テラヘルツ波電子加速器の実現に向けた挑戦的研究

• 研究課題/領域番号: 18K18758
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分15:素粒子、原子核、宇宙物理学およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 柏木 茂 東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (60329133)
• 研究分担者: 坂上 和之 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 主幹研究員 (80546333) ; 渡邉 謙 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 (70534816)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2019年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2018年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: テラヘルツ波 / 極短電子ビーム / 加速器 / レーザー / フォトカソード / テラヘルツ / 偏光操作 / テーブルトップ加速器 / 偏光 / 加速 / 電子ビーム / 光陰極 / 光電子

研究成果の概要

テラヘルツ波駆動電子加速器の実現に向けて、粒子加速器としてシステムを成立させるために「加速に用いる電磁波の波長」と「加速される電子ビームのサイズ」のスケールマッチングを重要課題と考え、基盤要素開発を行った。本研究では、極短電子ビーム源およびテラヘルツ波加速構造体とテラヘルツ波入力機構の開発を行った。最終的にフォトカソード用ファイバーレーザーシステムの設計および試験システムを構築し、約100fsのレーザーパルス生成に成功した。また、シミュレーションによりフォトカソード電子銃で生成されるビーム特性を明らかにした。そして、加速構造体の基本設計と偏光素子を用いたテラヘルツ波のモード変換法を確立した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により、テラヘルツ波駆動の電子加速器の可能性について、電子源および加速構造体についてその課題を明らかにすることができたことは、テーブルトップサイズの粒子加速器の小型化に向けた大きな一歩であり、基礎科学から産業応用まで幅広い分野に大きな影響を与えるものである。特に、ビームと加速電磁波のスケールマッチングを軸として研究に取り組み、実現性と信頼性の両方を考慮した学術的にも意義のある研究である。

研究成果

• [雑誌論文] Demonstration of variable polarized coherent terahertz source (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kashiwagi, Hirotoshi Saito, Fujio Hinode, Yuto Ishizuki, Ken Kanomata, Sadao Miura, Nozomu Morita, Toshiya Muto, Ikurou Nagasawa, Ken-ichi Nanbu, Koutaro Shibata, Ken Takahashi, Kento Terada, Hiroki Yamada, Hiroyuki Hama, Heishun Zen, Akinori Irizawa
  • 雑誌名: Infrared Physics & Technology 巻: 106 ページ: 1032741-4
  • DOI: 10.1016/j.infrared.2020.103274
  • 査読あり
• [雑誌論文] コヒーレントTHzアンジュレータ放射の偏光スイッチング (2020)
  • 著者名/発表者名: 柏木 茂，齊藤 寛峻，寺田 健人，石附 勇人，鹿又 健，柴田 晃太朗，髙橋 健，長澤 育郎，南部 健一，日出 富士雄，三浦 禎雄，武藤 俊哉，山田 悠樹，山本 大喜，濱 広幸，全 炳俊，入澤 明典
  • 雑誌名: 日本加速器学会 第17回年会プロシーディングス 巻: 17 ページ: 120-123
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] アンジュレータ超放射のコヒーレンスを用いた電子ビーム特性測定の検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 寺田 健人，柏木 茂，石附 勇人，鹿又 健，柴田 晃太朗，髙橋 健，長澤 育郎，南部 健一，日出 富士雄，三浦 禎雄，武藤 俊哉，山田 悠樹，山本 大喜，濱 広幸
  • 雑誌名: 日本加速器学会 第17回年会プロシーディングス 巻: 17 ページ: 124-126
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Light source based on a 100 mm-long monolithic undulator magnet with a very short 4 mm-period length (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Yamamoto, S. Kashiwagi, S. Masuda, N. Nakanii, T. Hosokai, M. Kando, T. Muto, K. - Nanbu, F. Hinode and H. Hama
  • 雑誌名: J. Synchrotron Rad. 巻: 26 号: 6 ページ: 1902-1910
  • DOI: 10.1107/s1600577519013031
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] コヒーレントTHzアンジュレータ放射の偏光スイッチング (2020)
  • 著者名/発表者名: 柏木 茂
  • 学会等名: 日本加速器学会 第17回年会
• [学会発表] アンジュレータ超放射のコヒーレンスを用いた電子ビーム特性測定の検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 寺田 健人
  • 学会等名: 日本加速器学会 第17回年会
• [学会発表] Demonstration of variable polarized coherent terahertz source (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kashiwagi et al.
  • 学会等名: 10th International Workshop on Infrared Microscopy and Spectroscopy with Accelerator Based Sources
  • 国際学会
• [学会発表] テラヘルツコヒーレントアンジュレータ放射の偏光制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柏木茂 他
  • 学会等名: 第16回 日本加速器学会年会 （京都大学）
• [学会発表] テラヘルツコヒーレントアンジュレータ放射の偏光制御に関する研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柏木茂,齊藤寛峻, 全炳俊, 入澤明典, 鹿又健, 森田希望, 高橋健, 長澤育郎, 南部健一, 二宮慎吾,日出富士雄, 三浦禎雄, 武藤俊哉, 山田悠樹, 濱広幸
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会（2019）