大強度イオンビーム加速器でのレーザー荷電変換システムの開発
米田仁紀

研究室

1. はじめに渕葵で加速されていることと、ドップラー効果

我が国の大強度陽子加速器施設 J-PARCを利用し、使用レーザーの長波長での実現

では、線形加速器から蓄積型のリング加速を目指している。また、①と③の過程では、器にビームを移送する際に、H-イオンから比較的高出力レーザーが得られやすい 1nmH+イオンへの荷電変換を行っている。現在帯のレーザーを用いられる方式にした。具は炭素薄膜を用いているが、ビーム強度の体的な 3 つの過程は以下の図 1 の様になっ増強化によりマテリアルフリーのシステムている。

を開発し、導入することが望まれている。
我々は、レーザーによる共鳴イオン化、共鳴励起などを 3 段階で行う方法を考え、その原理実証および、実機に使用できるレーザー開発を行っている。
本研究では、レーザー荷電変換システム

図 1 レーザー荷電変換システムの原理の第一段階となる 1μm 帯のピコ秒パルス列レーザーを開発し、J-PARC にある試験加3. 1µｍ帯ピコ秒パルスレーザー開発

速器を用いて原理実証を行っている。

3.1 要求出力強度
第 1, 第３ステップの荷電変換について、

2. レーザー荷電変換の原理

その必要とされるパルスエネルギーは、こH-ビームを H+ビームに変換するには、の変換の断面積データから 7~10mJ と見積電子を二つ剥ぎ取ることが必要である。こもられている。イオンビームの繰り返しは

こでは①H-オンから１つ目の電子を剥ぎ取最大で 324MHz であり、このままではリンる、②H0 原子で、1s の電子を 3p 凖位に光グへのローディング時間によるパルスの休励起する、③3p 電子を自由準位までイオン止時間を考慮しても、30kW 平均出力のレ化させる、の３過程を光でのみ行うことをーザーが必要になる。これはピコ秒パルス考える。通常、水素原子の n=1 から n=3 へレーザーとしては現状のレーザー技術とはの励起は 10eV 程度の真空紫外光が必要にかけ離れているために、我々は、後で述べるなる。
必要とされるレーザーパワーは 10kW

像転送折り返し光学系を用いた 1/30 程度～100kW レベルになることを考えると、現のレーザー要求出力の低減を行っていく。

在のレーザー技術でこのレーザーを開発す対象となるイオンビームのパルス幅はることは非常に困難である。そこで、この過100ps となっている。このため、折り返し光程では、イオンが十分に相対論的な速度ま学系によるピーク出力低減を入れても、ピーク強度は 3MW を超えることになる。こステム上流部の破壊の危険性排除、③寄生のような 300MHz を超える高繰り返しで平発振やシードがない時間帯での利得制御、均出力も高いパルス列レーザーの場合、そなどが重要になる。そこで、ここでは、ファこで使用するファイバーや光学素子の損傷イバー部では一定ゲインの状態で増幅段数閾値も評価し開発をしていく必要がある。

を増やすことと、段間で ASE フィルターおまた、荷電変換に使用するレーザーには、放よび複数のアイソレーターを入れることで、射線管理区域内に設置され、安定に長期間正常なパルス増幅を行うようにしている。

メンテナンスフリーで稼働することが求め増幅媒体は、最初の 3 段目までは、シングられている。

ル ク ラ ッ ド の Yb ゲ イ ン フ ァ イ バ ー を

これらのパラメータや要求事項を踏まえ、WDM とバタフライ型励起レーザーをパル

ここで開発するシステムでは光源の発振部ス駆動させて増幅させている。その後、ダブから数 100mW までのプリアンプ部まではルクラッドのゲインファイバーを用い、こ全て光ファイバー増幅器で構成することにれをピーク励起強度２０W でパルス励起さした。その後、LD 励起の固体レーザーを用せ、増幅を行っている。このダブルクラッド

い、必要エネルギーの達成を目指すシステ

ファイバーでは、ファイバーがまかれた状ムとした。

態では、その重なった部分でファイバー被覆が融けダメージに至る現象が観測された

3.2 レーザーシステム

ので、ダブルクラッドファイバーの部分は具体的に、開発されたレーザーシステムは、水中に入れ、冷却を行えるようにした。ここ

図 2 のようになっている。J-PARC の複雑までファイバーはすべて偏波面保持を使用なパルス構成に合わせるために、100ps のし、その後のレーザーパルス制御が容易にパルスレーザーの発生には、連続発振の分なるようにした。

布帰還型レーザー(DFBL)の出力を 10GHz

次に、このファイバーの出力をコア径に対応した EO モジュレータを用いてパル40μm のフォトニッククリスタル(PCF)Ybス列化する方法を用いた。電気パルスの発ドープファイバーで増幅する。このファイ生には、50GHz クロックを持つ任意波形成

バーの励起には、200μm コアのファイバー形器を用い、J-PARC 施設からイオンビーム

カップル 120W 出力 LD をパルス励起させに同期した最初の同期パルスをもとに、エることで行っている。最初に PCF を数ンベロップで 500μs のパルス塊を発生可10cm の直径で曲げたメーカーが CW レー能にした。この出力は、EO モジュレータでザー用に開発したものを使用し、全長 3m 程制限され、ピーク強度でも 20mW 程度、パ度の離党部分の長さで行ったが、曲率がつルスエネルギーで 2pJ 程度になっている。

いている部分で破壊が起きることが分かっこれをサブ mJ まで増幅するために、109 程た。これは、平均出力は低いが、100ps のパ度の増幅が必要となる。このような大きなルス列となっており、ピーク強度が増加し増幅率を達成するためには、①増幅された

た た め と 考 え ら れ た 。（ 実 際 に 、 25Hz,自然放出光 ASE の制御、②戻り光によるシ500μs マクロパルス、324MHz ミクロパル

ス条件では、平均出力 500mW で破壊に至形を照射時に要求されるパルス列長より数ることが再現よく確認された。）そこで、倍長く入れ、台形の励起波形により増幅波PCF ファイバーを 70~90cm の 2 つにわけ、形を切り出していくという手法を行った。

間にファラデーアイソレーターなどを挿入

図 3 は実際の増幅の様子であり、青線の波させて、安定な増幅ができるようになった。

形に赤線のように励起波形を台形に印加すると緑線のように尖頭パルスの増幅を抑制した均一強度な波形に増幅することができた。

図 2 ファイバー前置増幅器システム
3.3 パルス列の増幅波形の均一強度制御
本研究における克服すべき問題の一つに

図 3ファイバー前置増幅器における励起波形と増幅波形パルス列を均一強度に増幅することである。J-PARC のイオンビームのパルス構成
は最密パルス 324MHz で構成された 500㎲の長さのパルス列が 20Hz で構成されている。効率よく荷電変換を行うために、構築するレーザーはイオンビームのパルス構成に完全に同期の取れていて、パルス列全体の強度が均一である必要がある。パルス

図 4

LD 励起固体レーザーシステムの励列を均一強度に増幅するためには単一パル起タイミング操作による増幅波形の変化

ス増幅のように、励起光で上準位に蓄積したエネルギーを引き抜く手法ではパルス列の尖頭パルスが著しく増幅されてしまうことが分かった。

4. 照射光学系
高効率な荷電変換手法を行うにあたって、光源の要求出力パワーの抑制が重要である。

本研究では①上準位にエネルギーが蓄積

光とイオンビームの相互作用によるロスはされる状況を作らないために信号波形を励

ほぼ 0 なので球面鏡を用いて光をリサイク

起波形より先に入れる、②励起波形も矩形ルする折り返し光学系を開発した。折り返に印加すると尖頭パルスの増幅に繋がってし光学系を用いると、独立に入射されたパしまうので、緩やかな立ち上がりの台形にルス群を球面鏡を用いて照射点で重ね合わ印加する、の以上二点を考慮して増幅を行せることができる。例えば 16 個の独立したう事にした。最終的な運転方法は、信号波パルスを入射した時、照射点で全てのパルスが重ねる合わせ 7 りことが可能であり、レーザーの要求エネルギーも最大 1/16 に抑えることが期待できた。
また、イオンビームは矩形のビームプロファイルを持っているため、照射点で矩形に成型したレーザーのプロファイルを像転送するという役割をしている。照射時に像が回転してしまうのを防止するために独立

図 7 laser-on 時と laser-off 時の FCT シグ

した球面鏡で光学調整を行った。

ナルの変化
6. 第二回原理実証実験の結果
2021 年 6 月に第一回原理実証実験と同様の条件で原理実証実験を行った。相互作用させるレーザーはイオンビームの最密部

図 5 像転送折り返し照射光学系

324MHz のミクロパルスに同期したパルス光を相互作用させた。

5. 第一回原理実証実験の結果

実験では入力信号を制御してミクロパル

2020 年 10 月に J-PARC でレーザーとイスの二つに一つパルス光が照射するというオンビームと相互作用させる原理実証を行条件で相互作用実験を行った。その結果、フった。実験場所は直線加速器の実機に隣接ァラデーカップの信号に FFT をかけたとき、されたテストスタンドで行い、エネルギー

H-ビームの周波数 324MHz の半分の周波は劣るがほぼ実機と同じ条件で実験を行っ数である 162MHz の信号が確認できた。こた。の手法により、レーザーによるシグナルの第一回の実験では最密部 324MHz のパル変化がリアルタイムで観測できるようにな

スが 1Hz, 500μs で入射するイオンビームったことで、レーザーの時間タイミングをに対して、1Hz,100μs のパルス幅の長い光最適な条件に調整することができた。そのを相互作用した結果、最大 0.57％の荷電変結果、荷電変換効率が最大で 16.8％を達成換効率を達成した。

した。

図 6

第一回原理実証実験における変換効率のヒストグラム

図 8 荷電変換効率の高 S/N 比リアルタイム計測

次に、レーザーの delay を 20 ㎰ずつ変化させ、162MHz のピークの信号強度を計測した。
イオンビームとレーザーの最密パルスは共に100ps のパルス幅であり、それらがオーバー
ラッ プす る 時は 𝜎＝√(100𝑝𝑠)2 + (100𝑝𝑠)2 ≃
140𝑝𝑠 と計算できる。しかし得 られたσは

図9

FCT シグナルのレーザー照射による信号強度の変化261ps であった。これは計測用のケーブルが20m の長さでノイズの対策が不足していたためにおよそ 300ps のジッターが生じていた影

また、荷電変換効率の向上に大きく貢献し響であると考えられた。また、このシステムたのは上記４章に示した像転送折り返し光は非破壊型のイオンビーム最密パルスのパル学系である。図 8 に照射点に重ね合わせたス幅測定が可能になった。従来の計測方法はパルス数と変換効率の変化を示した。折りイオンビームの伝送路でワイヤースキャンを返し光学系により照射点で重ねたパルス数行っていたが、計測時にワイヤーが放射化しが増えると変換効率が向上することが分か周辺機器に影響を及ぼすことが問題とされてった。よって、今後は重ね合わせる回数をいる。本手法は非破壊手法でかつイオンビー増やすよう再設計することで荷電変換効率ムをダンプする必要がなく S/N 比の高い計測の向上を目指すことができると考えた。ま方法であり、現在 J-PARC 内部から大きく注た、今回は光学調整の容易さにより、真空目されている。

チャンバーの外に光学系を設置していたた
めウィンドウによって各パス 0.13％のロスが生じていた。よって今後は照射光学系を真空チャンバー内に設置する予定であるため、変換効率もより効果的に向上させることができると考える。

図 11 イオンビームの最密パルスのパルス
幅測定

図 10 折り返し光学系による変換効率の変化

7. まとめと今後の展望
J-PARC のイオンビームに同期の取れたピコ秒パルス列レーザーシステム構築し、均一強度にパルス列を増幅する手法を確立した。
第一回の原理実証実験ではイオンビームにパルス幅 100μs の光源を照射したとこ
ろ最大 0.57％の変換効率が得られた。また、第二回の原理実証実験ではイオンビームの図 12 レーザーパルス(赤線)と J-PARC のシ最密パルスに同期した光源を相互作用させ、ステムクロックパルス(青線)のジッター

最大 16.8％の変換効率を達成した。原理実
証実験から、折り返し像転送光学系によりまた、EOモジュレータで光源のパルス構荷電変換効率の向上を確認することができ成を制御できるため、イオンビームの最密パた。また、光源を EO モジュレータでパルルス324MHzと少し周波数が異なるレーザース制御を行ったことで、周波数を操作してを入射することでイオンビームの最密パルスイオンビームの波形モニターとしても本シのパルス長をシングルショットで測定できステムが J-PARC 内で大きく注目される結た。従来は直線加速器下流のイオンビームは果を得ることができた。

シミュレーションにより最密パルスのパルス今後は、赤外レーザーシステムでは変換長を決定していた。本手法ではビームをダン効率向上に向けてより精度の高いパルス同プすることなく稼働させながらリアルタイム期を行うことと、出力波形の CW 成分の抑でイオンビームのパルス状況が測定できる。

制を行うことが必要であると考える。また、

従って、J-PARCにおけるイオンビームの調紫外レーザーシステムの開発として企業と整に大きく貢献する手法を確立することがで協力して波長変換用結晶の開発や紫外域のきたと考える。

光学素子の開発を行う。
参考文献[1]H. Kalaycıoğlu, Y. B. Eldeniz et.al., OPTICSLETTERS, Vol. 37. No. 13, July 1, 2012[2]A. HANUKA, et.al., Optics Express, Vol. 26.
No. 23, 12 Nov 2018
[3]A. Rakhman†, Y. Liu, JACoW Publishing,
IPAC2018

図 13 イオンビームのシングルショットパ
ルススキャン