JP2000243598A

JP2000243598A - 中性原子ビーム光電離装置

Info

Publication number: JP2000243598A
Application number: JP11038969A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Suzuki; 康夫鈴木; Michikazu Kanemasa; 倫計金正; Hironobu Kimura; 博信木村; Noriyasu Kobayashi; 徳康小林; Sakae Ikuta; 栄生田; Yoshimichi Onishi; 嘉道大西
Original assignee: Toshiba Corp; Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Toshiba Corp; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2000-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】高出力のレーザービームを安定して供給するこ
とができる中性原子ビーム光電離装置を提供する。【解決手段】Ｈ^-ビームを中性粒子ビームに中性化し、
この中性粒子ビームをＨ ⁺ビームに荷電変換する中性原
子ビーム光電離装置において、レーザービームを発生さ
せるレーザービーム発生装置１１と、この発生したレー
ザービームを多重回反射させ、かつこのレーザービーム
を前記中性粒子ビームの入射に合わせて反応させる多重
反射光学系１３ａ，１３ｂとを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射エネルギーの
高い陽子蓄積リングへＨ^-ビームを入射する場合、Ｈ⁺
ビーム（陽子ビーム）に荷電変換して入射させるための
中性原子ビーム光電離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、入射エネルギーの高い陽子蓄積
リングにＨ^-ビームを入射する場合には、このＨ^-ビー
ムをＨ⁰ビーム（中性粒子ビーム，中性原子ビーム）に
中性化し、さらにＨ⁺ビームに荷電変換する必要があ
る。

【０００３】以下、図５を参照して中性原子ビーム光電
離装置の従来例について説明する。図５において、従来
の中性原子ビーム光電離装置は、通常、Ｈ^-ビームを生
成するＨ^-イオン源１と、このイオン源１により生成さ
れたＨ^-ビームを加速する線形加速器群２と、これら線
形加速器群２により加速されたＨ^-ビームから電子を取
り除いてＨ⁰ビームに中性化させる中性化アンジュレー
タ３と、この中性化されたＨ⁰ビームを光励起させると
ともに、対をなす光閉じ込めリングミラー４と、これら
光閉じ込めリングミラー４内に配設された非線形光学素
子５と、この非線形光学素子５を励起する励起レーザー
６と、前記光励起手段である光閉じ込めリングミラー４
により励起されたＨ＊ビーム（励起状態のＨ原子ビー
ム）を電離させる電離用アンジュレータ７とから構成さ
れている。

【０００４】このように構成された中性原子ビーム光電
離装置においては、まずＨ^-イオン源１によりＨ^-ビー
ムを生成させ、このイオン源１で生成されたＨ^-ビーム
を線形加速器群２によって加速し、代表的に１．５Ｇｅ
Ｖ程度まで加速させる。この加速されたＨ^-ビームを、
強い交番磁場（磁場のビーム軸上の積分は全体で０とな
るようにする。）を生成する中性化アンジュレータ３内
に通過させる。

【０００５】すると、この強い交番磁場によりＨ^-ビー
ムから電子が取り除かれ、中性化されＨ⁰ビームに変換
される。このとき磁場の軸上の積分は全体で０となるよ
うにしてあるので、Ｈ⁰ビーム（中性粒子ビーム）の軌
道はＨ^-ビームの進行方向と変わらない。そして、この
Ｈ⁰ビームとほぼ同軸上にＨ⁰ビームに対向するように
光閉じ込めリングミラー４が配設されていることから、
水素原子に共鳴する波長のレーザー光を循環させる。

【０００６】ここで、この光閉じ込めリングミラー４に
は、非線形光学素子５が内包され、この非線形光学素子
５が励起レーザー６により励起される。例えば、励起レ
ーザー６としてＹＡＧレーザーを、非線形光学素子５と
してＫＤ^*Ｐ（ＫＤ₂ＰＯ₄）またはＫＤＰ（ＫＨ₂Ｐ
Ｏ₄）など２倍高調波発生結晶を用いると、光閉じ込め
リングミラー４には、励起レーザー６の波長１．０６ミ
クロンの近赤外光は透過し、かつ非線形光学素子５が発
生する５３２ｎｍの波長を反射するようなものが使用さ
れる。

【０００７】このように構成された中性原子ビーム光電
離装置は、励起レーザー６の作用により非線形光学素子
５が励起され、この非線形光学素子５で波長変換された
レーザービームは光閉じ込めリングミラー４の作用によ
り、Ｈ⁰ビームに対向する形でレーザービームが光閉じ
込めミラー１０４内を一定方向に回りながら蓄積され
る。なお、励起レーザー４は非線形光学素子５に連続的
に励起光を供給するため、この供給量がミラー損失より
上回れば、蓄積されたレーザービームのパワーはさらに
増大する。

【０００８】この出力が増大されたレーザービームは、
Ｈ⁰ビームと対向して衝突するため、ドップラー効果に
より、以下のような影響がある。すなわち、水素原子の
共鳴波長である、例えばライマンβ吸収波長１０２．２
ｎｍは、中性粒子ビームエネルギーが１．６ＧｅＶの
時、長波長側にドップラーシフトして５３２ｎｍの可視
光域となる。これにより、Ｈ⁰ビームが光閉じ込めリン
グミラー４内を旋回するレーザービームにより励起さ
れ、Ｈ＊ビーム（励起状態のＨ原子ビーム）となる。

【０００９】このＨ＊ビームを、交番磁界を発生する電
離用アンジュレータ１０７内に通過させると、水素原子
内の高励起レベルに励起された電子が容易に外れて電離
し、Ｈ⁺ビームとなる。以上のようにして、高エネルギ
ーのＨ^-ビームから中性原子ビーム光電離装置によりＨ
⁺ビームが得られる。そして、このＨ⁺ビームは、入射
エネルギーの高い陽子蓄積リング８に入射される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の中性原子ビーム光電離装置においては、非線形光学
素子５の透過損失が大きいので効率が悪い。また、レー
ザー強度を増大するため、励起レーザー６の強度を増大
すると、非線形光学素子５にダメージを与え、ついには
破壊してしまう可能性があった。因みに、励起レーザー
６としてＹＡＧレーザーの２倍高調波を使用しようとし
た場合には、１００〜３００Ｗ程度の出力が現状で実現
可能なパワーであった。

【００１１】さらに、Ｈ^-ビーム加速時の選択におい
て、Ｈ^-ビーム加速エネルギーが変化し、Ｈ⁰ビームの
エネルギーが変化すると、ドップラー効果による水素吸
収波長のライマンβ吸収波長１０２．２ｎｍのシフト量
が変化し、レーザーの波長とずれてしまい、Ｈ⁰ビーム
を励起状態のＨ＊ビームに変換することができなくな
り、ひいてはＨ⁺ビームが得られないという課題があっ
た。

【００１２】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、高出力のレーザービームを安定して供給することが
できる中性原子ビーム光電離装置を提供することを目的
とする。

【００１３】また、本発明の他の目的とするところは、
中性粒子ビームのエネルギーが変化しても中性粒子ビー
ムをＨ＊ビームに変換することができ、ひいては安定し
てＨ ⁺ビームに変換することの可能な中性原子ビーム光
電離装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、Ｈ^-ビームを中性粒子ビームに
中性化し、この中性粒子ビームをＨ⁺ビームに荷電変換
する中性原子ビーム光電離装置において、レーザービー
ムを発生させるレーザービーム発生装置と、この発生し
たレーザービームを多重回反射させ、かつこのレーザー
ビームを前記中性粒子ビームの入射に合わせて反応させ
る多重反射光学系とを備えたことを特徴とする。

【００１５】請求項２の発明は、Ｈ^-ビームを中性粒子
ビームに中性化し、この中性粒子ビームをＨ⁺ビームに
荷電変換する中性原子ビーム光電離装置において、色素
レーザービームを発生させる色素レーザービーム発生装
置と、この発生した色素レーザービームを多重回反射さ
せ、かつこの色素レーザービームを前記中性粒子ビーム
の入射に合わせて反応させる多重反射光学系とを備えた
ことを特徴とする。

【００１６】請求項３の発明は、請求項１または２記載
の中性原子ビーム光電離装置において、多重反射光学系
は、互いに対向して配置された多重反射ミラーであるこ
とを特徴とする。

【００１７】請求項１〜３の発明によれば、中性粒子ビ
ームが存在するときには、常に高強度のレーザービーム
が多重反射ミラー内に中性粒子ビームに対向するように
閉じ込められるので、高出力のレーザービームを安定し
て供給することができる。

【００１８】請求項４の発明は、請求項１または２記載
の中性原子ビーム光電離装置において、レーザービーム
発生装置から発生するレーザービームは、レーザーパル
ス光であって、このレーザーパルス光のパルス波形を整
形する波形整形機構を設けたことを特徴とする。

【００１９】請求項４の発明によれば、波形整形機構を
設けたことにより、強度がほぼ一定で高強度のレーザー
パルス光を光励起ないし電離に十分な波形に整形するこ
とができる。

【００２０】請求項５の発明は、請求項４記載の中性原
子ビーム光電離装置において、波形整形機構は、レーザ
ーパルス光を２分割する第１のハーフミラーと、このハ
ーフミラーを経た２つの光路のいずれかに設置した光学
的遅延光路と、前記第１のハーフミラーおよび前記光学
的遅延光路をそれぞれ透過した波形を合成する第２のハ
ーフミラーとを備えたことを特徴とする。

【００２１】請求項５の発明によれば、光学的遅延光路
の光路長を調整すると、波形が時間的にオーバーラップ
されるので、時間中心部の強度が一定となる。

【００２２】請求項６の発明は、請求項１記載の中性原
子ビーム光電離装置において、多重反射光学系を同時に
移動可能とし、かつ中性粒子ビームと交差するレーザー
ビームの角度を変更可能な入射角変更機構を備えたこと
を特徴とする。

【００２３】請求項６の発明によれば、中性粒子ビーム
のエネルギーが変わったとき、入射角変更機構によりレ
ーザービームと中性粒子ビームとの交差角を変化させ、
中性粒子ビーム吸収波長のドップラーシフトにレーザー
ビームを同調させることにより、中性粒子ビームをＨ＊
ビームに変換することができ、ひいては安定してＨ⁺ビ
ームに変換することができる。

【００２４】請求項７の発明は、請求項１または２記載
の中性原子ビーム光電離装置において、多重反射光学系
に、垂直偏向を透過しかつ水平偏向を反射する偏向反射
ミラーと、垂直偏向を水平偏向にかつ水平偏向を垂直偏
向にそれぞれ変換する位相板とを設け、前記多重反射光
学系による多重反射回数を倍増することを特徴とする。

【００２５】請求項７の発明によれば、多重反射光学系
による多重反射回数を倍増することにより、多重反射光
学系に閉じ込めたレーザービームを中性粒子ビームと高
強度に反応させることができる。

【００２６】請求項８の発明は、請求項１または２記載
の中性原子ビーム光電離装置において、レーザービーム
発生装置を複数直列に設置する一方、これらのレーザー
ビーム発生装置に発振ビームを入射させるパルスレーザ
ー発振器と、このパルスレーザー発振器の発振繰り返し
数を可変するタイミング制御装置とを設けたことを特徴
とする。

【００２７】請求項８の発明によれば、レーザービーム
発生装置からのレーザービーム発振繰り返し数を多重化
することにより、多重反射光学系に高出力のレーザービ
ームを閉じ込める時間を容易に調整することができ、効
率の高い荷電変換が可能となる。

【００２８】請求項９の発明は、請求項１記載の中性原
子ビーム光電離装置において、レーザービーム発生装置
は、紫外域でパルス発振する窒素レーザーおよびエキシ
マレーザーのいずれかであることを特徴とする。

【００２９】請求項１０の発明は、請求項１記載の中性
原子ビーム光電離装置において、レーザービーム発生装
置は、可視域でパルス発振する金属蒸気レーザーである
ことを特徴とすることを特徴とする。

【００３０】請求項９および請求項１０の発明によれ
ば、レーザービーム発生装置は、紫外域でパルス発振す
る窒素レーザーおよびエキシマレーザーのいずれかであ
ったり、可視域でパルス発振する金属蒸気レーザーであ
るため、装置としての汎用性を向上させることができ
る。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００３２】［第１実施形態］図１は本発明に係る中性
原子ビーム光電離装置の第１実施形態を示す構成図であ
る。なお、従来の構成と同一または対応する部分には、
図５と同一の符号を用いて説明する。

【００３３】図１において、本実施形態の中性原子ビー
ム光電離装置は、高いピーク出力のレーザーパルス光を
発生させるレーザービーム発生装置としてのパルスレー
ザー装置１１と、このパルスレーザー装置１１から発生
したレーザーパルス光のパルス波形を整形する波形整形
機構１２と、互い対向して設置され、時間空間的に整形
されたレーザーパルス光を多重回反射させ、Ｈ⁰ビーム
（中性粒子ビーム）の入射に合わせて反応させるレーザ
ービームを閉じ込める多重反射光学系としての多重反射
ミラー１３ａ，１３ｂと、これら多重反射ミラー１３
ａ，１３ｂを同時に移動可能とし、Ｈ⁰ビームと交差す
るレーザービームの入射角を変化させる入射角変更機構
１４とを具備している。

【００３４】本実施形態において、パルスレーザー装置
１１には、Ｈ⁰ビームエネルギーが１．５ＧｅＶ程度の
場合、可視域でパルス発振する金属蒸気レーザーである
銅蒸気レーザーが用いられ、これ以外に金（Ａｕ）また
はマンガン（Ｍｎ）などの金属蒸気レーザーを使用して
もよい。また、Ｈ⁰ビームエネルギーが０．８ＧｅＶ程
度の場合には、紫外域でパルス発振する窒素レーザーま
たはエキシマレーザー（ＸｅＦ、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ，Ａ
ｒＦなど）を使用してもよい。

【００３５】さらに、多重反射ミラー１３ａ，１３ｂお
よび入射角変更機構１４には、例えばアームに多重反射
ミラー１３ａ，１３ｂを対向して配置し、このアームを
モータなどの駆動機構により回転駆動させるものが用い
られる。そして、これ以外に、電動ミラーホルダーを用
いてＨ⁰ビームと交差するレーザービームの入射角を変
更するようにしてもよい。

【００３６】本実施形態では、図５に示す中性原子ビー
ム光電離装置と同様に、Ｈ^-ビームを生成するＨ^-イオ
ン源１と、このイオン源１により生成されたＨ^-ビーム
を加速する線形加速器群２と、これら線形加速器群２に
より加速されたＨ^-ビームから電子を取り除いてＨ⁰ビ
ームに中性化させる中性化アンジュレータ３と、多重反
射ミラー１３ａ，１３ｂにより励起されたＨ＊ビームを
電離させる電離用アンジュレータ７とを備えている。

【００３７】次に、本実施形態の作用を説明する。

【００３８】まず、Ｈ^-イオン源１によりＨ^-ビームを
生成させ、このイオン源１で生成されたＨ^-ビームを線
形加速器群２によって加速し、代表的に１．５ＧｅＶ程
度まで加速させる。この加速されたＨ^-ビームを、強い
交番磁場を生成する中性化アンジュレータ３内に通過さ
せる。すると、この強い交番磁場によりＨ^-ビームから
電子が取り除かれ、中性化されＨ⁰ビームに変換され
る。

【００３９】一方、パルスレーザー装置１１により高出
力のレーザーパルス光を発生させる。通常、このレーザ
ーパルス光は幅が狭過ぎたり、波形が乱れたりしている
ので、波形整形機構１２によりパルス幅を広げ、ピーク
出力を平均化させる処理を行う。例えば、レーザーパル
ス幅が９ｎｓｅｃ程度の場合、この元のレーザーパルス
光をハーフミラーで２ビームに分割し、そのうちの一つ
のビームに光路差を付加し、光学遅延させた後に両者を
合成させれば、パルス幅１８ｎｓｅｃのピークパルスの
１／２のビームが生成される。

【００４０】次に、このように波形整形されたレーザー
ビームを互いに対向配置させた多重反射ミラー１３ａ，
１３ｂに入射させる。これらの多重反射ミラー１３ａ，
１３ｂ内では、例えば、多重反射ミラー１３ａと１３ｂ
間の距離を３ｍ程度に決めた場合、レーザーパルス光
は、３ｎｓｅｃ当たり１ｍ進むので、多重反射ミラー１
３ａ，１３ｂ間に常にレーザービームが存在し、レーザ
ーパルス幅×反射回数だけレーザーパルス光はＨ⁰ビー
ムと衝突する。例えば、反射回数２００回の場合、レー
ザーパルス幅は１８ｎｓｅｃであるから、３．６μｓｅ
ｃ間、レーザーパルス光は、Ｈ⁰ビームと反応し続け
る。

【００４１】ここで、多重反射ミラー１３ａ，１３ｂの
反射率による損失は、実現可能なイオンスパッタ蒸着法
を用いた反射鏡の場合、９９．８％程度であるから、２
００回ミラーで反射した場合のレーザービーム強度は９
９．８²⁰⁰＝０．６７倍となり減衰は少ない。

【００４２】ところで、本実施形態では、ドップラー効
果を利用してレーザー波長を選択するため、Ｈ⁰ビーム
とレーザービームとの交差角が異なると、波長がずれる
可能性がある。以下にその交差角を計算する。

【００４３】振動数ｎの光源から出射した光を光源と相
対的に、光の進行方向と角度θをなす方向に速さｖで移
動する人が観測する振動数ｎ′は、光速をｃとし、ｖ／
ｃ＝β（光速との比）とすると、

【数１】ここで、光と観測者の方向が異なる（正面入射）の場
合、

【数２】したがって、必要レーザー波長λは、中性原子ビームの
吸収波長をλ′とした場合、

【数３】となる。

【００４４】そのため、Ｈ⁰ビームとレーザービームと
の交差角θを変えれば、必要レーザー波長は（３）式の
通りに調整することができる。したがって、多重反射ミ
ラー１３ａ，１３ｂを対向配置させたまま、Ｈ⁰ビーム
を中心として回転させることにより、上記交差角θが変
化することとなって、必要レーザー波長を調整すること
ができる。

【００４５】例えば、Ｈ⁰ビームのエネルギーが１．６
ＧｅＶのとき、Ｈ⁰ビームのライマンβ吸収波長λ′＝
５３２ｎｍであるが、入射レーザー光の波長がこの波長
より短ければ、交差角θを大きくして（３）式を満足す
るような交差角θとなったとき、レーザー波長は吸収さ
れて励起され、Ｈ＊ビームとなる。このＨ＊ビームを交
番磁界からなる電離用アンジュレータ７を通過させる
と、水素原子内の高励起レベルに励起された電子が容易
に外れ電離してＨ⁺ビームとなる。

【００４６】このように本実施形態によれば、パルスレ
ーザー装置１１を使用するため、ピークパワーの大きい
レーザーを使用することができる。例えば、銅蒸気レー
ザーの場合、通常発振パルス幅６０ｎｓｅｃ、発振繰り
返し数６ｋＨｚで動作可能である。したがって、平均出
力５００Ｗクラスの銅蒸気レーザーの場合、５１１ｎｍ
の発振成分は５００×３／５＝３００Ｗとなり、ピーク
出力は、３００／６０００×６０×１０−９＝８３４ｋ
Ｗとなる（銅蒸気レーザーの場合、発振出力は５１１ｎ
ｍのグリーン成分と、５７８ｎｍのイエロー成分が同時
発振し、その強度比は３：２である。）。但し、レーザ
ーパルス波形は、半値幅３０ｎｓｅｃ、全幅６０ｎｓｅ
ｃのガウス波形であり、レーザーピーク強度が時間と共
に変化する。

【００４７】そこで、波形整形機構１２によってこの波
形を、フラットトップ形状とする。具体的には、レーザ
ービームをビームスプリッタで分割し、そのうちの一方
に光学的遅延光路を設けて時間を遅らせた後、元のビー
ムと合成する。このようにすると、パルス幅６０ｎｓｅ
ｃでほぼビーム強度が一定のビームが得られる。

【００４８】このレーザービームを１０ｍ離して対向配
置させた多重反射ミラー１３ａ，１３ｂに入射させ、２
００回程度反射させると、この多重反射ミラー１３ａ，
１３ｂ内に最低でも８３４×０．９９８²⁰⁰＝５５９ｋ
Ｗのビーム強度が、３０ｎｓｅｃ×２００回＝６μｓｅ
ｃの間、閉じ込められることになる。

【００４９】したがって、レーザービームとＨ⁰ビーム
との同期をとることにより、この高強度のレーザービー
ムがＨ⁰ビームと反応することにより、Ｈ⁰ビームから
励起状態粒子であるＨ＊ビームに変換される効率が飛躍
的に向上し、１００〜３００Ｗ程度の出力であった従来
例より３桁高い出力のレーザービームをＨ⁰ビームと反
応させることができる。

【００５０】以上のように本実施形態によれば、レーザ
ービーム発生装置１１から発生したレーザービームを多
重反射ミラー１３ａ，１３ｂにより多重回反射させ、か
つこのレーザービームをＨ⁰ビームの入射に合わせて反
応させるようにしたので、Ｈ ⁰ビームが存在するときに
は、常に高強度のレーザービームが多重反射ミラー１３
ａ，１３ｂ内にＨ⁰ビームと対向するように閉じ込めら
れるので、高出力のレーザービームを安定して供給する
ことができる。

【００５１】また、本実施形態によれば、波形整形機構
１２を設けたことにより、強度がほぼ一定で高強度のレ
ーザーパルス光を光励起ないし電離に十分な波形に整形
することができる。

【００５２】さらに、本実施形態によれば、Ｈ⁰ビーム
のエネルギーが変化したときには、入射角変更機構１４
によってレーザービームとＨ⁰ビームとの交差角を変化
させ、Ｈ⁰ビーム吸収波長のドップラーシフトにレーザ
ービームを同調させることにより、中性粒子ビームをＨ
＊ビームに変換することができ、ひいては安定してＨ ⁺
ビームに変換することができる。

【００５３】そして、パルスレーザー装置１１は、紫外
域でパルス発振する窒素レーザーおよびエキシマレーザ
ーのいずれかを使用したり、可視域でパルス発振する金
属蒸気レーザーを使用することにより、装置としての汎
用性を向上させることができる。

【００５４】なお、上記実施形態では、レーザービーム
発生装置としてパルスレーザー装置１１を用いたが、こ
れに限らず色素レーザービーム発生装置を使用してもよ
い。この色素レーザービーム発生装置を使用した場合に
は、Ｈ⁺ビームの波長に一致させるようにレーザービー
ムの波長を容易に変更することができるため、入射角変
更機構１４が不要になる。

【００５５】また、上記実施形態では、多重反射光学系
として多重反射ミラー１３ａ，１３ｂを用いたが、これ
に限らず例えばコーナーキューブを使用してもよい。

【００５６】［第２実施形態］図２は本発明に係る中性
原子ビーム光電離装置の第２実施形態を示す概略図であ
る。

【００５７】本実施形態では、前記第１実施形態におけ
るパルスレーザー装置１１に代えて、複数（２台）直列
に設置したパルスレーザー装置１１ａ，１１ｂを有し、
これらのパルスレーザー装置１１ａ，１１ｂのうちのパ
ルスレーザー装置１１ａに発振ビームを入射させるパル
スレーザー発振器１５を接続し、このパルスレーザー発
振器１５およびパルスレーザー装置１１ａ，１１ｂにタ
イミング制御装置１６を接続してパルスレーザー発振器
１５の発振繰り返し数を可変するようにしたものであ
る。

【００５８】すなわち、本実施形態では、複数のパルス
レーザー装置１１ａ，１１ｂ、パルスレーザー発振器１
５およびタイミング制御装置１６によりパルスレーザー
装置からの発振繰り返し数を多重化し、これらと多重反
射ミラー１３ａ，１３ｂとを組み合わせることにより、
高出力のレーザービームを閉じ込める時間を調整し易く
したものである。

【００５９】次に、本実施形態の作用を説明する。

【００６０】まず、発振繰り返し数が可変であるパルス
レーザー発振器１５を用意し、例えば銅蒸気レーザーを
例にとった場合、この発振繰り返し数を１２ｋＨｚとす
る。この発振ビームを２台直列に設置されたパルスレー
ザー装置１１ａ，１１ｂに入射させる。すると、これら
パルスレーザー装置１１ａ，１１ｂは高出力なため、発
振繰り返し数は６ｋＨｚに制限される。

【００６１】そこで、１２ｋＨｚで発振しているパルス
レーザー発振器１５の第１のレーザーパルス光がパルス
レーザー装置１１ａを通過する瞬間、タイミング制御装
置１６により、このパルスレーザー装置１１ａを動作さ
せ、レーザーパルス光を増幅させる。次に、パルスレー
ザー発振器５の次のレーザーパルス光がパルスレーザー
装置１１ａを通過するときは、パルスレーザー装置１１
ａは次の増幅に備えた準備段階にあるため、そのレーザ
ーパルス光を素通しさせる。このレーザーパルス光がパ
ルスレーザー装置１１ｂに入射した瞬間、このパルスレ
ーザー装置１１ｂを動作させれば、レーザーパルス光は
増幅される。

【００６２】このような動作を繰り返して行うことによ
り、１２ｋＨｚで動作するピークパワーの高いレーザー
パルス光が得られる。このレーザーパルス光を前述した
多重反射ミラー１３ａ，１３ｂ間に導けば、６μｓｅｃ
のパルス幅のレーザービームが１２ｋＨｚ間隔で得られ
ることになる。

【００６３】このように本実施形態によれば、複数直列
にパルスレーザー装置１１ａ，１１ｂを設置し、これら
のパルスレーザー装置１１ａ，１１ｂに発振ビームを入
射させるパルスレーザー発振器１５と、このパルスレー
ザー発振器１５の発振繰り返し数を可変するタイミング
制御装置１６とを設け、レーザーパルス幅と発振間隔を
任意に調整することにより、レーザーパルス光をＨ⁰ビ
ームの入射間隔に適合させることで、効率の高い荷電変
換が可能になる。

【００６４】［第３実施形態］図３は本発明に係る中性
原子ビーム光電離装置の第３実施形態における波形整形
機構を示す概略図である。

【００６５】本実施形態の波形整形機構は、レーザーパ
ルス光を２分割する第１のハーフミラー１７ａと、この
ハーフミラー１７ａを経た２つの光路のいずれか一方に
設置した光学的遅延光路１８と、ハーフミラー１７ａお
よび光学的遅延光路１８をそれぞれ透過した波形を合成
する第２のハーフミラー１７ｂとを備えたものである。

【００６６】すなわち、本実施形態では、パルスレーザ
ー装置１１のパルス波形を整形し、ある時間間隔におけ
るレーザー強度分布を一定にするためのものである。

【００６７】次に、本実施形態の作用を説明する。

【００６８】通常、パルスレーザー装置１１の出力波形
は、図３に示すように、ガウス波形となる。この波形を
第１のハーフミラー１７ａを透過させて２分割し、一方
の光路に光学的遅延光路１８を設け、この光学的遅延光
路１８を透過した後、再び第２のハーフミラー１７ｂで
合成する。

【００６９】したがって、光学的遅延光路１８の光路長
を調整すれば、図３に示すように波形が時間的にオーバ
ーラップされ、時間中心部の強度が一定となる。よっ
て、このような光学的遅延光路１８をさらに多重化すれ
ば、時間的にフラットトップの強度分布波形を作成する
ことができる。

【００７０】［第４実施形態］図４は本発明に係る中性
原子ビーム光電離装置の第４実施形態を示す概略図であ
る。なお、前記第１実施形態と同一の部分には、同一の
符号を付して説明する。

【００７１】本実施形態では、多重反射ミラー１３ａ，
１３ｂの近傍に、垂直偏向を透過しかつ水平偏向を反射
する偏向反射ミラー１９と、多重反射ミラー１３ａ，１
３ｂで多重回反射したレーザービームを反射する全反射
ミラー２０と、垂直偏向を水平偏向にかつ水平偏向を垂
直偏向にそれぞれ変換する位相板２１とを設け、多重反
射ミラー１３ａ，１３ｂによる多重反射回数を倍増する
ものである。

【００７２】すなわち、本実施形態では、パルスレーザ
ー装置１１のレーザーパルス波形を波形整形機構１２に
よりフラットトップに整形した後、このレーザーパルス
光を最小限の多重反射ミラー１３ａ，１３ｂで閉じ込
め、高強度長時間のレーザービームを中性原子ビームＨ
⁰と反応させるためのものである。

【００７３】次に、本実施形態の作用を説明する。

【００７４】まず、レーザービームを垂直偏光させてお
いて、そのレーザービームを垂直偏光は透過しかつ水平
偏光は反射する偏光反射ミラー１９を透過させた後、多
重反射ミラー１３ａ，１３ｂに入射させて多重回反射す
る。そして、多重回反射した後に出射したレーザービー
ムを全反射ミラー２０により反射させる。

【００７５】次いで、このレーザービームを垂直偏光が
透過すると水平偏光に変換させる位相板２１に通した
後、それを偏光反射ミラー１９に入射させる。このと
き、位相板２１によってレーザービームは水平偏光に変
換されており、偏光反射ミラー１９で反射される。

【００７６】したがって、レーザービームを入射レーザ
ービームの光路上をトレースするように全反射ミラー２
０および偏光反射ミラー１９を位置調整すると、一回目
にＨ ⁰ビームと反応して通過してきたレーザービームは
もう１度、多重反射ミラー１３ａ、１３ｂを伝播し、Ｈ
⁰ビームを再度励起する。但し、このレーザービーム
は、今度は水平偏光であるため、位相板２１を透過する
と垂直偏光となり、今度は偏光反射ミラー１９を透過し
た後、ビームダンパー２２に入射して吸収されることと
なる。

【００７７】いま、レーザービームの光パルス幅を、多
重反射ミラー１３ａ，３ｂを丁度往復する時間に調整し
ておけば、レーザービームがこの多重反射ミラー１３
ａ，１３ｂ間を伝播している間、Ｈ⁰ビームと反応し続
けることになる。例えば、多重反射ミラー１３ａ，１３
ｂの間隔を１０ｍ、レーザービームのフラットトップ部
分の時間を６０ｎｓｅｃとし、多重反射ミラー１３ａ，
１３ｂ間で１００回の反射が行われているとすると、光
は１ｍ伝播するのに３ｎｓｅｃかかることから、一旦レ
ーザービームをこの系に入射させると、３×１０×１０
０×２＝６，０００ｎｓｅｃつまり、６μｓｅｃの間、
レーザービームはＨ⁰ビームと高強度で反応し続けるこ
ととなる。

【００７８】このように本実施形態によれば、多重反射
ミラー１３ａ，１３ｂによる多重反射回数を倍増するこ
とにより、多重反射ミラー１３ａ，１３ｂに閉じ込めた
レーザービームをＨ⁰ビームと高強度に反応させること
ができる。その結果、多重反射ミラーの数を半減させる
ことが可能となる。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜３の発
明によれば、中性粒子ビームが存在するときには、常に
高強度のレーザービームが多重反射ミラー内に中性粒子
ビームに対向するように閉じ込められるので、高出力の
レーザービームを安定して供給することができる。

【００８０】請求項４の発明によれば、波形整形機構を
設けたことにより、強度がほぼ一定で高強度のレーザー
パルス光を光励起ないし電離に十分な波形に整形するこ
とができる。

【００８１】請求項５の発明によれば、光学的遅延光路
の光路長を調整すると、波形が時間的にオーバーラップ
されるので、時間中心部の強度が一定となる。

【００８２】請求項６の発明によれば、中性粒子ビーム
のエネルギーが変わったとき、入射角変更機構によりレ
ーザービームと中性粒子ビームとの交差角を変化させ、
中性粒子ビーム吸収波長のドップラーシフトにレーザー
ビームを同調させることにより、中性粒子ビームをＨ＊
ビームに変換することができ、ひいては安定してＨ⁺ビ
ームに変換することができる。

【００８３】請求項７の発明によれば、多重反射光学系
による多重反射回数を倍増することにより、多重反射光
学系に閉じ込めたレーザービームを中性粒子ビームと高
強度に反応させることができる。その結果、多重反射光
学系の数を半減させることが可能となる。

【００８４】請求項８の発明によれば、レーザービーム
発生装置からのレーザービーム発振繰り返し数を多重化
することにより、多重反射光学系に高出力のレーザービ
ームを閉じ込める時間を容易に調整することができ、効
率の高い荷電変換が可能となる。

【００８５】請求項９および請求項１０の発明によれ
ば、レーザービーム発生装置は、紫外域でパルス発振す
る窒素レーザーおよびエキシマレーザーのいずれかであ
ったり、可視域でパルス発振する金属蒸気レーザーであ
るため、装置としての汎用性を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る中性原子ビーム光電離装置の第１
実施形態を示す構成図。

【図２】本発明に係る中性原子ビーム光電離装置の第２
実施形態を示す概略図。

【図３】本発明に係る中性原子ビーム光電離装置の第３
実施形態における波形整形機構を示す概略図。

【図４】本発明に係る中性原子ビーム光電離装置の第４
実施形態を示す概略図。

【図５】従来の中性原子ビーム光電離装置を示す構成
図。

【符号の説明】

１Ｈ^-イオン源２線形加速器群３中性化アンジュレータ７電離用アンジュレータ１１パルスレーザー装置１２波形整形機構１３ａ，１３ｂ多重反射ミラー（多重反射光学系）１４入射角変更機構１５パルスレーザー発振器１６タイミング制御装置１７ａ第１のハーフミラー１７ｂ第２のハーフミラー１８光学的遅延光路１９偏光反射ミラー２０全反射ミラー２１位相板２２ビームダンパー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者金正倫計茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者木村博信神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者小林徳康神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者生田栄神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号東芝変電機器テクノロジー株式会社内 (72)発明者大西嘉道東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内Ｆターム(参考） 2G085 AA03 AA13 BA04 BA11 BE10 CA06 CA30 DA01 DA04 DA10 DB08 5F072 AA03 AA04 AA06 AC02 JJ04 JJ05 JJ20 KK05 KK11 KK12 QQ02 RR03 RR05 SS06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｈ^-ビームを中性粒子ビームに中性化
し、この中性粒子ビームをＨ⁺ビームに荷電変換する中
性原子ビーム光電離装置において、レーザービームを発
生させるレーザービーム発生装置と、この発生したレー
ザービームを多重回反射させ、かつこのレーザービーム
を前記中性粒子ビームの入射に合わせて反応させる多重
反射光学系とを備えたことを特徴とする中性原子ビーム
光電離装置。
【請求項２】Ｈ^-ビームを中性粒子ビームに中性化
し、この中性粒子ビームをＨ⁺ビームに荷電変換する中
性原子ビーム光電離装置において、色素レーザービーム
を発生させる色素レーザービーム発生装置と、この発生
した色素レーザービームを多重回反射させ、かつこの色
素レーザービームを前記中性粒子ビームの入射に合わせ
て反応させる多重反射光学系とを備えたことを特徴とす
る中性原子ビーム光電離装置。
【請求項３】請求項１または２記載の中性原子ビーム
光電離装置において、多重反射光学系は、互いに対向し
て配置された多重反射ミラーであることを特徴とする中
性原子ビーム光電離装置。
【請求項４】請求項１または２記載の中性原子ビーム
光電離装置において、レーザービーム発生装置から発生
するレーザービームは、レーザーパルス光であって、こ
のレーザーパルス光のパルス波形を整形する波形整形機
構を設けたことを特徴とする中性原子ビーム光電離装
置。
【請求項５】請求項４記載の中性原子ビーム光電離装
置において、波形整形機構は、レーザーパルス光を２分
割する第１のハーフミラーと、このハーフミラーを経た
２つの光路のいずれかに設置した光学的遅延光路と、前
記第１のハーフミラーおよび前記光学的遅延光路をそれ
ぞれ透過した波形を合成する第２のハーフミラーとを備
えたことを特徴とする中性原子ビーム光電離装置。
【請求項６】請求項１記載の中性原子ビーム光電離装
置において、多重反射光学系を同時に移動可能とし、か
つ中性粒子ビームと交差するレーザービームの角度を変
更可能な入射角変更機構を備えたことを特徴とする中性
原子ビーム光電離装置。
【請求項７】請求項１または２記載の中性原子ビーム
光電離装置において、多重反射光学系に、垂直偏向を透
過しかつ水平偏向を反射する偏向反射ミラーと、垂直偏
向を水平偏向にかつ水平偏向を垂直偏向にそれぞれ変換
する位相板とを設け、前記多重反射光学系による多重反
射回数を倍増することを特徴とする中性原子ビーム光電
離装置。
【請求項８】請求項１または２記載の中性原子ビーム
光電離装置において、レーザービーム発生装置を複数直
列に設置する一方、これらのレーザービーム発生装置に
発振ビームを入射させるパルスレーザー発振器と、この
パルスレーザー発振器の発振繰り返し数を可変するタイ
ミング制御装置とを設けたことを特徴とする中性原子ビ
ーム光電離装置。
【請求項９】請求項１記載の中性原子ビーム光電離装
置において、レーザービーム発生装置は、紫外域でパル
ス発振する窒素レーザーおよびエキシマレーザーのいず
れかであることを特徴とする中性原子ビーム光電離装
置。
【請求項１０】請求項１記載の中性原子ビーム光電離
装置において、レーザービーム発生装置は、可視域でパ
ルス発振する金属蒸気レーザーであることを特徴とする
ことを特徴とする中性原子ビーム光電離装置。