Diagnostics development of ionization states in intense-laser irradiated matter with high spatio-temporal resolutions

Research Project

Project/Area Number	22K03571
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
Research Institution	Japan Synchrotron Radiation Research Institute
Principal Investigator	籔内俊毅公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 主席研究員 (20397772)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000) Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywords	高エネルギー密度科学 / 高強度レーザー / X線自由電子レーザー / プラズマ科学 / プラズマ
Outline of Research at the Start	本研究では，高強度レーザーの照射により加熱，電離された固体物質の電離度情報を，高い時間・空間分解能をもって診断するための新しい手法を開発する．そのために，極短パルスかつ微小径に集光可能なX線源であるX線自由電子レーザー（XFEL）をプローブとして活用する．この診断手法の開発により，従来の手法では得られなかった物質の電離状態の高精細な情報の取得が可能となれば，レーザー照射に伴う物質へのエネルギー付与過程や高エネルギー粒子の輸送の理解が深まり，それらを取り扱う数値シミュレーションの高精度化も期待される．
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，高強度レーザーの照射により加熱，電離された固体物質の電離度情報を，高い時間・空間分解能をもって診断するための新しい手法を開発する．非常に高い強度の短パルスレーザーが物質に照射されると，その物質は瞬時にプラズマ化される．この際の電離度情報は，レーザー照射に伴う様々な物理現象に影響する重要なパラメータの一つであるが，微細な空間構造を伴って高速に変化するため，現在までにその情報を十分な時間・空間分解能をもって診断する技術は確立されていない．本研究で開発する手法は，X線自由電子レーザー（XFEL）をプローブとして用いることで，その短パルス性能と高輝度な特性を活用し，このような診断を可能にするものである． 2022年度には，XFEL施設SACLAのハイパワーレーザー利用実験基盤において，この手法の開発に向けた実験を実施した．その結果，提案している診断手法にとって重要となるX線発光分光器の信号取得能力の向上が実現された．高強度レーザーの照射により加熱された試料からは，電子やX線といった高エネルギー粒子が発生する．本診断手法においてはXFEL照射に伴って発生するX線が信号となるが，レーザー由来の高エネルギー粒子が検出器に到達するとそれらはノイズとなる．XFEL由来の信号を効率よく取得し，レーザー由来のノイズに対する信号量比を改善することは，本診断手法の実現に不可欠である．当該年度には，X線分光用の結晶に高効率な円錐曲面結晶を新たに導入し，その調整法を確立することで，信号取得能力を大幅に改善した．また，レーザー由来のノイズ（電子）低減のために電子偏向用の磁気回路を製作し，導入準備を進めた．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初計画では，3年間の事業期間を1.5ヵ年毎の前後期に分けた上で，前期には提案する診断手法に最適化された計測器（X線発光分光器）の製作を計画している．2022年度には，円錐曲面結晶を分光結晶として導入することで，XFEL由来の信号の効率的な取得が可能であることを実験的に示すことに成功した．また，高強度レーザーの照射に由来し，主なノイズ源である高エネルギー電子群を偏向させ，検出器への到達を阻害するための磁気回路の設計・製作を完了し，装置への導入準備を進めた．これらにより，当初研究計画で想定しているノイズ源の抑制と信号取得能力の向上に向けて十分な進展があった．
Strategy for Future Research Activity	当初計画に従い，今後半年程度をかけて磁気回路によるノイズ改善効果の検証などを引き続き行い，X線発光分光器の性能向上を完了させる．事業期間の後半には，整備した分光器を用いて電離度診断手法のデモンストレーションを行い，新しい診断手法の妥当性と有効性を検証する計画である．特に後半のデモンストレーションでは，XFEL施設SACLAのハイパワーレーザー利用実験基盤において，高強度レーザーとXFELを同時に利用した測定を行う．その際には，研究代表者らが本事業とは独立に最適化を進めてきた本診断手法用に設計された電離度マーカーを含有する固体試料を用いる計画である．