Investigation on the formation of high temperature non-LTE solid density high-Z plasma by PW-class femtsecond laser

• Project/Area Number: 22H00121
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 西内 満美子 (高井満美子) 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 光量子ビーム科学研究部, 上席研究員 (70391315)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 榊 泰直 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部, 上席研究員 (00354746) ; 千徳 靖彦 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (10322653) ; 劉 暢 奈良女子大学, 理学部, 研究員 (20894629) ; 今 亮 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 光量子ビーム科学研究部, 主任技術員 (80725838)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000); Fiscal Year 2024: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2023: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2022: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
• Keywords: 超高強度レーザー / イオン加速 / レーザーの時間波形制御 / レーザー駆動重イオン加速 / 超高強度短パルスレーザー / 高密度非平衡プラズマ / 重イオン / プラズマ加熱 / 高温・高密度非平衡プラズマ / 多価重イオン

Outline of Research at the Start

本研究ではPW級フェムト秒レーザーの時間波形を制御し超高温固体密度重金属プラズマを生成する。輻射される硬X線のピコ秒時間分解計測及び広帯域温度計測を行い、発生する重イオンの価数・エネルギーを同時計測し、プラズマ内部の加熱・電離及び加速場のダイナミクスの履歴を捉え、重金属プラズマ形成過程と加速過程の包括的理解と制御を目指す。本手法の確立により、巨大加速器で作り出された重元素や不安定核種を、PW級フェムト秒レーザーにより、所望の多価電離ビームとして極短時間で取り出し可能となり、原子核や物性研究での新領域の開拓へつながるブレークスルーとなる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、既存技術に則った重イオン加速器では得られないパラメータを持つ可能性のある、レーザー駆動高重イオン型の新規加速器技術の確立を目指し、重元素を効率的に多価電離・加速する手法を確立するための条件を探索することである。効率の良い加速を行うためにはできるだけ初期段階にて重イオンを多価電離状態とすることが必要不可欠であるため、PW級フェムト秒パルスレーザーを固体薄膜に照射し、固体密度にできるだけ近い状態の重イオンプラズマを作り出すことで、高温プラズマ中での電子衝突過程にて多価電離した重イオンを作り出すことを試みる。
及びR5年度は、R4年度の後半に引き続き、関西研にある超高強度レーザーJ-KARENと金の薄膜を相互作用させ、固体の金を超高温に加熱する実験を行った。その際に、レーザーの照射角度、及びレーザーの偏光を変えた照射を行い、より効率的に金プラズマを加熱する条件が何であるかを実験的に明らかにすることに挑戦した。検出器としては、金のプラズマが～10keVのX線領域に連続成分及びライン成分を持つと期待できたので、その領域に感度のあるX線CCDを用いて計測を行った。X線のスペクトルには、Lシェルからのライン成分が計測できており、このライン中心がtargetの厚みを変えることではっきりと高エネルギー側にシフトすることが計測された。このシフトはターゲット中のプラズマのチャージステートを表すことが、アトミックコードGRASPより示唆されており、分厚いターゲットほど、平均チャージステートが上がっている様子が初めて明らかとなった。平均チャージステートが高いことは、プラズマがより高温まで加熱されていることを示唆している。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

上記に記したように、固体金プラズマからのX線発光に計測されたラインの中心エネルギーは、照射した金のターゲットの厚みと非常にクリアな相関を持っており、時間的・空間的に複雑な構造を持つと期待される非平衡プラズマから、これほどはっきりとした相関がみられるとは期待していなかったため、このようなデータを取得できたことは特筆に値する。現状の理解では、
１）分厚いターゲットほど高エネルギーにライン中心がシフトしている
２）分厚いターゲットほど平均チャージステートが増加している
３）超高強度レーザーによるオーム加熱を仮定するとターゲットは~6keV程度の温度を持つと計算できる。
４）アトミックコードより、そのシフト量より計算される平均チャージステートは+64価であり、6keVの電子プラズマ温度中の電子であれば、+64価まで電離することが可能
とX線の計測結果とシンプルな解析的なプラズマの加熱モデルの描像が一致している。

Strategy for Future Research Activity

計測結果を
１）実際のレーザーの計測パラメータを入れ込んだPICシミュレーションで実験結果（加速されたイオン、電子、相互作用の後のレーザーの量等）を再現することができるか否かを調査する。
２）実験結果を再現するPICシミュレーションの中身を詳細に調査することで、金プラズマの加熱のメカニズムが、上記（現在までの進捗状況）に説明した加熱の描像と一致するかどうかを確かめる。
３）X線の計測結果自体は、時間的空間的に積分した値なので、時間的、空間的にプラズマがどのように成長するかをモデル化し、PICシミュレーション結果と合わせることで、X線の計測結果を再現できるかどうかを確かめる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Helmholtz Zentrum Dresden Rosserdorf(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Imperial College London(英国)
• [Int'l Joint Research] Helmhoiltz Zentrum Dresden Russerdorf(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Imperial College London(英国)
• [Journal Article] Laser output performance and temporal quality enhancement at the J-KAREN-P petawatt laser facility (2023)
  • Author(s): H. Kiriyama, Y. Miyasaka, A. Kon, M. Nishiuchi, A. Sagisaka, H. Sasao, A. S. Pirozhkov, Y. Fukuda, K. Ogura, K. Kondo, N. Nakanii, Y. Mashiba, N. P. Dover, L. Chang, M. Kando, S. Bock, T. Ziegler, T. Puschel, H.-P. Schlenvoigt, K. Zeil, and U. Schramm
  • Journal Title: Photonics Volume: 10 Issue: 9 Pages: 997-997
  • DOI: 10.3390/photonics10090997
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design of a compact superconducting accelerator for advanced heavy-ion therapy (2023)
  • Author(s): Y. Iwata, T. Shirai, K. Mizushima, .. M.Nishiuchi...et al
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Volume: 1053 Pages: 168312-168312
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168312
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities (2023)
  • Author(s): N. P. Dover, T. Ziegler, S. Assenbaum, C. Bernert, F. Brack, S. Bock, T. E. Cowan, E. J. Ditter, M. Garten, L. Gaus, I. Goethel, G. S. Hicks, H. Kiriyama, M. Nishiuchi, et al.
  • Journal Title: Light: Science & Applications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 71-71
  • DOI: 10.1038/s41377-023-01083-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spectral-temporal Measurement Capabilities of Third-order Correlators (2023)
  • Author(s): S. Bock, T. Oksenhandler, T. Puschel, R. Gebardt, R. Pausch, T. Ziegler, C. Bermert, L. Zeil, A. Irman, T. Toncham, H. Kiriyama, M. Nishiuchi,, A. Kon, U. Schramm
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Issue: 6 Pages: 9923-9934
  • DOI: 10.1364/oe.475575
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of the plasma mirror system at the J-KAREN-P facility (2022)
  • Author(s): A. Kon, M. Nishiuchi, Y. Fukuda, K. Kondo, K. Ogura, A. Sagisaka, Y. Miyasaka, N. P. Dover, M. Kando, A. S. Pirozhkov, I. Daito, L. Chang, Il W. Choi, C. Hee Nam, T. Ziegler, H.-P. Schlenvoigt, K. Zeil, U. Schramm, and H. Kiriyam
  • Journal Title: High Power Laser Science and Engineering Volume: 10 Pages: 25-25
  • DOI: 10.1017/hpl.2022.15
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Prospect for the e nergetic highly charged heavy ion acceleration by a short pulse high contrast laser system (2024)
  • Author(s): M.Nishiuch et al
  • Organizer: レーザー学会第44回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 次世代加速器を目指したレーザープラズマイオン加速研究 (2023)
  • Author(s): 西内満美子
  • Organizer: 第10回光科学異分野横断萌芽研究会
  • Invited
• [Presentation] Enhanced Ion Acceleration from Transparency-driven Foils Demonstrated at Two Ultra-intense Laser Facilities (2023)
  • Author(s): M. Nishiuchi
  • Organizer: Laser Applications Conference, OPTICA LASER CONGRESS
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Efficient acceleration of highly ionized heavy ions via ultra-relativistic high fields with PW laser systems (2023)
  • Author(s): M. Nishiuchi et al.,
  • Organizer: SPIE Optics Optolectronics 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities (2023)
  • Author(s): M.Nishiuchi et al.
  • Organizer: 第29回 FELとHigh-Power Radiation 研究会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Enhancement of ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultra-intense laser facilities (2023)
  • Author(s): M.Nishiuchi et al.
  • Organizer: 2023 Laser Plasma Accelerator Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Highly charged energetic ion beam from high temperature high density plasma produced by temporally controlled short-pulse high inｚtensity lasers (2022)
  • Author(s): M.Nishiuchi et al.
  • Organizer: US-Japan Joint Seminar,
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Highly ionized heavy ion acceleration via ultra-relativistic high fields with PW lasers (2022)
  • Author(s): M.Nishiuchi et al.
  • Organizer: The 9th International Conference on Ulitra-High Intensity Lasers (ICUIL2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Highly ionized heavy ion acceleration via ultra-relativistic high fields with PW laser systems (2022)
  • Author(s): M.Nishiuchi et al.
  • Organizer: Laser Plasma Accelerator and GSI joint seminar
  • Int'l Joint Research / Invited