レーザー駆動電子雲の高時間分解計測とその集団ダイナミクスの解明

Research Project

Project/Area Number	22K14021
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
Research Institution	National Institutes for Quantum Science and Technology
Principal Investigator	小島完興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, 主任研究員 (40815156)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000) Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords	レーザー駆動イオン加速 / 高強度レーザー / 電子雲 / 超高速計測 / ビーム物理
Outline of Research at the Start	レーザー駆動イオン加速は高い加速勾配を持ち、その特徴から加速器の大幅な小型化が期待されている。レーザー駆動イオン加速では、レーザーが加速した電子雲が標的裏面に作る強力な分極電場によってイオンを加速する。これらの加速プロセスはわずか数ピコ秒で生じ、その速さ故に、これまでの研究では時間積算の実験結果が取得されてきた、この研究では、最新のスペクトラルイメージング技術を応用して、レーザー駆動イオン加速を引き起こす電子雲の3次元的な膨張の超高速な動きの高時間分解計測に挑戦する。本課題はレーザー駆動イオン加速において“加速管”の役割を果たす電子雲膨張の高時間分解観測に取り組む画期的なものである。
Outline of Annual Research Achievements	高強度レーザー光を固体標的に照射することでMeV級の高エネルギーイオンを加速する方法は、レーザー駆動イオン加速と呼ばれている。レーザー駆動イオン加速ではターゲットの裏面に局所的に生成される電子雲が生むシース電場によってイオンを加速する。そのためレーザー駆動イオン加速における“電子雲”は従来加速器における“加速管”としての重要な役割を果たす。本研究の目的は、高速膨張する電子雲の時間発展ならびに3次元的な発展形状を数100フェムト秒の高いフレームレートでマルチフレーム撮影出来る撮影装置を開発することである。また、構築した撮影装置を用いて電子雲の膨張の様子を撮影し、標的裏面に形成される分極電場の空間分布および時間発展を明らかにすることでレーザー駆動イオン加速の安定性の向上を行う計画である。本研究は、レーザー駆動イオン加速において“加速管”の役割を果たす電子雲ならび分極電場の最初の観測・制御に取り組む画期的なものである。初年度である本年度は、電子雲の超高速計測に必要なチャープパルス光を利用した高速度計測装置の設計を光線追跡コードを用いて行った。その後、設計した計測装置の構築に必要な光学部品を購入し、装置の構築を行った。計測に用いるチャープ光とは、例えば、光の波長が赤⇒黄⇒緑⇒青⇒紫のように時間方向に並んだ光を指す。本年度に構築した装置では、この広域なチャープ光を電子雲に照射し、その反射光を波長ごとに分けて結像することで、観測物に光が波長順に到着する時間差を時間分解のフレームレートに利用した高速時間分解な撮影に成功した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 初年度である本年度は、電子雲の超高速計測に必要なチャープパルス光を利用した高速度計測装置の設計を光線追跡コードを用いて行い、設計した計測装置の構築を行った。実験期間の割り当ての都合があり、電子雲の計測実験に入ることは出来なかったが、初年度の研究進捗としておおむね順調に進展した。
Strategy for Future Research Activity	来年度の研究では、構築した高速度計測装置を用いて高強度レーザーを照射した際にターゲットの裏面に生成される電子雲の高時間分解計測を行う予定である。ターゲットの厚みや材質を変化させたときの電子雲の形成の違いや、それに伴ったイオンビームのエミッタンスの違いなどを定性的に評価する実験を行う。実験で得られた研究成果は、国内学会や国際学会を通して当該研究分野に広く周知を行う計画である。