スペクトル制御による高出力軟Ｘ線光源の開発

• Project/Area Number: 17J08957
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Optical engineering, Photon science
• Research Institution: Utsunomiya University
• Principal Investigator: 原 広行 宇都宮大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000); Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 水の窓軟X線顕微鏡 / 炭素の窓軟X線顕微鏡 / プラズマ素過程 / 水の窓軟X線 / 重元素 / 多価イオン / 原子過程 / 放射流体

Outline of Annual Research Achievements

高効率軟X線光源を実現するため，重元素多価イオンの持つ膨大な遷移から得られる帯域放射により，変換効率の改善を目指した．プラズマにおける自己吸収効果とスペクトル構造を制御することで光源の高出力化を図る．
自己吸収効果は質量吸収係数と密度とプラズマの膨張距離に依存し，直接観測できない．そこで，間接的に測定するため，ターゲットの初期密度と照射パルス幅を変化させてスペクトルを観測した．ターゲットの初期密度を変化させた実験では，観測されたスペクトル形状に大きな違いは得られず，初期密度による吸収構造は観測されなかった．また，照射パルス幅を変化させた実験では，観測されたスペクトルはパルス幅に起因する自己吸収効果の影響よりも，発光に寄与するイオン量の影響が確認された．以上の結果から，重元素多価イオン光源において自己吸収効果の影響は小さいことが示された．
顕微鏡で用いられる波長域内の光子数を増加させ，高効率化を図るために時間変化に対するスペクトル形状の変化を数値解析し，実験結果と比較した．重元素多価イオン光源における数値解析はレーザーパルスのピーク時刻で止まり，それ以降の計算が進められないのが現状である．この時のスペクトル形状の結果は実験と比較して2つある疑似連続スペクトル (UTA) 構造の強度比が異なっていた．そこで，ピーク時刻以降スペクトル形状がどのように変化するのかを調べた．衝突輻射モデルを用いて得られる放射能率と質量吸収係数の電子密度・電子温度依存性を確認すると，密度・温度の変化によって， UTA の強度比が異なり，ピーク時刻における臨界密度近傍の最大電子密度に比べ，低密度低温側で所望の UTA 構造を強く発光できることが確認された．この結果は実験において，低密度低温側のプラズマ領域を時空間的に広げることで，変換効率の改善に繋がり，高出力化を実現できる指針を与えたものである．

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] アイルランド国立大学ダブリン校(アイルランド)
• [Int'l Joint Research] チェコ工科大学(チェコ)
• [Journal Article] Emission of water-window soft x-rays under optically thin conditions using low-density foam targets (2018)
  • Author(s): H. Hara, H. Kawasaki, T. Tamura, T. Hatano, T. Ejima, W. Jiang, H. Ohashi, S. Namba, A. Sunahara, A. Sasaki, M. Nishikino, G. O'Sullivan, T. Higashiguchi
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 43 Issue: 15 Pages: 3750-3753
  • DOI: 10.1364/ol.43.003750
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Intense water-window soft x-ray emission by spectral control using dual laser pulses (2018)
  • Author(s): G. Arai, H. Hara, T. Hatano, T. Ejima, W. Jiang, H. Ohashi, S. Namba, A. Sunahara, A. Sasaki, M. Nishikino, G. O'Sullivan, T. Higashiguchi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 26 Issue: 21 Pages: 27748-27756
  • DOI: 10.1364/oe.26.027748
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spectral dynamics of soft x-ray emission in dual laser-produced medium-Z plasma (2018)
  • Author(s): H. Ohashi, H. Hara, G. Arai, T. Hatano, T. Ejima, C. Suzuki, S. Namba, A. Sasaki, M. Nishikino, G. O'Sullivan, T. Higashiguchi
  • Journal Title: Applied Physics B Volume: 124 Issue: 10 Pages: 193-193
  • DOI: 10.1007/s00340-018-7061-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Soft x-ray spectral analysis of samarium plasmas produced by solid-state laser pulses (2018)
  • Author(s): R. Lokasani, J. Sheil, E. F. Barte, H. Hara, T. Tamura, T. Gisuji, T. Higashiguchi, C. Suzuki, P. Dunne, G. O'Sullivan, J. Limpouch
  • Journal Title: Journal of Physics B Volume: 51 Issue: 21 Pages: 215001-215010
  • DOI: 10.1088/1361-6455/aae12d
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spectral evolution of soft x-ray emission from optically thin, high electron temperature platinum plasmas (2017)
  • Author(s): Hiroyuki Hara, Hayato Ohashi, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O’Sullivan, Akira Sasaki, Chihiro Suzuki, Naoki Tamura, Hiroyuki sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Takeshi Higashiguchi, and LHD Experiment Group
  • Journal Title: APL Photonics Volume: 2 Issue: 8
  • DOI: 10.1063/1.4997413
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characteristics of laser produced plasmas of hafnium and tantalum in the 1-7 nm region (2017)
  • Author(s): Bowen Li, Takamitsu Otsuka, Emma Sokell, Padraig Dunne, Gerry O’Sullivan, Hiroyuki Hara, Goki Arai, Toshiki Tamura, Yuichi Ono, Thanh-Hung Dinh, and Takeshi Higashiguchi
  • Journal Title: European Physical Journal D Volume: 71 Issue: 11 Pages: 278-287
  • DOI: 10.1140/epjd/e2017-70830-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 白金を用いた炭素の窓軟X線光源の放射特性 (2018)
  • Author(s): 原 広行
  • Organizer: プラズマ科学のフロンティア研究会2018
• [Presentation] 低密度発泡ターゲットを用いた水の窓軟X線の発光特性 (2018)
  • Author(s): 原 広行
  • Organizer: 2018年第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] LHDを用いた重元素多価白金イオンの衝突輻射モデルの評価 (2017)
  • Author(s): 原 広行，大橋 隼人，李 博文，Padraig Dunne，Gerry O’Sullivan，佐々木 明，鈴木 千尋，田村 直樹，坂上 裕之，加藤 太治，村上 泉，東口 武史
  • Organizer: プラズマ科学のフロンティア2017研究会
• [Presentation] LHDから放射される炭素の窓軟X線スペクトル解析 (2017)
  • Author(s): 原 広行，大橋 隼人，李 博文，Dunne Padraig，O’Sullivan Gerry，佐々木 明，鈴木 千尋，田村 直樹，坂上 裕之，加藤 太治，村上 泉，東口 武史
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Overview of each element spectra at wavelength from 1 to 8 nm (2017)
  • Author(s): Hiroyuki Hara, Kanon Watanabe, Toshiki Tamura, Takuya Gisuji, and Takeshi Higashiguchi
  • Organizer: 4th Research Workshop: Collaboration between UCD & Utsunomiya University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of spectra from dual laser pulse irradiated heavy element highly charged ions (2017)
  • Author(s): Hiroyuki Hara, Goki Arai, Thanh-Hung Dinh, Yoshiki Kondo, Toshiki Tamura, Yuichi Ono, and Takeshi Higashiguchi
  • Organizer: 4th Research Workshop: Collaboration between UCD & Utsunomiya University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Soft x-ray spectra of Pt emission under optically thin condition (2017)
  • Author(s): Hiroyuki Hara, Hayato Ohashi, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O’Sullivan, Akira Sasaki, Chihiro Suzuki, Naoki Tamura, Hiroyuki A. Sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Takeshi Higashiguchi
  • Organizer: 4th Research Workshop: Collaboration between UCD & Utsunomiya University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Carbon window soft x-ray emission from dual laser-produced Pt plasmas - Spectral control by changing of pulse separation time - (2017)
  • Author(s): Hiroyuki Hara, Goki Arai, Thanh-Hung Dinh, Akira Sasaki, Astushi Sunahara, and Takeshi Higashiguchi
  • Organizer: 4th Research Workshop: Collaboration between UCD & Utsunomiya University
  • Int'l Joint Research