| Project/Area Number |
22KJ2130
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| Project/Area Number (Other) |
22J10867 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 14030:Applied plasma science-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
杉本 馨 大阪大学, レーザー科学研究所, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Discontinued (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2023: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
Fiscal Year 2022: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
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| Keywords | プラズマ粒子シミュレーション / 相対論的レーザープラズマ相互作用 / ガンマ線 / 電子陽電子対生成 / PICシミュレーション / 輻射プラズマ / 線形Breit-Wheeler過程 / 高強度レーザー |
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| Outline of Research at the Start |
最先端のレーザー装置から作り出される高強度の光を照射された物質は瞬時に千万度以上に加熱され、プラズマへと遷移する。このプラズマからはX・ガンマ線のような透過力が高い光が発せられ、非破壊検査のための高輝度線源等への応用が期待されている。しかし、上述の高強度レーザー光のスポット径はマイクロメートル程度かつ照射時間がナノ秒以下程度である故、相互作用の実験的な解析が難しく十分な理解が得られていなかった。そこで本研究では、コンピュータの仮想空間上でレーザー電磁場とターゲット中の荷電粒子の相互作用のシミュレーションを行い、プラズマの形成過程の解明と発せられるX・ガンマ線の変換効率の最適化を目指している。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は数値シミュレーションを用いて、高強度レーザーで駆動された高温輻射プラズマの形成過程を理解し、最先端のレーザー装置が作り出す光から量子線への最大の変換効率を達成するための条件を導出すること、および次世代のレーザー装置によるガンマ線生成過程の評価を行うことである。最先端の高強度レーザーであれば物質を瞬時に電離し、高温プラズマへ遷移させることができる。プラズマ中では高温電子の衝突・散乱により硬X線やガンマ線が発生するため、これらを高輝度量子線源へ応用することが期待されている。
しかし、高強度レーザーで駆動されるプラズマ中での輻射エネルギーの流れを含めた形成過程は複雑であり、実験的な解析が難しく、未だ詳細は明らかとなっていない。また、高エネルギー荷電粒子から放出されるガンマ線などの高エネルギー光子は互いに一対一で衝突することで電子陽電子対へ変換されるため、輻射スペクトルの評価にはこの対生成過程を考慮する必要があると考えられる。
そこで本研究期間中に、既存のプラズマ粒子シミュレーションコードを拡張し、二光子の衝突による電子陽電子対生成過程(線形Breit-Wheeler過程)の数値モデルを組み込んだ。これにより、レーザープラズマ相互作用中での対生成による光子の消滅、陽電子の発生場所、加速機構の解析が可能となった。
これまでに行った計算では、臨界密度程度のカーボンプラズマに対し超高強度レーザーを照射した。レーザーフロントで形成される電荷分離由来の縦電場によって定常的な加速を受けた陽電子は最大でGeV程度のエネルギーにまで加速されることが明らかとなった。この研究成果は実験室において高エネルギー陽電子を作り出す可能性を示唆している。
最終年度ではこの加速機構について複数の学会にて発表し、研究成果をまとめた学術論文のアクセプトを達成した。
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