量子放射エネルギー研究分野

エネルギー生成研究部門 量子放射エネルギー研究分野
教授:大垣 英明、准教授:全 炳俊、特定助教:ジョルディ クラビオット カバイエロ、准教授(兼):紀井 俊輝
エネルギー材料開発に貢献する高輝度電子ビームからの量子放射光源「自由電子レーザー」や、バルク高温超電導を用いた小型挿入光源、核管理・セキュリティ技術としてのレーザーコンプトンガンマ線の発生と利用、さらには再生可能エネルギーの実装に関する国際共同研究を行っています。

量子放射エネルギーの発生と利用

 本研究分野では、高エネルギー電子ビームを用いた量子放射エネルギーの発生と利用の研究を行っています。このうち、自由電子レーザー(Free Electron Laser:FEL)は、加速器からの高輝度電子ビームと光ビームとの相互作用を応用した波長可変、かつ、大出力、高効率なレーザーで、世界中でX 線レーザーの巨大なFEL 施設が稼働しています。本研究分野では、宇治キャンパスに独自の中赤外領域の小型自由電子レーザー施設:KU-FEL を開発しました。この施設は電子を40MeVまで加速可能な直線加速器を使用し、2008年3月に波長12.4μm でFEL 発振を観測しました。さらに2008年5月には波長13.6μm でFEL飽和を達成しました。その後の性能向上に向けた研究の結果、現在では、発振可能な波長を拡大して3.4〜26μm でのFEL の利用が可能になっています。更に2020年3月には共振器型自由電子レーザーとして、世界最高の変換効率を達成するに至っています。 一方、KU-FEL が発振可能な中赤外領域は分子固有の振動準位が数多く存在し、「分子の指紋領域」とも呼ばれています。KU-FEL の波長可変赤外レーザーを応用し、特定のフォノンモードを励起するといった光エネルギー材料研究を、共同利用等を通じて進めています。また、本研究分野では、安全安心な社会に貢献する核管理技術として、レーザーコンプトンガンマ線を用いた同位体CT の開発研究等を行うとともに、独自のバルク高温超伝導体を用いた短周期アンジュレータの開発や、新奇な光源として注目を集めているTHz 放射の開発研究を行っています。また、ASEAN の各国と再生可能エネルギーの実装に関する技術的・社会科学的共同研究を行っています。

自由電子レーザー発生の概念図

 高輝度な電子ビームをアンジュレータで蛇行させて、光のビームと重畳させると、両者の相互作用によって電子ビームはミクロにバンチングして光を増幅し、コヒーレントなレーザーを発生することができます。

KU-FELの波長可変性

 レーザー発生に使用する電子のエネルギーを20から36MeV まで変化させることにより、レーザー波長を3.4から26μmの間で自由に変えることが可能です。レーザーの波長幅は中心波長に対し1〜3%(半値幅)程度です。

KU-FEL dist.png

レーザーコンプトンガンマ線を用いた同位体CT

 電子蓄積リングの電子ビームと大出力レーザーを衝突させることで、単色性の高いガンマ線を発生することができます。これと原子核に固有の共鳴モードを利用して、通常のCT では不可能な、同位体の分布がマッピングできる手法の開発を行っています。

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