| 研究課題/領域番号 |
26600147
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| 研究機関 | 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 |
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研究代表者 |
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)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 荷電粒子ビーム / 加速器 / マクロ粒子 / 位相空間分布 / 空間電荷効果 / 電磁場解析 |
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| 研究実績の概要 |
最新鋭加速器では荷電粒子ビームの高輝度化・大出力化が進み、取り扱う粒子数が膨大なものとなる。ビームの運動を解析的に扱うには系の自由度（粒子数）を減らすことが必要となり、幾つかの荷電粒子を一纏めにした古典的な点電荷の集まりとしてビームを表現するマクロ粒子法が一般に使われる。このとき、元のビームの性質が保たれる自由度の数はいくらなのかということが根本的な問いとなる。この問いに対して何らかの指針を与えるために、統計力学の手法を規範として、ビームの運動状態の精度（位相空間の分解能）と系の自由度の数の関係を明らかにする手法を開発した。平成26年度は、マクロ粒子数を減らす操作を定式化するための新たなアイデアとして、近接する２つのマクロ粒子を新たな１つのマクロ粒子（質量電荷比は保存）に置き換える操作、二粒子変換（Particle Pair Transformation）を定義・導入した。この二粒子変換をまずは静的な1次元荷電粒子分布に適用し、変換を繰り返す毎にその分布が作る静電場が変化していく過程を定量的に評価した。この結果、粒子数が減っていく過程における位相空間の分解能の変換規則と、粒子間距離の変換規則を得ることができた。1次元系で二粒子変換の有効性を確認したあと、これを2次元荷電粒子分布に拡張し、同様の変換規則を得ることができた。2次元系では、1次元増えたことにより近接する荷電粒子が増えることによって、電荷密度の高い領域で変換前後の位相空間分布の変化が大きいことが確認された。以上のように、新たに定義した変換によって、粒子数を変えたときの影響を定量的に評価することが可能になり、簡単な1次元、2次元系について理論解析から得られる厳密な解と比較することが可能となった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成26年度の計画では、荷電粒子ビームの自由度を減らす変換（二粒子変換）の定義とプログラム開発、粒子分布が作る電磁場を計算するための電磁場分布計算プログラム開発を実施し、これを1次元および2次元荷電粒子分布に適用する予定であり、おおむね当初計画通りに進んでいる。また、荷電粒子の量子性の影響について検討を行うことを計画していたが、対象とする荷電粒子ビームの種類・状態に依存して影響が変化するため、対象毎に分けて検討を進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成26年度の研究によって、自由度を減らす操作である二粒子変換の基本的なアイデアを検証することができた。平成27年度は2次元荷電粒子分布から3次元分布への拡張を行い、自由度の数と位相空間分解能の変換規則の解析を進める。また、解析結果と比較するために、現実のビームに近い粒子数の運動状態を再現する粒子トラッキングプログラム開発（力技検証用、扱える粒子数を増やすことが目的）を実施する。年度後半は、現実の加速器の陽子、電子ビームを対称とした粒子トラッキング計算を実施し、二粒子変換から求めた解析結果と比較検証する。量子性については多粒子が作る位相空間分布について検討を行い、光陰極電子銃を例として解析を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
プログラム開発用にプログラム言語MATLABを購入予定であったが、平成26年度は所属機関のソフトウェアを使用可能になったため、購入を次年度に繰り越すこととした。また、成果発表のために、2014年6月開催の国際粒子加速器会議（ドイツ）への参加を予定していたが、研究開始直後のため、次年度へ繰り越しすることとした。
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| 次年度使用額の使用計画 |
粒子トラッキングプログラム開発環境整備のために、繰り越した物品費を使用する。また、平成26年度の成果発表のために、2015年5月に開催される国際粒子加速器会議（米国）へ参加する。平成27年度請求分については、予定通り学会での成果発表と、プログラム実装委託のために使用する。
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