Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, Japan

PASJ2016 TUP051

レーザー荷電変換入射実現に向けた高出力レーザー蓄積リングの開発
LASER STORAGE RING WITH HIGH POWER FOR REALIZATION OF LASERSTRIPPING INJECTION
原田寛之#, A), サハプラナブ A), 山根功 B) , 加藤新一 A), 金正倫計 A), 入江吉郎 B)
Hiroyuki Harada#, A), Pranab Kumar SahaA), Isao YamaneB) , Shinichi KatoA), Michikazu KinshoA), Yoshiro IrieB)
A)
J-PARC/JAEA
B)
KEKAbstract
The high-intensity proton accelerator adopts a charge exchange injection scheme, which injects with exchanging
from negative Hydrogen ion (H−) to proton by using carbon foil. This scheme can realize high intensity proton beam but
the uncontrolled beam losses are caused by scattering between beams and the foil. Additionally, the collision may occur
the foil break. Therefore, a new injection scheme for higher intensity is needed as an alternative to the foil. In the JPARC 3GeV RCS, we newly propose and develop a laser stripping injection scheme. However, it is necessary that laser
power is two order higher than latest laser one. To realize this big issue, we develop the laser storage ring, which canprovide laser pulse of high repetition rate by recycling the laser pulse. In this presentation, we will introduce the laser
stripping injection scheme and describe the concept of the laser storage ring for high repetition rate.の同型のブースターリングの 2 桁以上高い大出力 1 MWを目指しており、現在まで出力 500 kW での利用運転の世界における加速器を用いた科学実験の一つとして、 実績を持つ。また、ビーム試験では設計出力 1 MW 相当
大強度陽子ビームの標的照射後に生成された 2 次粒子 のビーム加速ならびに取り出しに成功した[3]。今後 1(中性子、μ粒子、K 中間子、ニュートリノなど)を用いた実 MW 出力の安定運転やさらなる出力増強を目指し、継験があり、MW 級の大強度陽子加速器が計画・建設・稼 続的に研究開発を行っている。ビーム利用運転開始以働中である。世界の大強度陽子加速器では、線形加速 降、RCS の入射部において有意な残留線量が検出され器で加速された負水素イオン(H−)の 2 つの電子を円形 た。そのビーム損失起源が荷電変換膜による大角度散加速器の入射点に設置された“荷電変換用炭素膜”に 乱であることをビーム試験とシミュレーションの双方より突て剥ぎ取り、陽子へと変換しながら周回する陽子ビーム き止め、散乱粒子の回収機構の導入によるビーム損失に多周回にわたり重ねて入射することで、大強度陽子 の局所化などを行い、大強度化への道筋を付けてきたビームを形成している。この入射手法を“荷電変換多重 [4]。また、大強度出力時に顕著となる空間電荷効果の入射”と呼ぶ[1]。この入射手法は、大強度の陽子ビーム 緩和に加え、膜への衝突粒子数を低減する“ペインティを生成できる反面、周回する陽子ビームが膜への衝突を ング入射”[5]と呼ばれる手法を確立させた。ビーム試験繰り返すことで、ビーム自身が散乱され、ビームエミッタ では、ペインティングのエミッタンス範囲を従来の 100πンスの増大や大角度に散乱された粒子による制御不能 mm mrad から 200π mm mrad までの拡幅に成功し、307なビーム損失が原理的に発生する。加えて、ビームの衝 周回入射時において 1 粒子あたり 40 回程度の平均衝突による膜へのエネルギー付与のため、大強度ビーム 突回数を 7 回程度まで大幅に削減させてきた[6]。今後
出力時には熱や衝撃による膜の破壊が生じる。そのため、 利用運転の出力を増強しつつ、荷電変換膜を常時監視
大強度陽子ビームの出力や運転効率は、ビーム損失に し、破壊による寿命など系統的なデータを取得していきながら、設計出力 1 MW への出力増強を目指す。しかし
よる残留線量や膜の寿命によって厳しく制限される。
現在アジアで唯一の大強度陽子加速器施設である J- ながら、さらなる大強度出力 1 MW 以上には炭素膜を用
PARC は、400 MeV 線形加速器、3 GeV シンクロトロン いた荷電変換入射に代わる新たな入射手法が求められ(RCS)、30 GeV メインリングシンクロトロン(MR)から構成さ る。そこで RCS では、さらなる大強度出力へ障害となり得れ、大強度の陽子ビームを最先端の実験施設へと供給 る大きな課題の克服に向けて、円形加速器への革新的している[2]。J-PARC の心臓部である RCS は、線形加速 な入射手法である“レーザー荷電変換入射”を新たに考器で 400 MeV まで加速された H−を陽子へと変換する 案し、実現を目指して研究開発を進めている。3 章で詳“荷電変換多重入射”で 307 周回にわたり貯めこみ、入 細を述べるが、レーザー荷電変換入射は荷電変換膜の−射後 20 ms の短時間で 3 GeV のエネルギーまで加速す 代わりにレーザーのみを使用して、H から陽子へと変換るシンクロトロン加速器である。RCS の設計出力は、KEK し入射する手法である。しかしながら、その手法を実現するには、現存する高出力レーザー光源より出力が 2 桁以_________________________________________

1.

研究の学術的背景# hharada@post.j-parc.jp- 983 -

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上高いレーザー光源が必須となる。そのため、H−ビームに照射したレーザーを再利用する形で、高出力でかつ高繰返しが可能な“高出力レーザー蓄積リング”の開発が本研究の目的である。また、高出力レーザーは精密加工や高速溶接などの“産業利用”、宇宙・レーザー核融合研究・レーザー加速研究・新物理探索などの“基礎科学研究”に用いられており、高出力でかつ高繰返しが可能な“高出力レーザー蓄積リング”は本研究目的の達成のみならず、幅広い分野への応用が期待される。

上の荷電変換効率を達成している。しかしながら、入射システムとして実現するには、“大口径磁石による強磁場1.2 T の実現”、“強磁場 1.2 T を用いた際のビーム入射システムのビーム力学的な設計”、そして“高繰り返しと長パルス化による 600 倍以上高い平均出力のレーザー”が大きな課題となる。特に 2 桁以上高いレーザー出力の増強は困難を極める。

Figure 2: Schematic view of POP experiment setup at
SNS facility.
Figure 1: Principle of laser assisted stripping injection.

3.

新たなレーザー荷電変換入射の考案

RCS では、上段の線形加速器からエネルギー400MeV、ミクロバンチ長 100 ps、周波数 324 MHz、入射パ
2. 世界の動向：レーザー補助荷電変換入射 ルス長 0.5 ms、繰り返し 25 Hz の H−イオンビームが入射
1990 年代にレーザーによる電子励起と強磁場による される。この全てのビームパルスに対して電子を 2 つ剥電子剥離を組み合わせた“レーザー補助荷電変換入射” ぎ取り、陽子へと荷電変換しなければならない。このエネが考案され、原理実証実験が米国ブルックヘブン国立 ルギー400 MeV の H−ビームは SNS の 1 GeV のエネル研究所などで行われてきた。Figure 1 にレーザー補助荷 ギーより遅いため、SNS と同様にローレンツストリッピング電変換の原理を示す。H−イオン中の 2 つの電子は、基 を用いた電子剥離には 1.8 T 以上のさらなる強磁場が必底準位(n=1)と高準位(n>2)に存在する。H−イオンが強磁 要となる。そのため、実装不可能な手法と言える。そこで、強磁場による電子剥離に替わり、高出力レーザーのみ場で曲げられた際の遠心力によって、高準位の 1 つの電で電子剥離を行う“レーザー荷電変換入射”を新たに考子は H−イオンから剥離し H0 へと変換する。これは、ロー案し研究開発を進めている。
レンツストリッピングと呼ばれ、ビームの運動エネルギーと電子の励起準位に依存して電子剥離可能な磁場強度 3.1 レーザー荷電変換入射が決まる。もう 1 つの電子は基底状態(n=1)にあり、レー新たに考案している“レーザー荷電変換入射”の原理ザーを用いて高準位(n=3)に励起する。直後に再度強磁 の模式図を Figure 3 に示す。考案中の原理や提案中の場によるローレンツストリッピングによって H0 から電子を 原理実証実験の詳細は、出版された加速器学会誌の解剥離し、陽子へと変換する。現在、米国オークリッジ国立 説(日本語)や国際会議 HB2016 のプロシーディングス研究所(ORNL)の核破砕中性子源施設(SNS)の線形加 (英語)で公開している[8][9]。この手法では、レーザー
3 段階で行う速器のビームラインにおいて、実証実験が行われている “補助”荷電変換入射と同様に荷電変換を−0が、HもしくはHの電子剥離は強磁場を用いずレー[7]。Figure 2 に SNS での実験の概要図を示す。SNS のザーで行うのが特徴である。第 1 段階の H−ビームの電ビームエネルギー1 GeV では電子剥離に 1 T 以上の磁子剥離には、Nd:YAG レーザーの基本波λ=1064 nm の場を必要とするため、最大 1.2 T の永久磁石を電子励起波長を用いる。H−ビームは、H−ビームの運動エネルギー用のレーザーの上下流に配置している。上流側の磁石 とレーザーとの角度 αに依存するドップラー効果によっで 1 つめの電子を剥ぎ取り、H0 イオン中のもう 1 つの電 て、静止系では異なるレーザー波長λ0 の光として相互子は、下流側の磁石で剥ぎ取るために基底状態(n=1)か 作用する。
ら高準位(n=3)に励起する必要がある。SNS では、エネλλ0 =(1)
ルギー1 GeV、ミクロバンチ長~35 ps、周波数 402.5 MHz、(1 + β cos α )γ
入射パルス長 1.0 ms、繰り返し 60 Hz の H−イオンビームに対して、波長 355 nm レーザービームをパルス幅 35 ps、 ここ式(1)でのβとγはローレンツ係数である。このドップラー効果によって、Figure 1 で示す第 1 段階では、レーピークパワー~2 MW、周波数 402.5 MHz、ブースト時間
ザー光は 90°からの照射によって、743 nm の波長とし0.01 ms、繰り返し 10 Hz で照射している。現在までに最てH−ビームと相互作用を起こす。第 2 段階の H0 の電子
終目標の 1/100 の H−ビームパルスに対してのみ 90％以- 984 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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励起(n=1 から n=3)には 12.1 eV のエネルギーが必要で波長に換算すると 102 nm の光が必要となる。現在想定している ArF のエキシマレーザーは、波長 193 nm を出力し、63.3°の角度で照射した場合にドップラー効果で静止系では 102 nm の波長として H0 ビームと相互作用する。第 3 段階では、第 1 段階同様 Nd:YAG レーザーの1064 nm の基本波を励起 H0 ビームに 90°から照射し、静止系で 743 nm の波長として作用させる。このように、荷電変換膜に代わり、3 つのレーザーを照射することでH−ビームから陽子へと変換することは原理的に可能である。2017 年秋より原理実証実験を開始すべく、研究開発を進めている。しかしながら、レーザーパルスを入射されるすべての H−ビームへと照射するためには、高出力レーザー光源に対して技術的な大きな課題が残る。

現在、検討しているレーザー荷電変換入射で必要なレーザースペックを Table 1 に示す。レーザーパワーは99%以上の変換効率を目指している。Nd:YAG レーザーに関しては、高額ではあるがピコ秒レーザー光源が現存しており、0.1 ns のパルス幅でパルスあたりのエネルギーも数 100 mJ を超えている。しかしながら、パルスエネル
ギー数 mJ、パルス構造 324 MHz、バースト時間 0.5 ms、繰り返し 25 Hz のレーザーとなると、平均出力が現存の最高出力レーザーの 2 桁以上となってしまう。また、短波長の ArF エキシマレーザーは、数 ns のパルス幅となり、ビームのパルス幅より十分長いため、レーザーのエネルギーとしてビームと相互作用をしない無駄な部分が多い。
加えて、短波長特有のミラー反射率の低さやミラー損傷などの課題もある。こちらも多くの課題はあるが一番大きな課題は、2 桁以上高い高出力レーザー光源である。
Table 1: Laser Requirements to Realize a Laser Stripping
Injection

Figure 3: Principle of laser stripping injection.

過程

H−→H0

H0→H0*

H0*→H+レーザー

Nd:YAGAｒF Excimer

Nd:YAG

波長1064 nm

193 nm1064 nm

照射角度

90°

63.3°

90°

エネルギー

> 1 mJ> 1 mJ> 2 mJ

パルス幅

0.1 ns

0.3 ns0.1 ns

パルス構造

324 MHz324 MHz324 MHz

バースト

0.5 ms

0.5 ms

0.5 ms繰り返し

25 Hz

25 Hz

25 Hz

4.

高出力レーザー蓄積リング

4.1

高出力レーザー蓄積リングの最終目標

RCS においてレーザー荷電変換入射を実現するためには、現存の高出力レーザー源と比較して 2 桁以上高い高出力レーザー光源が必要となるが、非現実である。
Figure 4: Time structure of H− injection pulses from
この大きな課題を克服すべく、“高出力レーザー蓄積リン
LINAC to RCS.
グ”を開発する。レーザー蓄積リング自体は、すでに考案・実証されている[10]。このリングは、レーザー入射用
3.2 要求されるレーザースペックのビームスプリッターミラーの対角線上に反射平面ミRCS においてレーザー荷電変換入射を実現するため ラー、反対の対角線上に収束レンズと反射を兼ねたトロに要求されるレーザースペックを説明する。最初に RCS イダルミラー2 枚の配置で構成される。レーザーの周回に線形加速器から入射される H− ビームの時間構造を 周波数が 324MHz になるようにレーザーが周回するリン
Figure 4 に示す。負水素イオン源より 0.5 ms の時間取り グの光路長を決め、“レーザーを再利用する形で連続的出された H−ビームは、各種加速空洞で加速・バンチ化さ にビームへの照射を可能”とする。しかしながら、周回すれ、RCS への入射直前でパルス幅 0.1 ns、周波数 324 るレーザーの出力がミラーで減衰してしまう。そのため、リMHz のミクロパルス構造を持つ。RCS での RF 捕獲時の ング内に“レーザー増幅器”を配置し、周回中にレービーム損失低減のため、横方向 RF にて 44%のビームを ザー出力を継続的に増幅させる必要がある。現在までに加速初段で廃棄し、中間パルス構造となる。その中間パ Nd:YAG レーザーに対しては、半導体レーザー励起にルスは、456 ns のパルス幅を持ち、2 バンチ分を 307 周 よるレーザー増幅技術が確立し、製品化も完了してい回にわたって入射するため、入射時の周回周波数の 2 る。このレーザー蓄積リングと増幅器を組み合わせること倍の 1.23 MHz の中間パルス構造となる。レーザー荷電 で、“高出力レーザー蓄積リング”と可能となる。この“高変換入射を実現するためには、入射されるすべての H− 出力レーザー蓄積リング”の開発が、本研究の目的であビームにレーザーパルスを照射しなければならない。1 る。この高出力レーザー蓄積リングの概要図を Figure 5繰り返しあたりのレーザーパルス数は 105 パルスを超える。 に示す。レーザー光源より数 100 mJ で出力されたレー- 985 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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ザーを透過率 1%のビームスプリッターミラーで数 mJ だけ蓄積リングに入射する。レンズとトロイダルミラーで焦点でのレーザーサイズを制御する。周回するレーザーは、スプリッターミラーで周回毎に 1%ずつ蓄積リングから抜けていき出力損失となるが、そこに出力モニタを配置することでリング内の出力を観測できる。透過率が大きい場合は、レーザー光源から入射される出力も大きくなるが周回毎の出力損失も大きくなるため、レーザー光源が高出力の場合には透過率は小さくする方が良い。他のミラーなどは高反射率のコーティングを行うが、合計で数%の出力損失が予想される。これら全てのミラーの損失分を補うためにリング内に増幅器を配置し、減衰した分だけを増幅させることで数 mJ を保持する。蓄積リング内のレーザーは、リングの光路長で決まる周回周波数で周回するため、リング内の焦点で H−ビームや H0ビームへレーザーを高繰り返しで照射することが可能である。

Figure 5: Schematic view of high-power laser storage
ring.
4.2

高出力レーザー蓄積リングの初期開発

高出力レーザー蓄積リングの初期段階として、産業界でよく使用されている Nd:YAG レーザーの高出力レーザー蓄積リングの開発から進める。レーザー光源として、半導体レーザー型ピコ秒パルスレーザーは高額である
ため、現在保有しているエネルギー200 mJ、パルス幅 20ns、繰り返し 25 Hz のランプ励起型 Nd:YAG レーザーを用いる。周長を 925.3 mm にすることで 324 MHz の周回周波数になるが、特注のトロイダルミラーは高額となるため、開発初期段階では市販品で焦点距離 600 mm のトロイダルミラーを採用する。そのため、周長は 2400 mm、周回周波数は 125 MHz となる。高反射率は必要であるため、コーティング膜をアルミ膜から金膜にする。ビームスプリッターミラーは、特注の誘多膜プレートスプリッターで透過率 1±0.5%を用いる。増幅器導入前に各ミラーでの損失率や透過率を実測し、増幅器での増幅率を算出する。その後、増幅器はレーザーメーカーと協力し開発する予定である。半導体レーザー(LD)励起スラブレー
ザー増幅器[11]を第一候補としている。スラブ式の増幅器は増幅器の中をジグザグと進み、光路長が長くなるた
め蓄積リングの周長を調整する必要があるが、温度を制御することで熱レンズの特性が緩和し、色収差が少なくなるため、高繰り返しの増幅器として適している。高繰り返しで周回するレーザーによってミラーへの熱負荷が想定されるため、各種ミラーでの熱負荷除去のために冷却機能を付加したミラーホルダーの開発も必要となる。熱負荷を抑えるため、開発初期ではバースト時間は最終目標の 1/50 の 0.01 ms 程度から進める予定である。
電子励起用の ArF エキシマレーザーの高出力蓄積リングの開発に関しては、紫外線領域の波長のため、ミラーの損傷率が高いことが予想される。その上、エキシマ機構による増幅は、入力エネルギーに対する蓄積能が低いため、蛍光寿命が短い。そのため、増幅器の開発が一番大きな課題となり時間を要するため、Nd:YAG
レーザーの高出力レーザー蓄積リングの開発と並行して、エキシマレーザー用増幅器の開発を進めていく。

5.

まとめ

本研究では、数 MW 級の大強度陽子加速器において必須となる円形加速器への革新的な入射手法である“レーザー荷電変換入射”の実現を目指している。確立
した場合には大強度化に向けた新たな“世界基準”となりうる入射手法である。その入射手法の実現に向けて、高出力でかつ高繰返しが可能な“高出力レーザー蓄積リング”の開発を進めている。
高出力レーザー蓄積リングの初期段階として、産業界でよく使用されている Nd:YAG レーザーを用いて、周回周波数や増幅時間を抑えた高出力レーザー蓄積リングの開発から進める。各ミラーでの損失率や熱負荷の把握、増幅器の開発を進め、最終目標に向けた道筋をつける。
この高出力レーザー蓄積リングを確立した際には、レーザー光を再利用する形で連続的に高出力レーザーを高繰り返しで利用できるため、本研究目的の達成のみならず、精密加工や高速溶接などの“産業利用”、レーザー核融合研究・レーザー加速研究・新物理探索などの“基礎科学研究”への応用も期待できる。

謝辞
本研究は JSPS 科研費 JP16K17542 の助成を受けたものです。

参考文献[1] H. Harada, OHO'10, KEK, 2010.
[2] Accelerator Technical Design Report for High-Intensity
Proton Accelerator Facility Project, JAERI Report No.
JAERI-Tech 2033-004 and KEK Report No. 2002-13.
[3] H. Hotchi, in Proc. of PASJ2015, p.103.
[4] S. Kato et al., PRST-AB 16, 071003 (2013).
[5] H. Harada, Ph.D thesis of Hiroshima University/KEK report
2009-7, 2009.
[6] H. Hotchi et al., in this proceedings.
[7] S. Cousineau et al., in Proc. of HB2014, p. 299.
[8] I. Yamane et al., Journal of PASJ, Vol. 13, No. 2, 2016 (8090).
[9] P.K Saha et al., in Proc. of HB2016, Pre-Release.
[10] I. Yamane et al., Journal of PASJ, Vol. 10, No. 1, 2013 (2031).
[11] T. Kawashima et al., OYOBUTURI, Vol. 85, No. 5, 2016
(411-416).

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