誘電体を使った粒子加速 - Osaka University · 2018. 6. 4. · 誘電体を使った粒子加速ム 2017年5 月9, 10日大阪大学銀杏会館小山和義東大岡元勇人,

誘電体を使った粒子加速

光・量子科学合同シンポジウム 2017年5月9, 10日　　大阪大学銀杏会館　　

小山和義　KEK & 東大

Zhaofu Chen, 岡元勇人, 池田直樹、上坂充　　　東大佐藤大輔, 吉田光宏　　　　　　　　　　　　 KEK

この研究の一部は科研費基盤(B)15H03595 及び、文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業（NIMS微細加工プラットフォーム）の支援を受けている。

内　　容


はじめに

誘電体壁加速　（パルス電界によるイオン加速）

誘電体レーザー加速　（定在波／進行波による電子加速）

原理、応用など

東大・KEKグループの研究

国外での研究

まとめ

HIMAC

医療施設・大型施設を利用少ないマシンタイム

イオン 1個（電子・光子 100個） < 1~2 MeV

小型のビーム源で多くの実験

マイクロビームの放射線生物学応用

細胞の何処に当たるかは運次第

放射線治療の基礎過程低線量被曝の影響放射線増感剤・放射線防護剤

放射線生物学研究

細胞の特定の位置を照射

Ikeda@RIKEN

イオンビームをマイクロキャピラリーでガイド

電子線、X線を集束


小型マイクロビームに向けてミクロンサイズの加速管

レーザー誘電体加速Dielectric Laser Accelerator (DLA)

誘電体壁加速Dielectric Wall Accelerator (DWA)

進行波／定在波で電子を加速電極間のパルス高電圧でイオンを加速

.........

PCSSBlumlein transmissionline

Beamline

Ion

Ionsource ...

Electron gun

Quadrupole magnets

DLA

Focusing lens

Optical microscope

Fiber laser

4th harmonic generator

誘電体で加速管電界発生にはレーザーパルス

短パルス化で耐電圧を上げる破壊電界強度を上げる





.........


Beamline

Ion

Ionsource ...

Electron gun

Quadrupole magnets

DLA

Focusing lens

Optical microscope

Fiber laser



短パルス化で耐電圧を上げる


破壊電界強度を上げる


−16.7&'

6.81&'

誘電体壁加速


HGIの絶縁耐力は3nsパルスで100MV/m光伝導半導体スイッチ（PCSS）

スイッチ(PCSS)と高速高電圧パルス発生KEK と東大

Initial Voltage:20[V]Output voltge:40[V]

Laser

Current

Dielectric

Metal

Photoconductive switch

Band gap of GaAs: 1.43[eV]




.........


Beamline

Ion

Ionsource ...

Electron gun

Quadrupole magnets

DLA

Focusing lens

Optical microscope

Fiber laser



短パルス化で耐電圧を上げる


破壊電界強度を上げる


−16.7&'

6.81&'

レーザー誘電体加速d

dt

��mc2

�= qv · E

電磁界中の荷電粒子のエネルギー利得

加速には縦方向（粒子の速度方向）の電界が必要。

境界の導入等プラズマとの相互作用縦方向成分の発生

航跡場（縦波）励起縦方向成分の発生高周波加速

Ea < 100 MeV/mΛ ≈ 10 cm

航跡場加速

Ea ≈ 100GeV/mΛ ≈ 10 µm

誘電体加速

Ea ≈ 1~2 GeV/mΛ ≈ 1~10 µm

Λ x10-4 Ea x10


金属から誘電体へ

Ti:Sapphire Laserwavelength: 800nm;Pulselength:1ps

3.5J/cm2

0.19J/cm2

Brea

kdow

n lim

it (ele

ctron

indu

ced)

Kilpatric

k limit (io

n induc

ed)Surface h

eating limit

Plasma l

imit

λ=1µmTHzS λ=10µmVis.

X-bandC

金属製加速器高周波は金属壁でガイド（内部には入れない）位相速度と粒子の速度の同期は周期構造で保つ高Q構造（低パワーの長い高周波パルス）加速勾配は、約百MV/mが限界

誘電体加速器金属壁またはブラッグ反射でガイド位相速度と粒子の速度の同期は実効誘電率で制御低Q構造（高パワーの短いパルス）加速勾配は、1GV/m以上

K. Soong, et al., AIP Conf. Proc. 1507, 511-515 (2012)

R. Jameson, NATO ASI Series B: Phys. 178, 497-506 (1986) & LA-UR-86-2353 (1986)


レーザー駆動誘電体加速の方法一次元格子

二次元フォトニックファイバー三次元フォトニック結晶T. Plettner, et al, PRST-AB, 9, 111301 (2006).

X. Lin, PRST-AB, 4, 051301 (2001). B. Cowan, et al, PRST-AB, 11, 011301 (2008).光・量子科学合同シンポジウム 2017年5月9, 10日　　大阪大学銀杏会館　　

他にも、多数の提案

THz

高エネルギー・リニヤコライダー

オンチップ・X線自由電子レーザー

医療応用

レーザー駆動誘電体加速の応用

レーザーアンジュレーター

診断治療

T. Plettner, PRST- AB, 11, 030704 (2008)

R. Byer, et al., DPF2011 (August, Rhode Island)

R. England, et al., Rev. Mod. Pays. 86,1337-1389 (2014)

基礎医学・化学マイクロビームK. Koyama, et al, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 47, 234005 (2014).

M. Uesaka, et al., Rev. Accel. Sci. and Tech., 9, 235 (2016) .


回折格子による加速

レーザーを使った最初の実験


E

半周期

レーザーの電界

電子の加速HG

�0

n ⇤HG�0

=1

2 (n� 1)

⇤

�=

v

c= �

レーザー駆動誘電体加速の実験に向けて

片側の格子だけの場合は、照射は裏面・表面の２通り可能

非相対論的電子(50keV)を加速1. 格子間隔をレーザー波長と同じにして、電界分布の高次の成分を使う。 2. 格子間隔を狭くして、格子の基本波成分を使う。同時に格子を低くする。


⇤HG�0

=1

2 (n� 1)

⇤

�=

v

c= �

対向回折格子は制作が難しい　　　片側の格子だけで実験

片側だけの回折格子による非相対論的電子の加速

片側だけの回折格子で格子の高さが低い場合には、電子を常に加速するような電界はできないが、減速位相の電界強度を小さくできる。divD=0

Long

itudi

nal f

ield

Ez

/ E0

Longitudinal field Ez

grating

vacuumROI

50 keV Electron Ez on electron

-1.4 1 1.40-1

1.4

-1.4 z

x

y ·

0

electron


HG�0

=1

2 (n� 1)

⇤

�=

v

c= �

片側だけの回折格子近傍での電子の運動Electron bunch

z

x

y·

Dis

tanc

e d

Dis

tanc

e d

Force

Force Electron bunch

Large longitudinal energy spread

Large transverse energy spread

Accelerating gradient

Deflecting gradient

電子バンチは、斜めに歪みながら進む

Ez

=icB0��

ei(kmzz+kmyy�!t+�)

Ey

=�cB0�

ei(kmzz+kmyy�!t+�)

Bx

= B0ei(kmzz+kmy�!t+�)

� = v/c = �G/�0, � =�1� �2

��1/2

kmy = m2⇡/�� 減衰係数


Fz = �ec

��B0e

� 2⇡x�� sin (�)

Fx

=

ec

��2B0e

� 2⇡x��

cos (�)

F = q (E+ v ⇥B)

回折格子寸法の最適化

λG=0.425 µm, Wp=0.225 µm, Hp=0.288 µm, L = 15 µm�G

�G

225nm

425nm

288nm20μm

380μm

2.5mm3.0mm


片側だけの回折格子での加速条件

エネルギー利得　　横方向への変位

Eini = 50 keV電子ビームレーザー λ=1.03 µm, Pav = 11.6 W, f = 84 MHz

Ep = 0.14 µJ/pulse, τ = 150 fs, (P0 = 860 kW)I0 = 1.9 TW/cm2 (E0 = 4.2 GV/m)

回折格子 λG=0.425 µm, Wp=0.225 µm, Hp=0.288 µm, L = 15 µm


誘電体加速用回折格子の制作

電子線(EB)リソグラフィは、10nm程度の細かい描画が可能格子の幅が200nmと狭くフォトリソグラフィでは難しい

物材機構・NIMS微細加工プラットフォームの設備を使用


)

5156

i

M

MB g

R Bl

ME O B

S .1 B

( Be

.4276143

回折格子の作成



回折格子のSEM



回折格子のSEM

λG=425 nm, Hp=272 nm, Wp=153 (top), 218 (foot) nmLacc=15 µm



80µJ/pulse w/o disk amp

国外での研究


レーザー

E. Peralta, et al. Nature 503, 91 (2013)

ΔE~60 keV in 360 µm @60 MeV Q = fC (

市販のパルスレーザーを使えるか


ファイバーレーザーファイバー出力数十ps 100 µJ ~ 1mJ

(株式会社　光響　調べ)

ファイバーで結合できる？

パルス圧縮・自由空間

共振器によって光を蓄積すれば可能


ILIDT(SiO2)

ILIDT(SiO2/HfO2)

例えば、Q≈100の場合、 1012W/cm2弱の照射強度でも 1013W/cm2相当の電界強度が得られる。

ファブリー・ペロー共振器ファブリ・ペロー干渉計（共振器）

2

2

2

2a

b

NF=a2

λl

フレネル数が大きい方が回折損失が少ない。（高次の回折損失が少ない。）

a . �/4` ⇠ �/2

NF . 0.125

高次の損失；大共振器を掘るとフレネル数；減少


格子面が共振器に向かなくても可能

タルボ(Talbot)長さZT =

�

1�q1� �2⇤2

⇤ ; 格子間隔

相対論的電子の加速は可能非相対論的電子加速のためには別の構造（列柱） Chen, et al. Rev. Laser Eng. 45, 97-101 (2017)

�/⇤ = 2�/⇤ = 1


まとめ


誘電体レーザー加速；　　　加速勾配は光学破壊耐力で制限　(1GV/m) 　　　小型・高繰り返しレーザーで電子加速が可能。　　　バンチ当たりの電荷量（電子数）はpAは可能。

加速には近接場（境界のごく近傍の電磁界）を使う。フォトニック結晶・メタマテリアルの応用の一つ。

オンチップ加速器、オンチップXFELの可能性

誘電体壁加速；レーザーは高速スイッチのトリガーとして利用大きさは絶縁耐力で制限　(30MV/m →100MV/m可能)

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