運動量分散を制御した高速３次元レーザー冷却によるクリスタルビームの生成

2012 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 23740213
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 百合 庸介 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 放射線高度利用施設部, 研究員 (90414565)
• Keywords: イオンビーム / レーザー冷却 / クリスタルビーム / 蓄積リング

Research Abstract

運動量分散を介したテーパーレーザー冷却による24Mg+イオンビームの高速３次元冷却のため、開発した分子動力学（MD）シミュレーションコードを用いて、蓄積リング及びレーザーの設定条件を調整した。系統的なシミュレーションを行うため、本助成金によりハイパフォーマンスコンピュータ等を購入し計算環境を整備した。まずはクーロン結晶化の可能性の高い、低いビーム強度を対象とした。前年度の研究で検討したテーパー化レーザーにより、レーザーの周波数を高速にスキャンすることで、進行方向については、0.1%程度の運動量ばらつきを持つ連続ビームを数10ミリ秒以下の超短時間で0.0001%まで冷却できることが分かった。横方向については、スキャン完了後に冷却が起こり、冷却時間はリングの運動量分散とレーザーの離調に強く依存することが分かった。運動量分散を大きくかつ離調を小さくすることで、0.1秒程度の短時間で３次元冷却が可能で、クーロン結晶化できることが分かった。低い強度ではあるが、連続ビームにおいてもクーロン結晶を効率的に生成する手法を明らかにしたという点で意義がある。
また、MDシミュレーションの課題である長計算時間に対する解決策の一つとして、MDコードを改良してマクロ粒子の概念を導入し、計算結果の正当性を確かめた。数100～数1000個の粒子数で検証したところ、極低温下で形成されるクーロン結晶状態の構造やビームサイズはN/M（N:実粒子数、M:マクロ粒子数）が大きくなるほど実粒子での計算からずれる傾向があった。しかし、N/Mが10程度以下であれば誤差は許容でき、効率的なMD計算の可能性が見出された。大きなN/Mでの計算を可能にするため、マクロ粒子を点電荷と見なさず、ある大きさを持たせる等の計算手法の改良を今後の検討課題としたい。

Current Status of Research Progress

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

Reason

目的であったイオンビームの３次元冷却について、リングとレーザーのパラメータ依存性を明らかにし、クリスタルビームが生成可能であることを理論実証できたこと、及びマクロ粒子を用いたMD計算の可能性を示すことができたことから、ほぼ予定通り進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

これまでの成果を発展させ、レーザー冷却によるより強度が高いビームの超低エミッタンス化とクーロン結晶化や秩序化の可能性について検討する予定である。
また、イオンビームのレーザー冷却実験を行っている蓄積リング”S-LSR”（京都大学）の実条件下でのビーム結晶化の可能性を明らかにしたい。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

関係する機器等を購入し、高速計算環境を整えていく計画である。また、研究成果の発表や連携する研究者との議論のため、国内外の出張を予定している。

Research Products

• [Journal Article] Efficiency Enhancement of Indirect Transverse Laser Cooling with Synchro-Betatron Resonant Coupling by Suppression of Beam Intensity (2013)
  • Author(s): H. Souda, M. Nakao, H. Tongu, K. Jimbo, K. Osaki, H. Okamoto, Y. Yuri, H. Zhengqi, M. Grieser, and A. Noda
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 52 Pages: 030202
  • DOI: 10.7567/JJAP.52.030202
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Approach to the Low Temperature State Oriented for Crystalline Beam (2012)
  • Author(s): A. Noda, M. Nakao, H. Souda, H. Tongu, K. Jimbo, H. Okamoto, K. Osaki, Y. Yuri, I. N. Meshkov, A. V. Smirnov, M. Grieser, K. Noda, T. Shirai, Z. He
  • Journal Title: Proceedings of the 23rd Russian Particle Accelerator Conference Pages: 48, 52
• [Journal Article] CHALLENGE FOR MORE EFFICIENT TRANSVERSE LASER COOLING FOR BEAM CRYSTALLIZATION (2012)
  • Author(s): A. Noda, M. Nakao, H. Souda, H. Tongu, K. Ito, H. Okamoto, K. Osaki, Y. Yuri, K. Jimbo, M. Grieser, and Z. He
  • Journal Title: Proceedings of the 3rd International Particle Accelerator Conference IPAC'12 Pages: 394, 396
• [Journal Article] OBSERVATION OF 2-COMPONENT BUNCHED BEAM SIGNAL WITH LASER COOLING (2012)
  • Author(s): H. Souda, M. Nakao, A. Noda, H. Tongu, K. Ito, H. Okamoto, Y. Yuri, K. Jimbo, M. Grieser, and Z. He
  • Journal Title: Proceedings of the 3rd International Particle Accelerator Conference IPAC'12 Pages: 397, 399
• [Journal Article] CONTROLLED BEAM SCRAPING ORIENTED FOR EFFICIENT INDIRECT TRANSVERSE LASER COOLING (2012)
  • Author(s): A. Noda, M. Nakao, H. Souda, H. Tongu, K. Jimbo, H. Okamoto, K. Osaki, Y. Yuri, M. Grieser, Z. He
  • Journal Title: Proceedings of the 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan Pages: 72, 74
• [Journal Article] Measurement of transverse laser cooling effect using scrapers (2012)
  • Author(s): H. Souda, M. Nakao, H. Tongu, A. Noda, K. Jimbo, K. Osaki, H. Okamoto, Y. Yuri, M. Grieser, Z. He
  • Journal Title: Proceedings of the 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan Pages: 388, 390
• [Presentation] Simulation Study on Transverse Laser Cooling and Crystallization of Heavy-Ion Beams at the Cooler Storage Ring S-LSR (2013)
  • Author(s): Y. Yuri
  • Organizer: Workshop on Beam Cooling and Related Topics (COOL'13)
  • Place of Presentation: Murren, Switzerland
  • Year and Date: 20130610-20130614
• [Presentation] Latest Results of Experimental Approach to Ultra-cold Beam at S-LSR (2013)
  • Author(s): A. Noda, M. Nakao, H. Souda, H. Tongu, H. Okamoto, K. Osaki, Y. Yuri, K. Jimbo, M. Grieser, Z. He
  • Organizer: Workshop on Beam Cooling and Related Topics (COOL'13)
  • Place of Presentation: Murren, Switzerland
  • Year and Date: 20130610-20130614
• [Presentation] スクレイパーでの粒子数低減による横方向レーザー冷却の効率化 (2013)
  • Author(s): 想田光、中尾政夫、頓宮拓、野田章、神保光一、大崎一哉、岡本宏巳、百合庸介、Z. He、M. Grieser
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学、東広島市
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] 蓄積リングS-LSR におけるMg+イオンビームのレーザー冷却シミュレーション (2013)
  • Author(s): 大崎一哉、岡本宏巳、想田光、野田章、百合庸介
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学、東広島市
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] Simulation Study on Three-dimensional Laser Cooling of Ion Beams and Characteristics of the Cooled Beams (2012)
  • Author(s): Y. Yuri
  • Organizer: the 3rd International Particle Accelerator Conference IPAC'12
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
  • Year and Date: 20120520-20120525