自由電子レーザーの新しい動作領域の開拓

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24310069
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 磯山 悟朗 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (80125989)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加藤 龍好 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (20273708) ; 川瀬 啓悟 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (60455277) ; 入澤 明典 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (90362756)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 量子ビーム / FEL / テラヘルツ / 放射光

Outline of Annual Research Achievements

昨年度に引続き日本で唯一稼働しているTHz-FELの高度化とその性能評価の研究を行ない以下の結果を得た。①THz単一パルスの切り出し：27MHzモードと名付けたFELの高出力運転ではミクロパルスが37ns間隔で約100個並びマクロパルスを構成する。時間分解THz分光では単一パルスが必要なため、THz波が透過するGaAs板にFELミクロパルスと同期したチタンサファイアレーザーの単一パルスを入射してプラズマミラーを短時間生成し、20ps程度以下の長さを持つTHz-FELミクロパルス1個を切り出すことに成功した。②FELパルスエネルギーの安定化：基礎研究や利用実験に要求されるFELパルスの安定性は、電子ビームの発生源である電子ライナックの安定性に強く依存する。ライナックに高周波パワーを供給するクライストロン用電源に使用するサイラトロンを半導体スイッチに交換した結果、FELパルス変動が格段に減少した。③マイケルソン干渉計と高速ダイオード検出器を用いた時間分解干渉波形測定：従来はFELミクロパルスの干渉波形をエネルギーセンサーで計測したため、マクロパルスに存在する全ミクロパルスの平均干渉波形が得られた。時間分解能が高いダイオード検出器を用いてミクロパルスを区別した干渉波形を得ることができた。④変調分光法によるFEL増幅率の高精度測定：レーザーの発振からパワー飽和に至る広いパワー発展領域でFELの増幅率を求めるためにFELの増幅回数を変えてシリコンボロメーターでマクロパルスエネルギーを計測する。増幅回数の関数として測定したFELマクロパルスエネルギーの２回差分により増幅率が求まるが、パルス毎の中・長期的なエネルギー変動が精度の高い値を得る妨げになる。周期的に増幅回数を2段階に変えて変動の効果を打消す手法を開発した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究は進展しているが課題が広範であるため当初の計画である3年間では完了せず、1年延長して研究を継続する。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、FELの特性評価などの基礎研究を行ない、その結果に基づくFELの高度化と新しい利用研究の開拓を目指している。①FELの高強度化に関しては、電子バンチの数を4分の1に間引いてピーク電流を4倍高める従来の手法を発展させて、電子バンチ数を更に半分に間引き、ピーク電流を2倍に増やす。光共振器を往復するFELパルスが2往復に1度しか増幅されないが、FELの飽和パワーはピーク電流と共に増大するため、実効的な増幅率は低下しても飽和パワーが増大することが期待できる。②FELミクロパルスの長さは、電子バンチの長さ20 ps程度であると言われているが、この時間構造を直接測定できる高速THz検出器は無い。そこでFELのミクロパルスと同期したチタンサファイアレーザーとZnTe結晶板を用いたTHz波の電場測定でFELミクロパルスの長さと時間構造を測定する。③これらの光源開発と評価に加えて、高強度THz波の利用研究を試みる。

Causes of Carryover

研究期間が当初の計画である3年間では不足し1年延長することにしたため、平成27年度の研究経費に充てる。

Expenditure Plan for Carryover Budget

FEL実験に必要な計測器や光学部品など物件費に2,576,063円、国際会議や国内学会等で研究成果を発表するための旅費に1,000,000円、FEL実験を行うためのLバンド電子ライナック使用料などその他の経費に500,000円、合計4,076,063円に使用する。

Research Products

• [Journal Article] Grid pulser for an electron gun with a thermionic cathode for the high-power operation of a terahertz free-electron laser (2015)
  • Author(s): S. Suemine, K. Kawase, N. Sugimoto, S. Kashiwagi, K. Furukawa, R. Kato, A. Irizawa, M. Fujimoto, H. Ohsumi, M. Yaguchi, S. Funakoshi, R. Tsutsumi, K. Kubo, A. Tokuchi, G. Isoyama
  • Journal Title: Nucl. Instr. Meth. A Volume: 773 Pages: 97-103
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2014.10.071
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of a high-power solid-state switch using static induction thyristors for a klystron modulator (2015)
  • Author(s): A. Tokuchi, F. Kamitsukasa, K. Furukawa, K. Kawase, R. Kato, A. Irizawa, M. Fujimoto, H. Osumi, S. Funakoshi, R. Tsutsumi, S. Suemine, Y. Honda, Goro Isoyama
  • Journal Title: Nucl. Instr. Meth. A Volume: 769 Pages: 72-78
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2014.09.063
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Non-Thermal Burst of Organic Powder using Picosecond THz Free Electron Laser Pulses (2015)
  • Author(s): Masaya Nagai, Eiichi Matsubara, Masaaki Ashida, Keigo Kawase, Akinori Irizawa, Ryukou Kato, and Goro Isoyama
  • Organizer: Optical Terahertz Science and Technology 2015
  • Place of Presentation: サンディエゴ（アメリカ）
  • Year and Date: 2015-03-08 – 2015-03-13
• [Presentation] 産研 THz-FEL の現状 (2014)
  • Author(s): 川瀬啓悟、加藤龍好、入澤明典、藤本將輝、矢口雅貴、船越壮亮、堤亮太、磯山悟朗
  • Organizer: 第21回 FELとHigh-Power Radiation 研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学産業科学研究所（大阪府茨木市）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] 高強度 THz パルスを用いた物質制御と FEL 光による有機微結晶のアブレーション (2014)
  • Author(s): 永井正也, 松原英一, 芦田昌明、川瀬啓悟, 入澤明典, 加藤龍好, 磯山悟朗
  • Organizer: 第21回 FELとHigh-Power Radiation 研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学産業科学研究所（大阪府茨木市）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] 高速検出器を用いた阪大産研 THz-FEL の特性測定 (2014)
  • Author(s): 船越壮亮, 川瀬啓悟, 加藤龍好, 入澤明典, 藤本將輝, 矢口雅貴, 堤亮太, 磯山悟朗
  • Organizer: 第21回 FELとHigh-Power Radiation 研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学産業科学研究所（大阪府茨木市）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] 干渉計と高速 THz検出器を用いた FEL の特性測定 (2014)
  • Author(s): 矢口 雅貴，川瀬 啓悟，加藤 龍好，入澤 明典，藤本 將輝，船越 壮亮，堤 亮太，磯山 悟朗
  • Organizer: 第21回 FELとHigh-Power Radiation 研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学産業科学研究所、大阪
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] 広いパワー発展領域における FEL 増幅率の高精度測定 (2014)
  • Author(s): 藤本將輝, 川瀬啓悟, 加藤龍好, 入澤明典, 船越壮亮, 矢口雅貴, 堤 亮太, 磯山悟朗
  • Organizer: 第21回 FELとHigh-Power Radiation 研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学産業科学研究所（大阪府茨木市）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] 高強度テラヘルツ FEL の利用展開 (2014)
  • Author(s): 入澤明典、川瀬啓悟、加藤龍好、藤本將輝、矢口雅貴、船越壮亮、堤亮太、磯山悟朗
  • Organizer: 第21回 FELとHigh-Power Radiation 研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学産業科学研究所（大阪府茨木市）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] Ablation of organic crystals using picosecond THz free electron laser pulses (2014)
  • Author(s): Masaya Nagai, Eiichi Matsubara, Masaaki Ashida, Keigo Kawase, Akinori Irizawa, Ryukou Kato, and Goro Isoyama
  • Organizer: 39th Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and THz Waves
  • Place of Presentation: ツーソン（アメリカ）
  • Year and Date: 2014-09-14 – 2014-09-19
• [Presentation] High Power Operation of the THz FEL at ISIR, Osaka University (2014)
  • Author(s): K. Kawase, M. Fujimoto, S. Funakoshi, K. Furukawa, A. Irizawa, G. Isoyama, R. Kato, K. Kubo, K. Miyazaki, S. Suemine, A. Tokuchi, R. Tsutsumi, M. Yaguchi
  • Organizer: 36-th International Free Electron Laser Conference
  • Place of Presentation: バーゼル（スイス）
  • Year and Date: 2014-08-25 – 2014-08-29
• [Presentation] Solid-State Switch for a Klystron Modulator for Stable Operation of a THz- FEL (2014)
  • Author(s): G. Isoyama, M. Fujimoto, S. Funakoshi, K. Furukawa, A. Irizawa, R. Kato, K. Kawase, K. Miyazaki, A. Tokuchi, R. Tsutsumi, M. Yaguchi, F. Kamitsukas
  • Organizer: 36-th International Free Electron Laser Conference
  • Place of Presentation: バーゼル（スイス）
  • Year and Date: 2014-08-25 – 2014-08-29
• [Presentation] 高速 THz 検出器を用いた FEL パルスの時間分解測定 (2014)
  • Author(s): 船越壮亮, 川瀬啓悟, 加藤龍好, 入澤明典, 藤本將輝, 矢口雅貴, 堤亮太, 宮崎数磨, 堤亮太, 磯山悟朗
  • Organizer: 第11回日本加速器学会年会
  • Place of Presentation: リンクステーションホテル青森（青森県青森市）
  • Year and Date: 2014-08-08 – 2014-08-12
• [Presentation] ハイパワーFEL の増幅率測定 (2014)
  • Author(s): 藤本將輝, 川瀬啓悟, 加藤龍好, 入澤明典, 矢口雅貴, 船越壮亮, 堤 亮太, 磯山悟朗
  • Organizer: 第11回日本加速器学会年会
  • Place of Presentation: リンクステーションホテル青森（青森県青森市）
  • Year and Date: 2014-08-08 – 2014-08-12
• [Presentation] 超短パルスレーザーを利用した THz-FEL の特性評価と高度化 (2014)
  • Author(s): 川瀬啓悟, 加藤龍好, 入澤明典, 藤本將輝, 矢口雅貴, 船越壮亮, 堤亮太, 宮崎数磨, 磯山悟朗
  • Organizer: 第11回日本加速器学会年会
  • Place of Presentation: リンクステーションホテル青森（青森県青森市）
  • Year and Date: 2014-08-08 – 2014-08-12
• [Presentation] 高強度テラヘルツＦＥＬの時間形状と波長スペクトルの発展 (2014)
  • Author(s): 加藤龍好, 川瀬啓悟, 入澤明典, 藤本將輝, 矢口雅貴, 船越壮亮, 堤 亮太, 宮崎数磨, 磯山悟朗, 柏木 茂, 山本 樹
  • Organizer: 第11回日本加速器学会年会
  • Place of Presentation: リンクステーションホテル青森（青森県青森市）
  • Year and Date: 2014-08-08 – 2014-08-12
• [Presentation] 干渉計を用いたテラヘルツ FEL の特性測定 (2014)
  • Author(s): 矢口雅貴, 川瀬啓悟, 加藤龍好, 入澤明典, 藤本將輝, 船越壮亮, 堤亮太宮崎数磨, 磯山悟朗
  • Organizer: 第11回日本加速器学会年会
  • Place of Presentation: リンクステーションホテル青森（青森県青森市）
  • Year and Date: 2014-08-08 – 2014-08-12