レーザー加速電子顕微鏡による超短パルスレーザーと物質の相互作用の超高速診断

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11J00853
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中新 信彦 大阪大学, 光科学センター, 特別研究員(PD)
• Keywords: レーザー航跡場加速 / 電子ラジオグラフィー

Research Abstract

レーザー航跡場から発生する電子バンチはフェムト秒オーダーの時間幅で、大電荷、低エミッタンスといった特徴を持っており、様々な応用研究に期待される。本研究課題では実用性のある高品質なレーザー駆動電子源を開発し、超短パルスレーザーと物質の相互作用における電磁場や物質の状態の高速な時間変化を捉え、その詳細な物理の解明を目指す。
昨年度、ガスジェットへの外部磁場印加によって電子バンチの指向性と安定性の向上、方向の制御に成功した。これらはプラズママイクロオプティクスが非常に深く関係していることがトムソン散乱計測と光プローブによってわかった。超短パルスレーザーのプレパルスによってできるプレプラズマに外部磁場を印加すると、このプレプラズマが後続のメインパルスに対してオプティクスのように働き、パルスが磁場の方向にガイドされていることがわかった。このことから電子は磁場から直接影響を受けるのではなく、レーザーパルス自体がプラズママイクロオプティクスによって偏向されていることが証明された。今後、最適化を行い電子ビームのさらなる高品質化をめざす。また、発生点での短いバンチ幅を任意の点で再現することが可能なシケイン磁石を用いたチャープ電子バンチ輸送系の開発も同時に進めている。この輸送系は短パルス性を必要とする応用研究(超高速イメージング等)には必要不可欠である。
一方、フェムト秒オーダーの時間幅の電子バンチを用いて、高コントラスト超短パルスレーザーと固体との相互作用で発生する強磁場の時間変化を観測した。1万テスラに及ぶ強磁場が発生し、相互作用点(集光点)から光の速度で広がる様子を捉えることに成功した。この磁場の挙動は2次元のParticle-in-cellシミュレーションによっても再現されており、レーザー加速電子を用いて高速に変化する強磁場を直接観測できることを実証した。この磁場の挙動は高速電子の挙動と密接に関連しており、この成果はレーザーと固体の相互作用を用いるレーザー陽子加速研究に繋がる可能性がある。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

超高速イメージングに向けた実用性のある高品質なレーザー航跡場加速電子源の開発、さらに電子発生後の電子バンチの輸送系の開発が順調に進んでいる。極短電子バンチを用いてレーザープラズマ相互作用で発生する強磁場の高速な時間変化を捉えることに成功し論文発表を行うなど、概ね順調に進展しているといえる

Strategy for Future Research Activity

多段レーザー航跡場加速によってこれまでに得られた電子源の品質を更に向上させる。具体的には入射電子ビームを別のレーザーで励起した航跡場に入射し、その中で加速・位相回転を行い、イメージングに最適なエネルギーとエネルギー幅を得る。さらに今年度開発を行った極短電子バンチ輸送系をインストールし、発生点での極短バンチ幅を観察対象の地点で再現する。また、電子レンズの開発・導入を行い超高速電子線回折実験を行う。

Research Products

• [Journal Article] Ultrafast electron radiography of magnetic fields in high-intensity laser-solid interactions (2013)
  • Author(s): W. Schumaker, N. Nakanii, C. McGuffey, C. Zulick, V. Chyvkov, F. Dollar, H. Habara, G. Kalintchenko, A. Maksimuchuk, K. A. Tanaka, A. G. R. Thomas, V. Yanovsky, and K. Krushelnick
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 110 Pages: 015003
  • DOI: 10.1103.PhysRevLett.110.015003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Splash plasma channels produced by picosecond laser pulses in argon gas for laser wakefield acceleration (2012)
  • Author(s): Y. Mizuta, T. Hosokai, S. Masuda, A. Zhidkov, K. Makito, N. Nakanii. S. Kajino, A. Nishida, M. Kando, M. Mori, H. Kotaki, Y. Hayashi, S. V. Bulanov, and R. Kodama
  • Journal Title: Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams Volume: 15 Pages: 121301
  • DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.15.121301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laboratory investigations on the origins of cosmic rays (2012)
  • Author(s): Y. Kuramitsu, Y. Sakawa, T. Morita, T. Ide, K. Nishio, H. Tanji, H. Aoki, S. Dono, C. D. Gregory, J. N. Waugh, N. Woolsey, A. Diziere, A. Pelka, A. Ravasio, B. Loupias, M. Koenig, S. A. Pikuz, Y. T. Li, Y. Zhang, X. Liu, J. Y. Zhong, J. Zhang, G. Gregori, N. Nakanii, K. Kondo, Y. Mori, E. Miura, R. Kodama, Y. Kitagawa, K. Mima, K. A. Tanaka, H. Azechi, T. Moritaka, Y. Matsumoto, T. Sano, A. Mizuta, N. Ohnishi, M. Hoshino, and H. Takabe
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 54 Pages: 124049
  • DOI: 10.1088/0741-3335/54/12/124049
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] レーザー航跡場加速器の実用化に向けた課題と開発現状 (2012)
  • Author(s): 中新信彦, 益田伸一, 細貝知直
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 40 Pages: 819
  • Peer Reviewed
• [Presentation] スプラッシュプラズマチャネルを用いたレーザー航跡場加速における電子ビーム制御 (2013)
  • Author(s): 水田好雄, 細貝知直, 益田伸一, ジドコフアレクセイ, 中新信彦, 中原弘貴, 幸原朋広, 岩佐健太, 神門正城, ブラノフセルゲイ, 兒玉了祐
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島)
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] レーザー航跡場加速における電子自己入射に関する研究 (2013)
  • Author(s): 岩佐健太, 細貝知直, 益田伸一, 中新信彦, ジドコフアレクセイ, 水田好雄, 幸原朋広, 中原弘貴, 神門正城, ブラノフセルゲイ, 兒玉了祐
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島)
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] レーザー航跡場加速における電子ビーム制御に関する研究 (2013)
  • Author(s): 中原弘貴, 細貝知直, 益田伸一, 中新信彦, 水田好雄, ジドコフアレクセイ, 山崎淳, 幸原朋広, 岩佐健太, 兒玉了祐
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島)
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] レーザー加速極短電子バンチの利用に向けた輸送系の開発 (2013)
  • Author(s): 中新信彦, 細貝知直, 益田伸一, ジドコフアレクセイ, 神門正城, 小瀧秀行, 水田好雄, 中原弘貴, 幸原朋広, 岩佐健太, 兒玉了祐
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島)
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] Analysis of self-injection processes for the electron acceleration in laser-pulse-wakes (2013)
  • Author(s): ジドコフアレクセイ, 細貝知直, 益田伸一, 中新信彦, 兒玉了祐
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島)
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] 大阪大学光科学センターにおけるレーザー加速研究 (2013)
  • Author(s): 細貝知直, 益田伸一, 中新信彦, ジドコフアレクセイ, 水田好雄, 中原弘貴, 岩佐健太, 兒玉了祐
  • Organizer: 平成24年度レーザー核融合・プラズマ粒子加速研究会
  • Place of Presentation: 光産業創成大学院大学(静岡)
  • Year and Date: 2013-01-21
• [Presentation] レーザー航跡場加速のためのスプラッシュプラズマチャネル (2013)
  • Author(s): 水田好雄, 細貝知直, 益田伸一, ジドコフアレクセイ, 中新信彦, 金展, 中原弘貴, 幸原朋広, 岩佐健太, 神門正城, ブラノフセルゲイ, 兒玉了祐
  • Organizer: 平成24年度レーザー核融合・プラズマ粒子加速研究会
  • Place of Presentation: 光産業創成大学院大学(静岡)
  • Year and Date: 2013-01-21
• [Presentation] Development of high-quality ultrashort electron source based on staged laser wakefield accelerator (2012)
  • Author(s): N. Nakanii, T. Hosokai, S. Masuda, A. Zhidkov, Z. Jin, Y. Mizuta, H. Nakahara, T. Kohara, K. Iwasa, S. Kajino, K. Makito, M. Kando, H. Kotaki, M. Mori, A. Yamazaki, T. Sano, K. Arakawa, and R. Kodama
  • Organizer: 第13回光量子科学研究シンポジウム
  • Place of Presentation: 日本原子力研究開発機構(京都)
  • Year and Date: 2012-11-16
• [Presentation] Splash plasma channels for wave guided laser wakefield acceleration (2012)
  • Author(s): Y. Mizuta, T. Hosokai, S. Masuda, A. Zhidkov, K. Makito, N. Nakanii, H. Nakahara, S. Kajino, A. Nishida, M. Kando, M. Mori, H. Kotaki, Y. Hayashi, S. V. Bulanov, R. Kodama
  • Organizer: 第13回光量子科学研究シンポジウム
  • Place of Presentation: 日本原子力研究開発機構(京都)
  • Year and Date: 2012-11-16
• [Presentation] Steering of Electron Beams form Laser Wakefield Acceleration via Transient Plasma Micro-Optics (2012)
  • Author(s): H. Nakahara, T. Hosokai, S. Masuda, N. Nakanii, Y. Mizuta, S. Kajino, K. Makito, A. Zhidkov, M. Kando, S. V. Bulanov, and R. Kodama
  • Organizer: 第13回光量子科学研究シンポジウム
  • Place of Presentation: 日本原子力研究開発機構(京都)
  • Year and Date: 2012-11-16
• [Presentation] Repeatable electron beam generation driven by staged laser wakefield acceleration ; Towards high-quality electron source for ultra-fast imaging (2012)
  • Author(s): Tomonao Hosokai, Shin-Ichi Masuda, Nobuhiko Nakanii, Alexei Zhidkov, Yoshio Mizuta, Hirotaka Nakahara, Tomohiro Kohara, Kenta Iwasa, Kazuto Arakawa, Tomokazu Sano, Ryosuke Kodama
  • Organizer: 第13回光量子科学研究シンポジウム
  • Place of Presentation: 日本原子力研究開発機構(京都)
  • Year and Date: 2012-11-15
• [Presentation] Repeatablehigh-Qualityelectron Bunch Driven by Staged LWFA ; Towards Single-shot Ultrafast Electron Imaging (2012)
  • Author(s): Tomonao Hosokai, Nobuhiko Nakanii, Shinichi Masuda, Alexei Zhidkov, Yoshio Mizuta, Shohei Kajino, Keigo Makito, Hirotaka Nakahara, Tomohiro Kohara, Atsushi Yamazaki, Kazuto Arakawa, Tomokazu Sano, Ryosuke Kodama
  • Organizer: International Conference on High Energy Density Sciences 2012 (HEDS2012)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2012-04-27
• [Presentation] Ionization Effects in Interaction of Femtosecond Intense Laser Pulses with Gaseous Targets (2012)
  • Author(s): Alexei Zhidkov, Nobuhiko Nakanii, Shinichi Masuda, Tomonao Hosokai, and Ryosuke Kodama
  • Organizer: International Conference on High Energy Density Sciences 2012 (HEDS2012)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2012-04-27
• [Presentation] Transient Plasma Micro Optics by artificial laser pre-pulses for Laser WakeField Accelaration (2012)
  • Author(s): Yoshio Mizuta, Akinori Nishida, Shinichi Masuda, Keigo Makito, Shohei Kajino, Nobuhiko Nakanii, Masaki Kando, Michiaki Mori, Hideyuki Kotaki, Yukio Hayashi, Alexei Zhidkov, Sergei Bulanov, Tomonao Hosokai, and Ryosuke Kodama
  • Organizer: International Conference on High Energy Density Sciences 2012 (HEDS2012)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2012-04-27
• [Presentation] Ponderomotive electron acceleration in vacuum by Laguerre-Gaussian laser pulse (2012)
  • Author(s): S. Masuda, A. Zhidkov, T. Hosokai, N. Nakanii, Y. Mizuta, T. Kohara, H. Nakahara, M. Kando, M. Mori, H. Kotaki, A. Yamazaki, R. Kodama
  • Organizer: International Conference on High Energy Density Sciences 2012 (HEDS2012)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2012-04-27
• [Presentation] Development of high-quality electron beam via laser wakefield accelerator towards ultrafast imaging (2012)
  • Author(s): N. Nakanii, T. Hosokai, S. Masuda, A. G. Zhidkov, Z. Jin, Y. Mizuta, A. Nishida, S. Kajino, K. Makito, T. Koh-hara, M. Kando, M. Mori, H. Kotaki, S. Bulanov, A. Yamazaki, T. Sano, K. Arakawa, and R. Kodama
  • Organizer: International Conference on High Energy Density Sciences 2012 (HEDS2012)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2012-04-27
• [Presentation] Control of Electron Self-Injection by External Magnetic Field in Laser Wakefield Acceleration (2012)
  • Author(s): Hiroki Nakahara, Tomonao Hosokai, Shinichi Masuda, Nobuhiko Nakanii, Yoshio Mizuta, Shohei Kajino, Keigo Makito, Alexei Zhidkov, and Ryosuke Kodama
  • Organizer: International Conference on High Energy Density Sciences 2012 (HEDS2012)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2012-04-27