周波数干渉計を用いた超短パルス電子ビームのパルス幅計測

• 研究課題/領域番号: 20K03897
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分14010:プラズマ科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 小瀧 秀行 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 光量子科学研究部, 上席研究員 (60354974)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 超短パルス電子ビーム / 電子ビームパルス幅計測 / 周波数干渉計 / 高強度レーザー / プラズマ波 / レーザー加速 / レーザー電子加速 / 非接触電子ビーム計測

研究開始時の研究の概要

高強度レーザーを用いて、超短パルス電子ビームの生成が可能である。この電子ビームを、超短パルス性を用いた応用研究に使用するには、電子ビームのパルス幅の計測が必要である。電子ビームに変化をほとんど与えずにパルス幅を計測するために、「周波数干渉計を用いた電子ビームのパルス幅計測」を提案する。これまでの電子ビームパルス幅計測には、コヒーレント遷移放射やElectro-Optics、レーザー電場による電子振動計測が用いられてきた。しかし、それぞれに問題点があり、電子ビームを使用しながらの計測はできていない。周波数干渉計を用いて、電子ビームへの影響がない超短パルス電子ビームのパルス幅測定法を確立する。

研究成果の概要

電子ビームへの影響を及ぼさない、超短パルス電子ビームのパルス幅測定法を確立するため、周波数干渉計を用いたシングルショットでの電子ビーム計測を行なった。本研究により、電子ビームによる周波数干渉計でのシグナルの計測に成功した。電子ビームには、時間的に広がった低エネルギー成分と超短パルスの高エネルギー成分が観測できた。高エネルギー成分の電子ビームの電荷量は12.6 pC、パルス幅は1.7 fsであり、別の方法での測定とほぼ同じパラメーターであることを確認できた。これにより、本計測の有用性を示すことができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

電子振動計測やコヒーレント遷移放射などの超短パルス電子ビームのパルス幅計測は、電子ビームそのものを計測に使用するため、電子ビーム利用との同時計測はできない。一方、周波数干渉計でのプラズマ波計測は、２つのレーザーパルスを周波数領域で干渉させ、その干渉縞の位相変化から屈折率を求める計測である。この計測方法では、被測定物質に変化を与えないため、その物質を応用研究に使用しながら計測することが可能である。これを電子ビーム計測に応用することで、電子ビームの非破壊測定が可能となった。この研究により、超短パルス電子ビーム利用が、応用研究に向けて一歩前進した。

研究成果

• [雑誌論文] Single-shot electro-optic sampling on the temporal structure of laser wakefield accelerated electrons (2020)
  • 著者名/発表者名: Kai Huang, Hideyuki Kotaki, Michiaki Mori, Yukio Hayashi, Nobuhiko Nakanii, Masaki Kando
  • 雑誌名: Crystals 巻: 10 号: 8 ページ: 640-640
  • DOI: 10.3390/cryst10080640
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Single shot measurement of “a plasma wave” and “an electron beam” by using Frequency Domain Holographic (2023)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Kotaki, Michiaki Mori, Yukio Hayashi, Huang Kai, Nobihiko Nakanii, Izuru Daito, Masaki Kando
  • 学会等名: Prospects for High Field Science（第79回藤原セミナー）
  • 国際学会
• [学会発表] Temporal characterizations of electron bunches from laser plasma accelerator (2022)
  • 著者名/発表者名: Kai Huang, Hideyuki Kotaki, Michiaki Mori, Timur Esirkepov, James K. Koga, Yukio Hayashi, Nobuhiko Nakanii, Masaki Kando, Jin Zhan, Tomonao Hosokai
  • 学会等名: 6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Investigation on the emission timings of electron bunches from laser wakefield acceleration via EO spatial decoding (2022)
  • 著者名/発表者名: KAI HUANG, Kotaki Hideyuki, Mori Michiaki, Esirkepov Timur, James Kevin Koga, Hayashi Yukio, Nakanii Nobuhiko, Sergey Bulanov, Kando Masaki
  • 学会等名: 第25回産研国際シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] Temporal characterization of laser wakefield accelerated relativistic electron bunches via electro-optic sampling (2022)
  • 著者名/発表者名: KAI HUANG, Kotaki Hideyuki, Mori Michiaki, Esirkepov Timur, James Kevin Koga, Hayashi Yukio, Nakanii Nobuhiko, Kando Masaki, Zhan Jin, Hosokai Tomonao
  • 学会等名: 第５回 RIKEN-RAP and QST-KPSI Joint Seminar
• [学会発表] Temporal characterization of laser driven ultrafast electron bunches via electro-optic sampling (2021)
  • 著者名/発表者名: KAI HUANG, Kotaki Hideyuki, Mori Michiaki, Esirkepov Timur, James Kevin Koga, Hayashi Yukio, Nakanii Nobuhiko, Zhan Jin, Hosokai Tomonao, Kando Masaki
  • 学会等名: The 30th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Measurement of BISER (2021)
  • 著者名/発表者名: Sagisaka Akito, Ogura Koichi, Esirkepov Timur, David Neely, Tatiana A. Pikuz, James Kevin Koga, Fukuda Yuuji, Kotaki Hideyuki, Hayashi Yukio, KAI HUANG, Bruno Gonzalez izquierdo, Sergey Bulanov, Kiriyama Hiromitsu, Kondo Kiminori, Kawachi Tetsuya, Kando Masaki, Alexander Pirozhkov
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2021
• [学会発表] A single shot non-destructive electro-optic monitor for the electron emission timing diagnostic in laser wakefield acceleration (2021)
  • 著者名/発表者名: Kai Huang, Hideyuki Kotaki, Michiaki Mori, Timur Esirkepov, James Koga, Yukio Hayashi, Nobuhiko Nakanii, Sergei Bulanov, Masaki Kando
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第４１回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] QSTにおけるレーザー航跡場加速の安定性向上に向けた複合的アプローチ (2021)
  • 著者名/発表者名: 森 道昭, 小瀧 秀行, 林 由紀雄, 中新 信彦, 黄 開, 神門 正城, 近藤 公伯
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第４１回年次大会
• [学会発表] 高強度円偏光レーザーを用いた非線形逆トムソン散乱によるガンマ線渦の発生2 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平 義隆, 神門 正城, 小瀧 秀行, 林 由紀雄, 中新 信彦, 黄 開, 大東 出, 川瀬 啓悟, 早川 岳人
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Spectral measurement of BISER (2020)
  • 著者名/発表者名: Akito Sagisaka, Koichi Ogura, Timur Esirkepov, David Neely, Tatiana A. Pikuz, James K. Koga, Yuuji Fukuda, Hideyuki Kotaki, Yukio Hayashi, Bruno Gonzalez izquierdo, Kai Huang, Sergei Bulanov, Hiromitsu Kiriyama, Kiminori Kondo, Tetsuya Kawachi, Masaki Kando, Alexander Pirozhkov
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2020