Development of the proton beam control technology by the laser charge exchange for the ultrashort pulse spallation neutron source

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K11928
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 武井 早憲 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 J－PARCセンター, 研究主幹 (20414609)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: パルス核破砕中性子源 / 高出力レーザー / 光周回リング / レーザー荷電変換

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、周回している高出力レーザー光を用いてレーザー荷電変換により周回数に応じた時間構造を持つ水素イオンビームを切り出すため、高出力レーザーと光周回リングを組み合わせたレーザー光学系を開発し、ビューポート等の光学部品に問題がないことを確認する。
まず、平成30年度にはレーザー光を収束、拡大させながら±50μm程度の位置精度でレーザー光を4回周回させるレーザー周回リングを整備した。そして、令和元年度にはレーザー光路の位置安定性について、合計7日間の試験データを取得し、所定の精度になっていることを確認した。さらに、レーザーに対する耐力（レーザー耐力）が10 J/cm2のビューポートをレーザー周回リングに設置し、単位面積当たりの出力が2.7 J/cm2であるレーザー光（波長1064nm）を入射させる照射試験を実施した。この試験中、外気温などの変化でレーザー光路の位置が多少変動することがあった。この位置変動でもレーザー光の周回に支障が生じないように一部の凸レンズの径を大きくするなどの工夫を施した。ところで、今回、周回数が4回のリングを用いているため、レーザー出力は10.9 J/cm2となる一方、照射間隔が4 nsと短いため、レーザー耐力が低下する恐れがあった。しかし、試験の結果、レーザー耐力10 J/cm2のビューポートは損傷しなかった。
次に、レーザー耐力が比較的高い市販品のビューポート（140 J/cm2）を用いて、照射試験を令和2年度に実施した。照射試験においてはレーザー出力を上げ、単位面積当たりの出力を22 J/cm2とした。この出力は1ショット当たりのレーザー出力として90 J/cm2となる。その結果、レーザー耐力140 J/cm2のビューポートは損傷しなかった。従って、繰り返し数が1 GHz程度のレーザー光の入射に対して、ビューポートは問題が無いことが分かった。