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2019 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, 上席研究員(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 / 中空化 / サイクロトロン
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、多重極電磁石が荷電粒子ビームに及ぼす非線形力に基づき、双極や4極電磁石の線形力による従来手法では実現困難な多様なビーム強度分布変換や照射野形成の実現を目指している。
8極電磁石を用いた横方向ビーム強度分布の均一化に関して、より高次の磁場によるビーム品質の改良を検討した。量研高崎研サイクロトロンのビームラインパラメータを想定したトラッキングシミュレーションを実施した結果、8極と12極電磁石を併用することにより、分布全体を均一化できるばかりではなく、非線形集束に起因するビーム損失を低減できる可能性があることが分かった。
前年度に実証した強度分布の中空化に関しては、その特性(エミッタンス依存性等)を実験的に調べた。エミッタンスが大きい場合、ビーム端部に生じるピークの強度は低下し幅は太くなる傾向があった。他方、中空ビームのサイズつまり端部ピークの位置はほとんど変化しなかった。本結果が理論解析やトラッキングシミュレーションの結果と矛盾しないことを確かめた。
中空ビームの照射利用を見据えて、標的での多重散乱による中空強度分布の変化をシミュレーションにより調べた。具体的には、高エネルギービームによる低速ミューオンの効率的な生成・収集を目標として、長い円柱状標的(グラファイト)の側面近傍に沿って392MeV陽子の中空ビームを照射することを検討した。設計・実証したビーム光学系では、標的近傍でのビーム強度分布やサイズの変化は十分に小さいことを確かめた。また、標的内では多重散乱により徐々にエミッタンスが増大し中空分布の端部ピークは滑らかになるものの、20cm下流の標的出口面でも中空分布が概ね保たれることが分かった。このことから、非線形集束により形成した高エネルギーの中空ビームが二次粒子生成等のための長い標的への照射に利用可能であることが示唆された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

前年度の実験的研究において、8極電磁石を用いてビーム強度分布を様々な断面形状で中空化できることをいち早く実証できたため、本年度はそのビーム特性の解明やビーム利用を目指した基盤的な実験および理論研究を実施することができた。当初の計画に従っておおむね順調に研究を進めることができ、論文発表等の成果も創出することができた(さらに論文を学術誌に投稿中であり、特許の出願も準備中である)。

Strategy for Future Research Activity

ビーム強度分布の中空化に関しては、これまで主として用いてきた8極電磁石とは磁場の次数の偶奇が異なる6極電磁石にも着目してビームの振る舞いや特性を明らかにする。また、ビーム損失の低減といったビーム品質の改善を目指して、ビームの初期条件を制御することによるビーム特性への影響を実験的に検討する。さらには、中空化や均一化に限らない有用なビーム照射野形成やビーム強度分布変換の可能性を検討したい。

Causes of Carryover

次年度使用額が生じたのは、新型コロナウィルス感染症拡大の影響により、年度末に開催が予定されていた学会が中止され参加できなかったためである。次年度は、当初の実施計画の通り、非線形ビーム集束・形成に関する実験的研究を主として行うため、ビーム計測のための備品や消耗品を購入する。また、最終年度であり、成果発表に係る支出も予定している。

  • Research Products

    (15 results)

All 2020 2019 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 5 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Demonstration of Hollow Profile Shaping of a High-Energy Ion Beam Using Multipole Magnets2020

    • Author(s)
      Yuri Yosuke、Yuyama Takahiro、Ishizaka Tomohisa
    • Journal Title

      QST Takasaki Annual Report 2018

      Volume: QST-M-23 Pages: 103

    • Open Access
  • [Journal Article] Formation of hollow ion beams of various shapes using multipole magnets2019

    • Author(s)
      Yuri Yosuke、Fukuda Mitsuhiro、Yuyama Takahiro
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2019 Pages: 053G01

    • DOI

      10.1093/ptep/ptz024

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Transverse profile shaping of a charged-particle beam using multipole magnets - Formation of hollow beams -2019

    • Author(s)
      Yuri Yosuke、Fukuda Mitsuhiro、Yuyama Takahiro
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 1350 Pages: 012115

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1350/1/012115

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 多重極電磁石を用いたビーム強度分布中空化の実証2019

    • Author(s)
      百合庸介, 福田光宏, 湯山貴裕
    • Journal Title

      Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan

      Volume: - Pages: 112~115

    • Open Access
  • [Journal Article] 大強度陽子加速器のための標的上のプロファイルモニタの開発2019

    • Author(s)
      明午伸一郎, 武井早憲, 松田洋樹, 百合庸介, 湯山貴裕
    • Journal Title

      Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan

      Volume: - Pages: 515~519

    • Open Access
  • [Journal Article] 高エネルギーイオンビームのRoll-to-Roll均一照射技術の開発2019

    • Author(s)
      百合庸介
    • Journal Title

      日本海水学会誌(Bull. Soc. Sea Water Sci., Jpn.)

      Volume: 73 Pages: 203~207

  • [Presentation] ミューオンビーム生成のための八極電磁石を用いた中空ビーム形成法の開発2020

    • Author(s)
      森田泰之, 福田光宏, 百合庸介, 友野大, 依田哲彦, 神田浩樹, 畑中吉治, 安田裕介, 中尾政夫, 原周平, Koay Hui Wen, 武田佳次郎, 原隆文, 大本恭平, 中島悠太
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
  • [Presentation] Transverse profile shaping of a charged-particle beam using multipole magnets - Formation of hollow beams -2019

    • Author(s)
      Y. Yuri, M. Fukuda, and T. Yuyama
    • Organizer
      10th International Particle Accelerator Conference, IPAC2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 多重極電磁石を用いたビーム強度分布中空化の実証2019

    • Author(s)
      百合庸介, 福田光宏, 湯山貴裕
    • Organizer
      第16回日本加速器学会年会
  • [Presentation] 大強度陽子加速器のための標的上のプロファイルモニタの開発2019

    • Author(s)
      明午伸一郎, 武井早憲, 松田洋樹, 百合庸介, 湯山貴裕
    • Organizer
      第16回日本加速器学会年会
  • [Presentation] Diverse Beam Profile Shapings through Nonlinear Focusing of Multipole Magnets in a Beam Transport Line2019

    • Author(s)
      Y. Yuri, M. Fukuda, and T. Yuyama
    • Organizer
      2019 North American Particle Accelerator Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Shaping of Ion Beams into a Hollow Profile Using Multipole Magnets2019

    • Author(s)
      Y. Yuri, M. Fukuda, and T. Yuyama
    • Organizer
      11th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 非線形力によるビーム強度分布変換の理論的考察2019

    • Author(s)
      百合庸介
    • Organizer
      ビーム物理研究会2019
  • [Presentation] 非線形力によるビームプロファイルの多様な変換-中空化の実証-2019

    • Author(s)
      百合庸介、湯山貴裕、石坂知久、福田光宏
    • Organizer
      QST高崎サイエンスフェスタ2019
  • [Remarks]

    • URL

      https://www.qst.go.jp/site/beam-engineering/

URL: 

Published: 2021-01-27  

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