2015 Fiscal Year Research-status Report
小型高出力テラヘルツ光源のための基本波スミスパーセル自由電子レーザーの開発
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15K13412
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
西森 信行 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究主幹 (60354908)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 光陰極直流電子銃 / スミスパーセル自由電子レーザー / テラヘルツ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
カスケードスミスパーセル自由電子レーザー（SP-FEL）により、エバネッセント基本波長でのコヒーレントSP放射を実証し、高出力小型テラヘルツ（THz）光源を開発することが目的である。平成27年度は①電子源と②スミスパーセル放射光発生装置の整備をそれぞれ実施した。
①電子源整備では250kV光陰極電子銃から電子ビームを生成することに成功した。直流光陰極電子銃では高電圧性能と光陰極性能が鍵となる。高電圧性能を実現するため、230kVまでの高電圧コンディショニングを行い210kVで8時間以上の無放電を達成した。これによりTHz SP-FELに必要な高電圧性能を満たした。光陰極は長寿命、高効率性能が重要である。光電子増倍管の光電面として高い実績を持つ、セシウムアンチモン（CsSb）光陰極の成膜を行い、5.8%という高い量子効率（予定の2倍）を実現した。CsSb光陰極を電子銃にインストールして電圧150kVで電流1.3uAのビーム生成に成功した。
②スミスパーセル放射光発生装置の整備では、電子銃下流ビームラインにスミスパーセル放射用の回折格子、THz光取り出し用の合成石英窓をインストールし、真空排気を行った。光陰極電子銃からのビーム生成は放射光発生装置インストール状態で行っている。THz光検出のためにダイオード検波器を整備し、KEKのコンパクトERLでコヒーレント遷移放射光を用いて動作確認テストを実施したが、本テスト実験では信号が観測されなかった。検波器附属のテラヘルツ集光用ホーンを装着していなかったことが原因と考えられ、次年度以降に購入整備することにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
スミスパーセル自由電子レーザー（SP-FEL）を用いた高出力小型テラヘルツ（THz）光源開発を目的した本研究では、装置として①電子源と②スミスパーセル放射光発生装置の開発が必須である。
H27年度①電子源開発計画は、3%@532nmの量子効率を持つアルカリ光陰極を開発し、レーザー波形整形によりシート状電子ビームを生成することであった。H27年度進捗状況は、6%@532nmの量子効率を持つアルカリ光陰極の開発に成功し、未波形整形電子ビームを生成した。当初予定の2倍の量子効率実現により、目標とする50mA電子ビーム生成に必要なレーザーパワーが2Wとなり、レーザー負荷の半減に成功した。実験で用いる電子銃は、東日本大震災後に、実験室内で設置場所を移動した。カソード電極の交換や下流ビームライン・制御システムの再構築などを行ったため、ビーム生成自体が7年振りとなる大仕事であった。レーザー波形整形は、必要な光学部品を次年度以降に準備すれば比較的容易に実現できると考えられる。以上のことから、おおむね順調に進展している。
H27年度②スミスパーセル放射光発生装置開発計画は、回折格子上のビームサイズ確認とテラヘルツ光検出器の整備であった。H27年度進捗状況は、回折格子をビームラインにインストールしたが、その位置でのビームサイズ確認は未実施である。ビームサイズ確認用の蛍光スクリーンはインストール済みであり、レーザー波形整形実現後、実施したいと考えている。別の蛍光スクリーンを用いたビームプロファイル確認は実施済みである。テラヘルツ光検出器については整備し、コヒーレント遷移放射光を用いたテストを行った。信号が検出されなかったことから、集光用ホーンの重要性に気づき、次年度以降の整備を予定している。以上のことから、おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
スミスパーセル自由電子レーザー（SP-FEL）を用いた高出力小型テラヘルツ（THz）光源開発を目的した本研究では、①電子源と②スミスパーセル放射光発生装置の整備を個別に推進し、かつ③統合実験を行う必要がある。
①電子源開発の個別目標は最大50mAのビーム電流生成である。電子銃電圧150kVでは、ビームダンプで7.5kWのビームパワーを受け止め、発生する放射線や真空中のアウトガスを抑制する必要がある。そのために、ビームダンプの水冷、ダンプでのサイズを広げるためのビームエキスパンダ、放射線遮蔽、電子銃へのアウトガス逆流を防ぐための差動排気装置の整備が必要となる。それぞれについて、H27年度までに準備を進めており、動作確認を順次進める予定である。レーザーについては、パワー4.5mW@532nmを現状用いているが、50mAビーム生成のために5Wレーザーを設置する。レーザー波形整形用の光学部品も整備する予定である。
②スミスパーセル放射光発生装置としては、回折格子面とビーム軸の距離をコントロールするための直線導入機の動作確認を行い、THz検出器の集光ホーンを整備して、THz光計測準備を進める。
③統合実験では、回折格子面上のビームサイズ確認とTHz光検出実験を行う。本THz SP-FEL研究ではカスケード回折格子を用いることが鍵となるので、THz検出実験結果に基づき、2段目の回折格子パラメータの決定、設計製作を行い、カスケードSP-FEL実験を最後に実施する。
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| Causes of Carryover |
本年度購入したテラヘルツ検出器についてテスト実験を行った結果、当初計画では予定していなかった、検出器附属の集光ホーンを購入し装着する必要があることが判明した。検出器本体購入の残額は、次年度以降の本集光ホーン購入資金として、充てることにした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
テラヘルツ検出器の集光ホーン購入に使用する。
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