Science and Verification of Multi-Staged Acceleration of Quasimonoenergetic Protons in Relativistic Plasmas
| Project/Area Number |
19H00668
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
福田 祐仁 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 上席研究員(定常) (30311327)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神野 智史 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80596924)
金崎 真聡 神戸大学, 海事科学研究科, 助教 (90767336)
蔵満 康浩 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70456929)
坂和 洋一 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (70242881)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥42,770,000 (Direct Cost: ¥32,900,000、Indirect Cost: ¥9,870,000)
Fiscal Year 2020: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
Fiscal Year 2019: ¥15,730,000 (Direct Cost: ¥12,100,000、Indirect Cost: ¥3,630,000)
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| Keywords | レーザーイオン加速 / 無衝突衝撃波 / 自発的構造形成 / 自己磁場形成 / 水素クラスター / 自己生成磁場 |
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| Outline of Research at the Start |
レーザーイオン加速研究では、粒子線がん治療への応用を念頭に据え、250 MeVのエネルギーを有する準単色陽子線の発生技術開発が1つのマイルストーンとなっている。我々は、マイクロメートルサイズの“球形”固体水素(=マイクロ水素クラスター)を生成させる独自技術を確立し、このマイクロ水素クラスターにレーザー照射して生成する相対論プラズマ中での多段階加速により、約300 MeVの準単色・高指向性の陽子線を発生させる新たな手法を計算機シミュレーションにより発見した。本研究では、多段階加速に関わる物理を実験とシミュレーションにより明らかにし、準単色300 MeV陽子線加速の実証を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、レーザーイオン加速では未踏の準単色300 MeV高純度陽子線加速の実証を目指す。今年度は、この目的を達成するための基盤技術開発を中心に進めた。
(I-1) プラズマミラーを用いたプレパルス制御では、集光光学系の後に挿入する小型ダブルプラズマミラーの試作品の製作を行い、大阪大学のレーザー装置にて性能評価を行った。(I-2) クラスターサイズ分布のコントロールでは、クラスター生成装置のノズル温度とガス圧を様々に変化させ、サイズ分布変動の基礎データを取得した。(I-3) ガスジェットの整形では、特殊形状のスキマーの仕様検討を行い、試作品を制作した。
(II-1) 高感度磁場計測装置の開発では、TGG結晶とネオジム磁石から構成される"模擬ターゲット"を用い、磁場計測システムの構築を行った。(II-2) 原子核乾板を用いたイオン計測手法開発では、HIMAC加速器を用いた実験を実施し、飛跡情報に関する基礎データの取得を行い、粒子輸送モンテカルロコード(PHITS)を用いた解析を実施した。(II-3) イオン-電子同時計測トムソンパラボラシステムの開発では、高機能荷電粒子設計用計算コード(AMAZE)を用い、100 MeV級の陽子線と電子のオンライン同時計測が可能なシステムを設計し、装置の製作を行った。(II-4) 極短寿命の無衝突衝撃波観測手法の開発では、様々な計測手法について検討し、光ゲートを用いた装置の試作を行った。
(III) 大型レーザー実験は、実施しなかった。
(IV) 2018年9月に実施したJ-KAREN-Pレーザーを用いた準単色陽子線発生の実験結果に対し、新たにシミュレーションを実施し、プレパルスの影響による実効的なクラスターサイズの縮小、及び、集光スポット内の強度分布による実効的なレーザ集光強度の低下、が実験と理論の不一致の主要な原因であることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2018年9月に実施したJ-KAREN-Pレーザーを用いたイオン加速実験の詳細なデータ解析により、マイクロ水素クラスター内での衝撃波加速によると思われる23 MeVの準単色陽子線発生を確認した。この成果は、研究代表者らが発見した、マイクロ水素クラスターを用いた２段階加速手法（CSBA= Converging Shock-induced Blow-off Acceleration）[1]の原理検証実験に成功したことを意味する。実験と理論との一致が良くないため、その要員を1つ1つ解決して行く必要があるが、本研究の目的である、"レーザーイオン加速では未踏の300 MeVの高エネルギー準単色陽子線発生"に向けて大きく前進した、と言える結果を得た。
参考文献：[1] R. Matsui, Y. Fukuda, and Y. Kishimoto, Phys. Rev. Lett. 122, 014804 (2019).
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| Strategy for Future Research Activity |
(I-1) プラズマミラーを用いたプレパルス制御に関し、運営費交付金により、R2年度中に関西研に共用施設としてダブルプラズマミラーが整備されることとなった。これを受け、本研究で予定していた”集光光学系の後に小型のダブルプラズマミラーを導入する”必要性はなくなった。今後、(I-1)では、プラズマミラーシステム導入によるレーザー光の波面歪みの影響の評価について、検討を行ってゆくこととする（担当：福田）。
(II-2) 原子核乾板を用いた300 MeVイオン計測手法開発は、順調に進んでおり、本イオン検出器の開発は成功すると目論んでいる。ところが、本イオン検出器は積分型であり、実験終了後の現像作業が要求される。将来的には、即時性を有するオンライン型GeV級イオン検出器が必要となってくると考えられる。そこで、今年度から、新たに、"オンライン型サブGeVイオン検出手法の開発"を行ってゆくこととする（担当：蔵満）。
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Report
(2 results)
Research Products
(23 results)
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[Presentation] Generation of Quasimonoenergetic Proton Bunch via Interaction of Micron-Scale Hydrogen Cluster Targets with PW-Class Laser Pulses2019
Author(s)
Y. Fukuda, M. Kanasaki, S. Jinno, K. Sakamoto, T. Asai, K. Shimizu, A. Pirozhkov, A. Sagisaka, K. Ogura, Y. Miyasaka, K. Kondo, R. Matsui, N. Kitagawa, K. Morishima, S. Kodaira, K. Oda, T. Yamauchi, M. Uesaka, K. Kondo, T. Kawachi, M. Kando, H. Kiriyama, Y. Kishimoto
Organizer
11th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA 2019)
Related Report
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Quasimonoenergetic proton bunch via interactions of micron-scale hydrogen cluster targets with PW-class laser pulses2019
Author(s)
Y. Fukuda, M. Kanasaki, S. JINNO, K. Sakamoto, T. Asai, K. Shimizu, A. Pirozhkov, A. Sagisaka, K. Ogura, Y. Miyasaka, K. Kondo, R. Matsui, N. Kitagawa, K. Morishima, S. Kodaira, K. Oda, T. Yamauchi, M. Uesaka, K. Kondo, T. Kawachi, M. Kando, H. Kiriyama, Y. Kishimoto
Organizer
3rd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2019)
Related Report
Int'l Joint Research / Invited
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