テラヘルツ波電子加速器の実現に向けた挑戦的研究

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K18758
• 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
• キーワード: テラヘルツ波 / 偏光 / 加速 / 電子ビーム

研究実績の概要

本研究では、電子ビームを加速するのにテラヘルツ波を用いる小型テーブルトップサイズのテラヘルツ駆動電子加速器の実現に向けた基礎研究を進めている。最終目標とするシステムは、レーザー光で電子ビームを生成し、レーザー光で加速電場となるテラヘルツ波を発生する、全「光」ベースの電子加速器である。全光テラヘルツ加速器を本研究の範囲で構築することは困難であるため、テラヘルツ波駆動電子加速器の重要な構成要素である粒子源（電子源）と加速構造体について、その試験機を製作し、主要構成要素の基本性能を評価する。
本研究においては、加速構造体の評価性能試験で用いるテラヘルツ波は既存の先端電子加速器の極短電子ビームを使いコヒーレント放射によって発生する。加速構造体へテラヘルツ波を入力する際、その電磁場モードが極めて重要であるので、当該年度は時間幅100fs以下の極短電子ビームより発生したコヒーレントテラヘルツ波の偏光操作を行うシステム構築を行った。
もう一つの研究課題であるテラヘルツ波加速にスケールマッチしたテラヘルツ波の波長よりも十分に時間幅の短いフェムト秒電子パルスの生成は、90kVの直流印可型のフォトカソード電子銃で行う。時間応答性の良いアンチモン系の光陰極にYbファイバーレーザーの2倍波（波長約500nm）により電子ビームを生成することを決めた。当該年度は、ファイバーレーザーと加速器高周波と同期するレーザーシステムの設計・試作を行った。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当該年度は、加速構造体にテラヘルツ波を入力する際に必要となる電場モード変換（操作）に重点をおき、研究を遂行した。既存の先端電子加速器で生成されたフェムト秒電子ビームを用いて発生したコヒーレントアンジュレータ放射の偏光を、マーチン・パプレット型干渉計を用いて任意の偏光状態へと操作するシステム構築を行った。水平偏光したコヒーレントアンジュレータ放射を干渉計内の光路長を僅かに変化させる事で、円偏光や楕円偏光へと変換できていることを、偏光板を使いストークスパラーメータを測定することにより確認した。すでに加速構造体の設計は分担者の渡邉がほぼ完了しているので、試作機を製作しテラヘルツ波入力試験を実施する。
また、テラヘルツ波加速に用いる電子ビームに関しては、研究分担者である坂上を中心にシステム設計を完了し、カソードは時間応答性を考慮しアンチモン系陰極であるKCsSbを採用することとした。KCsSbカソードは可視光領域のレーザーに対しても十分な量子効率を得られることが分かって、Ybファイバーレーザーの2倍波をカソードに照射する。これまでに、レーザーの試作機を製作し、ピエゾステージにミラーを搭載した加速器高周波との同期システムの試験を実施している。現段階では安定性に問題があり、目標としている50fs以下の時間ジッターは達成されていない。フィードバック回路などの見直しを現在行っている。

今後の研究の推進方策

現段階で加速構造体にテラヘルツ波を入力する試験実験の準備は、加速構造体の試作を残し完了している。当初、入力するテラヘルツ波の周波数を1THzを想定していたが、干渉計を用いた偏光操作のシステム構築を2THzのテラヘルツ波に対して行ったので試験実験はそれを用いて実施する予定である。波長が短くなった分、加速構造体の製作交差は厳しくなる方向であるが許容範囲であると考えている。一方、誘電体の表面損失が大きくなるが、このことについては電磁場解析コードなどを使い確認する。
テラヘルツ波加速実証実験に用いる電子源に関しては、90kVの高圧印可ステーションを構築する。アイソレーショントランス等は研究代表者が所属する研究機関で所有しているものを代用できることを確認している。また一方、高い量子効率を得るためのKCsSbカソードの蒸着の条件出しが一つの課題であるが、これについては分担者が以前在籍していた早稲田大学の試験設備を利用させて頂き、実験を継続して行っていく。KCsSbカソードが試験実験に間に合わない場合には、量子効率は下がってしまうが無酸素銅カソードを用いてのフェムト秒電子ビーム発生実験を実施する予定である。

次年度使用額が生じた理由

当該年度は加速に用いるテラヘルツ波の偏光制御に重点をおき研究を進めてきた。また、テラヘルツ波駆動加速に適した電子ビーム発生に関しては、レーザーシステムの設計および試作を行い、電子銃高圧ステーションの構築に至らなかった。そのため、フォトカソード電子銃の試験機製作をするために確保してあった高圧電源等を購入するの予算を次年度に使用することとした。具体的には、この予算により電子銃用の高電圧電源や高圧碍子などを購入する予定である。

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, 106, 103274 (2020) 巻: 106 ページ: 103274
  • DOI: 10.1016/j.infrared.2020.103274
  • 査読あり
• [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 ページ: 1902-1910
  • DOI: https://doi.org/10.1107/S1600577519013031
  • 査読あり
• [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）