次世代自由電子レーザー用高輝度電子ビーム生成とマイクロバンチ不安定性抑制法の研究

• 研究課題/領域番号: 15H03594
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 量子ビーム科学
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 (2018); 東北大学 (2016-2017); 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 (2015)
• 研究代表者: 西森 信行 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所, 上席研究員(定常) (60354908)
• 研究分担者: 森 道昭 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 上席研究員(定常) (10323271) ; 本田 洋介 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 助教 (40509783) ; 宮島 司 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (50391769)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 14,430千円 (直接経費: 11,100千円、間接経費: 3,330千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2017年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2016年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2015年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円)
• キーワード: 自由電子レーザー / 光陰極電子銃 / マイクロバンチ不安定性 / 高輝度電子源 / XFEL / 高輝度電子バンチ / 光陰極直流電子銃

研究成果の概要

次世代高繰り返しX線自由電子レーザー（XFEL）用高輝度電子バンチ生成に必須である電子源の高電圧化と高電荷電子バンチ用レーザーシステム開発に取り組んだ。世界最高電圧500kVで0.8mA以上の大電流運転を長時間安定に達成すると共に、300pCの大電荷生成を可能とするレーザーシステム開発に成功した。ビーム性能試験では、電荷10pC以上で電子ビームの空間形状に歪みが生じ、目標とする高輝度ビームを実現出来ていない。原因と考えられるビーム軌道上の制御出来ていない磁場を除去し、高輝度性能達成とマイクロバンチ不安定性抑制の有効性実証を行う。

研究成果の学術的意義や社会的意義

次世代XFELは高輝度電子バンチをメガヘルツ程度の繰り返しで生成するCW電子源を必要とする。世界的に見て186MHzのRF光陰極電子源と直流光陰極電子源のみが有力な候補である。直流電子源で高輝度性能を達成するには、高加速電界と高加速エネルギーが必要である。それには電子源の高電圧化が必要だが、同時に放電問題を克服する必要がある。本研究では、直流電子源における放電現象の解明にも取り組み、世界最高電圧の500kVで長時間安定に直流光陰極電子源を運転し、暗電流を数ピコアンペア以下に抑制することに成功した。数百キロボルト以上の高電圧が必要とされる多様な技術開発にとって意義のある研究成果である。

研究成果

• [雑誌論文] Operational experience of a 500 kV photoemission gun (2019)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Nishimori, Ryoji Nagai, Ryoichi Hajima, Masahiro Yamamoto, Yosuke Honda, Tsukasa Miyajima, and Takashi Uchiyama
  • 雑誌名: Physical Review Accelerators and Beams 巻: 22 号: 5 ページ: 053402-053402
  • DOI: 10.1103/physrevaccelbeams.22.053402
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of a Multialkali Photocathode Dc Gun for a Smith-Purcell Terahertz Free-Electron Laser (2018)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Nishimori, Ryoji Nagai, Masaru Sawamura, Ryoichi Hajima
  • 雑誌名: Particles 巻: 1 号: 1 ページ: 166-174
  • DOI: 10.3390/particles1010012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Compact-ERL DC電子銃の500kV長期安定運転 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山本 将博、西森 信行、宮島 司、本田 洋介、羽島 良一
  • 雑誌名: 第15回加速器学会年会論文集 巻: 1 ページ: 189-193
  • 査読あり
• [雑誌論文] Construction and commissioning of the compact energy-recovery linac at KEK (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Akemoto, D. Arakawa, S. Asaoka, E. Cenni, M. Egi, K. Enami, K. Endo, S. Fukuda, T. Furuya, K. Haga, R. Hajima, K. Hara, K. Harada, T. Honda, Y. Honda, T. Honma, K. Hosoyama, E. Kako, T. Miyajima (31番目), N. Nishimori (39番目), 他
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 877 ページ: 197-219
  • DOI: 10.1016/j.nima.2017.08.051
  • 査読あり
• [雑誌論文] 60 pC Bunch Charge Operation of the Compact ERL at KEK (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Miyajima, Y. Honda, M. Shimada, R. Takai, T. Obina, K. Harada, M. Yamamoto, N. Nakamura, K. Umemori, E. Kako, T. Miura, R. Kato, T. Hotei, R. Nagai, R. Hajima, N. Nishimori
  • 雑誌名: Proceedings of the 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC2017) 巻: 1 ページ: 890-893
• [雑誌論文] Optics Design of the compact ERL Injector for 60 pC Bunch Charge Operation (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Hotei, T. Miyajima, M. Shimada, N. Nakamura, R. Kato
  • 雑誌名: Proceedings of the 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC2017) 巻: 1 ページ: 898-901
• [雑誌論文] 光陰極電子銃により生成された高電荷ビームへのレーザーミラーの影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 布袋貴大、宮島司
  • 雑誌名: 第14回加速器学会年会論文集 巻: 1 ページ: 386-390
• [雑誌論文] High voltage threshold for stable operation in a dc electron gun (2016)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Yamamoto and Nobuyuki Nishimori
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 109 号: 1
  • DOI: 10.1063/1.4955180
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Recent Developments and Operational Status of the Compact ERL at KEK (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Obina, M. Adachi, S. Adachi, T. Akagi, M. Akemoto, D. Arakawa, S. Araki, S. Asaoka, M. Egi, K. Enami, K. Endo, S. Fukuda, T. Furuya, K. Haga, K. Hara, K. Harada, T. Honda, Y. Honda, H. Honma, T. Honma, K. Hosoyama, K. Hozumi, A. Ishii, X. Jin, E. Kako, Y. Kamiya, H. Katagiri, H. Kawata, Y. Kobayashi, 他63名
  • 雑誌名: Proceedings of the 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC2016) 巻: 1 ページ: 1835-1838
• [雑誌論文] DC Photoemission Gun Upgrade at the compact ERL (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Nishimori, R. Nagai, R. Hajima, M. Yamamoto, T. Miyajima, Y. Honda, T. Uchiyama, X. Jin, T. Obina, M. Kuriki
  • 雑誌名: Proceedings of the 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC2016) 巻: 1 ページ: 3944-3946
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 超高真空における電子刺激脱離と直流放電現象の関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山本将博、西森信行
  • 雑誌名: 第13回加速器学会年会論文集 巻: 1 ページ: 47-51
• [雑誌論文] コンパクトERL におけるビーム電流約1 mA の運転 (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂中章悟、芳賀開一、本田洋介、松村宏、宮島司、野上隆史、帯名崇，下ヶ橋秀典、島田美帆、山本将博、中村典雄、高井良太、田中オリガ、原田健太郎、許斐太郎、阪井寛志、梅森健成、河田洋、小林幸則、羽島良一、西森信行
  • 雑誌名: 第13回加速器学会年会論文集 巻: 1 ページ: 291-295
• [雑誌論文] コンパクトERL 電子銃の高性能化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西森信行、山本将博、羽島良一、森道昭、永井 良治、宮島 司、内山 隆司、本田 洋介
  • 雑誌名: 第13回加速器学会年会論文集 巻: 1 ページ: 468-472
• [雑誌論文] Review of Experimental Results from High Brightness DC Guns: Highlights in FEL Applications (2015)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Nishimori
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International FEL Conference 巻: 1 ページ: 269-273
  • オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] コンパクトERL電子銃の現状とアップグレード計画 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西森信行、永井良治、森道昭、羽島良一、山本将博、本田洋介、宮島司、内山隆司、金秀光、帯名崇、 栗木雅夫
  • 雑誌名: 第12回加速器学会年会論文集 巻: 1 ページ: 508-510
  • オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Compact-ERL DC電子銃の500kV長期安定運転 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山本 将博、西森 信行、宮島 司、本田 洋介、羽島 良一
  • 学会等名: 第15回加速器学会年会
• [学会発表] 高繰り返しFELのためのDC電子銃開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西森信行、森道昭、永井良治、羽島良一、山本将博、内山隆司、本田洋介、宮島司
  • 学会等名: 第14回高輝度高周波電子銃研究会
  • 発表場所: 東北大学電子光理学研究センター（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2017-02-23
• [学会発表] Commission results of the compact ERL High voltage DC gun (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Nishimori, M. Yamamoto, T. Miyajima, Y. Honda, T. Uchiyama, Xiuguang Jin, Takashi Obina, M. Mori, R. Nagai, R. Hajima, M. Kuriki
  • 学会等名: The 59th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 60 pC Bunch Charge Operation of the Compact ERL at KEK (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Miyajima, Y. Honda, M. Shimada, R. Takai, T. Obina, K. Harada, M. Yamamoto, N. Nakamura, K. Umemori, E. Kako, T. Miura, R. Kato, T. Hotei, R. Nagai, R. Hajima, N. Nishimori
  • 学会等名: The 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Optics Design of the compact ERL Injector for 60 pC Bunch Charge Operation (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Hotei, T. Miyajima, M. Shimada, N. Nakamura, R. Kato
  • 学会等名: The 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC2017)
  • 国際学会
• [学会発表] 光陰極電子銃により生成された高電荷ビームへのレーザーミラーの影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 布袋貴大、宮島司
  • 学会等名: 第14回加速器学会年会
• [学会発表] 超高真空における直流高電圧放電と電子刺激脱離の関係性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山本将博、西森信行
  • 学会等名: 2017年真空・表面科学合同講演会
• [学会発表] Relation between electron stimulated desorption and dc high voltage discharge under ultra-high vacuum (2016)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Yamamoto and Nobuyuki Nishimori
  • 学会等名: International Vacuum Congress (IVC-20)
  • 発表場所: BEXCO, Busan, Korea
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] 超高真空における電子刺激脱離と直流放電現象の関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山本将博、西森信行
  • 学会等名: 第13回加速器学会年会
  • 発表場所: 幕張メッセ国際会議場（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-08-08
• [学会発表] コンパクトERL におけるビーム電流約1 mA の運転 (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂中章悟、芳賀開一、本田洋介、松村宏、宮島司、野上隆史、帯名崇，下ヶ橋秀典、島田美帆、山本将博、中村典雄、高井良太、田中オリガ、原田健太郎、許斐太郎、阪井寛志、梅森健成、河田洋、小林幸則、羽島良一、西森信行
  • 学会等名: 第13回加速器学会年会
  • 発表場所: 幕張メッセ国際会議場（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-08-08
• [学会発表] コンパクトERL 電子銃の高性能化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西森信行、山本将博、羽島良一、森道昭、永井 良治、宮島 司、内山 隆司、本田 洋介
  • 学会等名: 第13回加速器学会年会
  • 発表場所: 幕張メッセ国際会議場（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-08-08
• [学会発表] DC Photoemission Gun Upgrade at the compact ERL (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Nishimori, R. Nagai, R. Hajima, M. Yamamoto, T. Miyajima, Y. Honda, T. Uchiyama, X. Jin, T. Obina, M. Kuriki
  • 学会等名: 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC2016)
  • 発表場所: BEXCO, Busan, Korea
  • 年月日: 2016-05-08
  • 国際学会
• [学会発表] Recent Developments and Operational Status of the Compact ERL at KEK (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Obina, M. Adachi, S. Adachi, T. Akagi, M. Akemoto, D. Arakawa, S. Araki, S. Asaoka, M. Egi, K. Enami, K. Endo, S. Fukuda, T. Furuya, K. Haga, K. Hara, K. Harada, T. Honda, Y. Honda, H. Honma, T. Honma, K. Hosoyama, K. Hozumi, A. Ishii, X. Jin, E. Kako, Y. Kamiya, H. Katagiri, H. Kawata, Y. Kobayashi, 他63名
  • 学会等名: 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC2016)
  • 発表場所: BEXCO, Busan, Korea
  • 年月日: 2016-05-08
  • 国際学会
• [学会発表] 次世代放射光源のための高輝度電子源開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西森信行
  • 学会等名: 平成27年度阪大産研量子ビーム科学研究施設成果報告会
  • 発表場所: 大阪大学産業科学研究所（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2016-03-02
  • 招待講演
• [学会発表] 次世代FELを見据えたcERL電子銃アップグレード (2016)
  • 著者名/発表者名: 西森信行、羽島良一、山本将博、内山隆司、宮島司
  • 学会等名: 第22回FELとHigh Power Radiation研究会
  • 発表場所: KEK（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2016-01-21
• [学会発表] 次世代放射光源用dc電子銃開発の最近の進捗 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西森信行、森道昭、永井良治、羽島良一、山本将博、内山隆司、本田洋介、宮島司
  • 学会等名: 第13回高輝度高周波電子銃研究会
  • 発表場所: 京都大学宇治キャンパス（京都府宇治市）
  • 年月日: 2015-12-07
• [学会発表] Review of Experimental Results from High Brightness DC Guns: Highlights in FEL Applications (2015)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Nishimori
  • 学会等名: 37th International Free Electron Laser Conference
  • 発表場所: Daejeon Convention Center, Daejeon, Korea
  • 年月日: 2015-08-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] コンパクトERL 電子銃の現状とアップグレード計画 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西森信行、永井良治、森道昭、羽島良一、山本将博、本田洋介、宮島司、内山隆司、金秀光、帯名崇、 栗木雅夫
  • 学会等名: 第12回加速器学会年会
  • 発表場所: プラザ萬象・あいあいプラザ（福井県敦賀市）
  • 年月日: 2015-08-05
• [学会発表] Operational Experience of DC Photoemission Gun at the compact ERL (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Nishimori, R. Nagai, R. Hajima, M. Yamamoto, T. Miyajima, Y. Honda, T. Uchiyama, X. Jin, T. Obina, M. Kuriki
  • 学会等名: The 56th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs
  • 発表場所: Stony Brook University, Stony Brook, New York, USA
  • 年月日: 2015-06-07
  • 国際学会