru Daito, Hiromitsu Kiriyama, Tomonao Hosokai, Masaki Kando
    • Organizer
      7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics(AAPPS-DPP 2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Near field shaping of high intensity laser to control high energy electrons from laser wakefield accelerator2023

    • Author(s)
      Nobuhiko Nakanii, Kai Huang, Zhan Jin, Kotaro Kondo, Izuru Daito, Hiromitsu Kiriyama, Tomonao Hosokai, Masaki Kando
    • Organizer
      The 79th Fujihara Seminar: Prospects for High-field Science(PHFS2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Beam pointing control of laser wakefield accelerator by shaping near field profile of laser pulse2023

    • Author(s)
      Nobuhiko Nakanii, Kai Huang, Zhan Jin, Kotaro Kondo, Izuru Daito, Hiromitsu Kiriyama, Tomonao Hosokai, Masaki Kando
    • Organizer
      Quantum Beam Application for Sciences and Industries 2023(Q-BASIS 2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Beam stabilization and manipulation of laser wakefield accelerator by shaping of high-intensity laser pulse2023

    • Author(s)
      Nobuhiko Nakanii, Kai Huang, Zhan Jin, Kotaro Kondo, Izuru Daito, Hiromitsu Kiriyama, Tomonao Hosokai, Masaki Kando
    • Organizer
      High Energy Density Sciences 2023(HEDS2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 測定システム、プログラム、測定方法、及びレーザ加速自由電子レーザ装置2023

    • Inventor(s)
      中新信彦、近藤康太郎、ホァンカイ、神門正城、細貝知直、金展
    • Industrial Property Rights Holder
      量子科学技術研究開発機構、大阪大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2023-027811
    • Filing Date
      2023
    • Related Report
      2022 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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