実験室加速器物理の創成～非中性プラズマ制御技術に基づく先進粒子加速器の設計研究

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24340053
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 岡本 宏己 広島大学, 先端物質科学研究科, 教授 (40211809)
• 研究分担者: 大見 和史 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, 教授 (10194292) ; 檜垣 浩之 広島大学, 先端物質科学研究科, 准教授 (10334046) ; 伊藤 清一 広島大学, 先端物質科学研究科, 助教 (70335719)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 加速器 / 荷電粒子ビーム / 非中性プラズマ / 空間電荷効果 / イオントラップ / ソレノイドトラップ

研究実績の概要

加速器が生み出す荷電粒子ビームは基礎科学から産業・放射線医療まで多種多様な分野で活用されており，現代社会に不可欠な先進的道具となっている。このためビーム性能の更なる向上が各方面で強く求められている。本研究は，質の高い次世代ビームにおいて顕在化し，その安定性に深刻な影響を与える複雑な非線形多体現象（とりわけ、クーロン自己場に起因する“空間電荷効果”）の解明を目的とする。この目的のため，小型の非中性プラズマトラップを応用し，大規模かつ高価な加速器に依拠することなく，実験室レベルでビームダイナミクスの基礎研究を幅広く展開する。
“ペニング・マルンバーグ型トラップ”中の純電子プラズマを用いた、ビームハロー形成過程に関する実験的研究を継続した。入射電子ビームのエネルギー、入射時間、軸方向閉じ込めポテンシャルの形状等を調整しながら、系統的に実験データを取得し解析した。その結果、ハロー成長時に特定の集団振動モードが励起されていることを確認した。軸方向自由度の電子エネルギー分布測定や多粒子シミュレーション計算も並行して実施し、この不安定性を説明する基本的な物理モデルを現在構築中である。ここまでのところ、初期の電子分布が或る種の準平衡状態へ向けて熱的に緩和する過程で生じる集団振動がハロー成長の原因になっている可能性が示唆されているが、さらなる詳細な検討を要する。
“線形ポールトラップ”によるビーム不安定化現象の実験も予定通り進めた。共鳴横断現象の実験はラザフォード・アップルトン研究所（英国）のメンバーと共同で実施し、理論的な予想と良く一致する結果を得た。また、昨年度考察したダブレットに加え、トリプレットおよびFFDD型のラティス構造に対する共鳴不安定領域探索実験を行った。いずれの場合も理論解析や多粒子シミュレーションとほぼ矛盾しないデータが得られている。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

26年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Experimental study of integer-resonance crossing in a non-scaling fixed field alternating gradient accelerator with a Paul ion trap (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Moriya, K. Fukushima, K. Ito, T. Okano, H. Okamoto, S. L. Sheehy, D. J. Kelliher, S. Machida, C. R. Prior
  • 雑誌名: Phys. Rev. ST Accel. Beams 巻: 18 ページ: 034001
  • DOI: 1103/PhysRevSTAB.18.034001
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Beam dynamics studies with non-neutral plasma traps (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Okamoto, K. Fukushima, H. Higaki, D. Ishikawa, K. Ito, T. Iwai, K. Moriya, T. Okano, K. Osaki, M. Yamaguchi
  • 雑誌名: Proc. Int. Particle Accelerator Conf. (IPAC2014) 巻: 電子媒体 ページ: 4052 - 4056
  • オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Recent results from the S-POD trap systems on the stability of intense hadron beams (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Okamoto, K. Ito, K. Fukushima, T. Okano
  • 雑誌名: Proc. ICFA Workshop on High-Intensity, High Brightness and High-Power Hadron Beams (HB2014) 巻: 電子媒体 ページ: 178 - 182
  • オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Study of resonance crossing in non-scaling FFAGs using the S-POD linear Paul trap (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Kelliher, S. Machida, C. Prior, S. Sheehy, K. Fukushima, K. Ito, K. Moriya, H. Okamoto, T. Okano
  • 雑誌名: Proc. Int. Particle Accelerator Conf. (IPAC2014) 巻: 電子媒体 ページ: 1571 - 1573
  • オープンアクセス
• [学会発表] 3次元のFree Energy Modelを用いたbunched beamのemittance成長評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大﨑一哉
  • 学会等名: 第70回日本物理学会 年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] ラティス対称性の破れに起因する共鳴現象に関する理論的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 福島慧
  • 学会等名: 第70回日本物理学会 年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 一様磁場中の非中性電子プラズマを用いたハロー生成実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: 石川大樹
  • 学会等名: 第70回日本物理学会 年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] イオントラップを用いた共鳴不安定性のラティス依存性に関する実験的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 伊藤清一
  • 学会等名: 第70回日本物理学会 年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] イオントラップを用いた3次共鳴不安定性に関する実験的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岡野稔弘
  • 学会等名: 第70回日本物理学会 年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] イオントラップを用いたラティス対称性の破れにより誘起される共鳴に関する実験的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山口幹夫
  • 学会等名: 第70回日本物理学会 年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] レーザー冷却を応用した40Ca+イオン蓄積法の開発 II (2015)
  • 著者名/発表者名: 三浦裕貴
  • 学会等名: 第70回日本物理学会 年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Recent results from the S-POD trap systems on the stability of intense hadron beams (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Okamoto
  • 学会等名: 54th ICFA Beam Dynamics Workshop on High-Intensity, High-Brightness and High-Power Hadron Beams
  • 発表場所: Michigan, USA
  • 年月日: 2014-11-10 – 2014-11-14
  • 招待講演
• [学会発表] Beam dynamics studies with non-neutral plasma traps (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Okamoto
  • 学会等名: 5th International Particle Accelerator Conference
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2014-06-15 – 2014-06-20
  • 招待講演
• [図書] ICFA Beam Dynamics Newsletter Vol.65（Theory and Simulation on Beam Crystallization） (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Bussmann, A. V. Fedotov, L. J. Mao, Y. Derbenev, Y. Zhang, P. Snopok, Y. Alexahin, D. Stratakis, K. Yonehara, V. V. Parkhomchuk, I. Pinayev, V. N. Litvinenko, D. Ratner, V. Lebedev, D. L. Bruhwiler, A. Sidorin, A. Smirnov, I. Meshkov, H. Okamoto
  • 総ページ数: 155 (pp.141 - 147)
  • 出版者: ICFA