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2018 Fiscal Year Research-status Report

非線形ビーム集束の一般化による自在なビーム強度分布変換の実証

Research Project

Project/Area Number 18K11934
Research InstitutionNational Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology

Principal Investigator

百合 庸介  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 放射線高度利用施設部, 主幹研究員(定常) (90414565)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Keywordsイオンビーム / 多重極電磁石 / 非線形集束 / ビーム強度分布 / サイクロトロン
Outline of Annual Research Achievements

多重極電磁石がもたらす非線形力を用いた荷電粒子ビームの強度分布変換については、これまで主に8極電磁石を用いて横方向強度分布を均一化できることが知られていた。本研究は、これを拡張・一般化して、双極や4極電磁石の線形力に基づく従来手法の限界や制約を克服し、多様なビーム強度分布変換や照射野形成の実現を目指すものである。初年度は、その例として、ビーム軸中心付近の強度に比べて外側の強度が非常に高い“中空ビーム”の形成を実証することを目指して研究に着手した。
実験的研究では、量子科学技術研究開発機構高崎研のイオン照射研究施設TIARAにおいて、8極電磁石を用いたビーム形成実験を実施した。AVFサイクロトロンから取り出された10MeVの陽子ビームを、2台の8極電磁石を含むビーム輸送系に導いて非線形に集束することにより、端部に鋭いピークを有する中空ビームを形成することができた。従来の均一化の場合とは異なり、8極電磁石によって水平・鉛直方向の粒子振動を結合させる新たな光学系により、8極電磁石の強度に応じて、楕円形や四角形等、様々に断面形状が制御できるというユニークな特徴があることを明らかにした。並行して、理論解析を実施し、非線形力を受けたビームの運動の様子を明らかにした。
高エネルギービームを中空化する手法としては、プラズマレンズを用いる方式が開発・研究されているが、パルス高電圧によるプラズマ生成のタイミングを短バンチビームの時間幅と同期・整合させる必要があるのに対して、多重極電磁石を用いる本手法は、非線形力の生成源が静磁場であることから、イオン種やエネルギー、時間構造等の制約が弱く、様々なビームに簡便に適用できるというメリットがある。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

平成30年度は、当初、非線形集束による中空ビーム形成等に向けて、シミュレーション研究を中心に実施する計画であったが、ビーム実験を行う加速器の利用運転期間が限られていたことから、計画を一部前倒しして研究を進め、実験的研究にて一定の成果が得られたため。

Strategy for Future Research Activity

中空化ビーム形成についての研究を継続し、そのビーム特性を詳しく調べるとともに、そのようなビームの利用を目指して、課題の抽出及びビームサイズや形状の調整を検討する。また、非線形集束による、他の強度分布の形成の可能性についてシミュレーションにより探る。

Causes of Carryover

次年度使用額が生じたのは、シミュレーション研究に必要なソフトウェア等の物品の購入を取り止めたためである。次年度は、当初の実施計画の通り、実験的研究に並行して、シミュレーション研究を進めるとともに、成果発表を積極的に行う。

  • Research Products

    (4 results)

All 2018

All Journal Article (1 results) (of which Open Access: 1 results) Presentation (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] 非線形集束によるビーム強度分布の変換とその利用2018

    • Author(s)
      百合庸介、湯山貴裕、吉田健一、石坂知久
    • Journal Title

      Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan

      Volume: - Pages: 678, 681

    • Open Access
  • [Presentation] 非線形集束によるビーム強度分布の変換とその利用2018

    • Author(s)
      百合庸介、湯山貴裕、吉田健一、石坂知久
    • Organizer
      第15回日本加速器学会年会
  • [Presentation] 多重極電磁石を用いたビーム強度分布の変換2018

    • Author(s)
      百合庸介
    • Organizer
      ビーム物理研究会2018
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 荷電粒子ビーム強度分布可変装置、荷電粒子ビーム強度分布可変方法、二次粒子生成装置、及び放射性同位体生成装置2018

    • Inventor(s)
      福田光宏、百合庸介
    • Industrial Property Rights Holder
      大阪大学、量子科学技術研究開発機構
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2018-207270

URL: 

Published: 2019-12-27  

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