レーザーとプラズマの相互作用におけるイオンビームの輸送と追加速方法の探索

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K05359
• Research Institution: Utsunomiya University
• Principal Investigator: 川田 重夫 宇都宮大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30150296)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: レーザー粒子加速 / レーザーイオン加速 / イオン加速制御 / イオンビーム輸送 / レーザープラズマ相互作用 / イオンビーム制御 / 粒子線がん治療

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，レーザーとプラズマの相互作用におけるイオンビームの輸送と追加速方法の探索を目的としている。レーザー生成のイオンビームを，粒子線がん治療や基礎研究他の実用に供するために様々な制御が必要であり，目的に合った粒子エネルギー，エネルギースペクトル，ビーム長などの制御の高度化が欠かせない。
本年度は，イオンビームのコリメーションとバンチング方法について研究を行った。レーザーとターゲットとの相互作用において生成される電場と磁場のレーザーパラメータおよびターゲットへの依存性を調べた。この際，現実的に利用しやすくターゲット作製のしやすさを考慮して，固体薄膜ターゲットとガスプラズマを想定し，生成される電場磁場の各パラメータ依存性を調べた。
まず，レーザー照射側から見て固体ターゲットの背面に，ビームスポットサイズオーダーの無数の穴を開けることで，すでに加速されたプロトンビームのコリメーションの研究を行った．レーザー生成のイオンビームは一般に横方向の発散角を持つ．この発散角を各穴の側面に形成される横方向の電場を用いることで，大きく改善することに成功した．例えば，レーザー生成イオンビームが生成直後には約10度程度の発散角を持っていたものが，コリメーションデバイスを用いることで数度程度まで大きく減少させることができた．一方，イオンビームが複数の穴にかかる場合，イオンビームはうまくコリメーションされるが，複数のイオンビームに分割されることも新たに分かった．この点についても今後研究を進めたい．
次に，レーザー生成のイオンビームに見られるイオンの進行方向の速度差によるビームの縦方向の広がりの抑制（バンチング）について研究を行った．このため，臨界密度近傍の密度を持つガスターゲット中にレーザーにより生成された誘導電場を用いる方法を試し，ある程度のビームの速度差を解消できた．

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度は，既に加速されたイオンビームの縦方向と横方向の広がりを制御する方法を探ることが目的であった．イオンビームの縦と横方向の広がりは，レーザー生成のイオン源には共通に見られる．
横方向の広がりは，薄膜ターゲットの背面に無数の穴を開けた構造の側面に形成される横方向の電場を用いることで，上手く制御できた．これは今年度の大きな成果であった．加えて，ターゲットのアラインメントエラーのイオンビームコリメーションへの影響についても調べた．イオンビームとレーザー照射側から見て，ターゲット背面の無数の穴の位置をレーザー軸に合わせることは難しい．そこで，イオンビームやレーザーが背面の複数の穴にかかるような場合についても研究を行った．その結果，イオンビームが複数に分割されるものの，分割幅は数ミクロンメートル程度であること，分割されたそれぞれのイオンビームは充分小さな発散角に抑えられていることが分かった．将来に向けて，複数に分割されたイオンビームを再度一つにスタッキングさせる必要が出る可能性もある．その場合のために，次年度以降にはイオンビームのスタッキング方法についても検討したい．
また，イオンビームのバンチングについては，近臨界密度プラズマ中にレーザーで形成される誘導加速電場でイオンビームのテールを加速するビームバンチングをまず研究した．ある程度のイオンビームの縦方向の広がりを抑えることに成功した．加えて，2枚の固体薄膜ターゲットと一つのレーザーパルスを用いて，生成された薄膜面に垂直方向の加速と減速電場を組み合わせることでも，よくバンチングができることも見つけた．後者については，次年度に継続して研究を進める予定である．
一方，近臨界密度プラズマ中に形成される移動する進行方向の誘導電場をうまく利用することで，イオンビームの追加速方法の研究にも着手した．このように本研究計画は順調に進んでいる．

Strategy for Future Research Activity

実際に，レーザー生成のイオンビームを実用に供しようとすると，追加速に加えて，縦方向のビームバンチングの制御，イオンビームの空間的に横方向への広がりを制御すること等を，組み合わせて用いることが，長距離のイオンビームの輸送には欠かせない。そのためには，それぞれの要素に用いられる薄膜またはガスターゲットおよびレーザーパラメータの変化に対してロバストでなければならない。
今後，これらシステムとしてのロバスト性についても詳細に調べる。これにより，レーザーイオン加速システムとして必要になる各コンポーネントに関する研究とともに，全体システムをどのように構成するかを検討する。
初年度で，イオンビームのコリメーションとバンチング機能を持つデバイスを探ることができた．これらのデバイスに，追加速デバイス等を組み合わせる必要がある．初年度に彫られた成果をベースに，コリメーションとバンチングデバイスのロバスト性を追求したい．既にコリメーションデバイスではイオンビームが複数のイオンビーム群に分割されうる場合があることが分かった．またバンチングにおいては，イオンビームのテール部分を先端部分より進行方向にさらに早くすることができれば，イオンビーム輸送中にビームの縦方向の長さを短くすることができると思われる．これができた直後に，追加速を行うとより効果的に追加速も可能になる．これらを追求していきたい．
最終的には，広がりを抑えられた高品質のイオンビームの平均プロトンエネルギーを250MeV~400MeV程度まで上昇させたい．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Fudan University/Institute of Physics, Peking/Shanghai Jiao Tong University(China)
  • Country Name: China
  • Counterpart Institution: Fudan University/Institute of Physics, Peking/Shanghai Jiao Tong University
  • # of Other Institutions: 2
• [Int'l Joint Research] Chech Techincal University/ELI Beamlines(チェコ)
  • Country Name: CZECH
  • Counterpart Institution: Chech Techincal University/ELI Beamlines
• [Int'l Joint Research] Vavilov State Optical Inst./A M Prokhorov General Phys. Inst.(ロシア連邦)
  • Country Name: RUSSIA FEDERATION
  • Counterpart Institution: Vavilov State Optical Inst./A M Prokhorov General Phys. Inst.
• [Int'l Joint Research] Max-Born-Institut, Berlin/Forschungszentrum Juelich GmbH, Juelich(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max-Born-Institut, Berlin/Forschungszentrum Juelich GmbH, Juelich
• [Journal Article] Controllable Laser Ion Acceleration (2016)
  • Author(s): S. Kawata, D. Kamiyama, Y. Ohtake, M. Takano, D. Barada, Q. Kong, P. X. Wang, Y. J. Gu, W. M. Wang, J. Limpouch, A. Andreev, S. V. Bulanov, Z. M. Sheng, O. Klimo, J. Psikal, Y. Y. Ma, X. F. Li, and Q. S. Yu
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 691 Pages: 012021-1~8
  • DOI: 10.1088/1742-6596/691/1/012021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Calculating the radiation characteristics of accelerated electrons in laser-plasma interactions (2016)
  • Author(s): X. F. Li, Q. Yu, Y. J. Gu, J. F. Qu, Y. Y. Ma, Q. Kong and S. Kawata
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Pages: 033113-1~5
  • DOI: 10.1063/1.4943408
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] High-Flux low-divergence positron beam generation from ultra-intense laser irradiated a tapered hollow target (2015)
  • Author(s): Jian-Xun Liu, Yan-Yun Ma, Jun Zhao, Tong-Pu Yu, Xiao-Hu Yang, Long-Fei Gan, Guo-Bo Zhang, Jian-Feng Yan, Hong-Bin Zhuo, Jin-Jin Liu, Yuan Zhao and Shigeo Kawata
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 22 Pages: 1031021~6
  • DOI: 10.1063/1.4932997
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Bubble shape and electromagnetic field in the nonlinear regime for laser wakefield acceleration (2015)
  • Author(s): X. F. Li, Q. Yu, Y. J. Gu, S. Huang, Q. Kong and S. Kawata
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 22 Pages: 083112-1~6
  • DOI: 10.1063/1.4932997
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Enhanced electron injection in laser-driven bubble acceleration by ultra-intense laser irradiating foil-gas targets (2015)
  • Author(s): Guo-Bo Zhang, Yan-Yun Ma, Han Xu, Nasr A. M. Hafz, Xiao-Hu Yang, Min Chen, Tong-Pu Yu, De-Bin Zou, Jian-Xun Liu, Jian-Feng Yan, Hong-Bin Zhuo, Long-Fei Gan, Li-Chao Tian, Fu-Qiu Shao, Yan Yin, and S. Kawata
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 22 Pages: 083110-1~6
  • DOI: 10.1063/1.4927583
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electron self-injection into the phase of a wake excited by a driver laser in a nonuniform density target (2015)
  • Author(s): Q. Yu, Y. J. Gu, X. F. Li, S. Huang, Q. Kong and S. Kawata
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 22 Pages: 073107-1~4
  • DOI: 10.1063/1.4926589
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] High-quality electron beams generation in a linear upramp density target (2015)
  • Author(s): Q. Yu, Q. Kong, Y. J. Gu, X. F. Li, S. Huang and S. Kawata
  • Journal Title: Euro physics Letters Volume: 110 Pages: 35002-1~5
  • DOI: 10.1209/0295-5075/110/35002
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Controllable multi-stage laser ion acceleration (2016)
  • Author(s): S. Kawata, Y. Ohtake, D. Kamiyama, D. Barada, Q. Kong, Y. J. Gu, P. X. Wang, Y. Y. Ma, W. M. Wang, X. F. Li, Q. Yu, J. Limpouch, A. Andreev, S. Bulanov, Z. M. Sheng, O. Klimo and J. Psikal
  • Organizer: 2nd International Symposium Series on High Power Laser Science and Engineering(HPLSE2016)
  • Place of Presentation: Suzhou, China
  • Year and Date: 2016-03-15 – 2016-03-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Controllability of Laser Ion Beam Generation (2016)
  • Author(s): D. Kamiyama, Y.Ohtake, M.Ito, K. Nakazato, I. Hirasima, D. Barada, Y. J. Gu, X. F. Li, Q. Kong, P. X. Wang, Q. Yu and S. Kawata
  • Organizer: ASHULA Grand Seminar /Symposium 2016
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2016-01-05 – 2016-01-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Controllable Laser Ion Beam Generation (2015)
  • Author(s): D. Kamiyama, M. Takano, T. Nagashima, D. Barada, Y. J. Gu, X. Li, Q. Yu, Q. Kong, P. X. Wang and S. Kawata
  • Organizer: 9th International Conference on Inertial Fusion Science and Applications (IFSA2015)
  • Place of Presentation: Seattle, Washington, U.S.A.
  • Year and Date: 2015-09-20 – 2015-09-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズマ中の誘導電場用いたイオンビームの質向上 (2015)
  • Author(s): 神山大樹, 高野真弘, 長嶋俊宏, 茨田大輔, Y. J. Gu, X. Li, Q. Kong, P. X. Wang, 川田重夫
  • Organizer: 日本物理学会2015秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学(千里山キャンパス)
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Presentation] Controllable Laser Ion Acceleration (2015)
  • Author(s): S. Kawata, D. Kamiyama, Y. Ohtake, D. Barada, Q. Kong, P. X. Wang, Y. J. Gu, W. M. Wang, J. Limpouch, A. Andreev, S. V. Bulanov, Z. M. sheng, O. Klimo, J. Psikal, Y. Y. Ma, X. F. Li and Q. S. Yu
  • Organizer: 24th Annual International Laser Physics Workshop(LPHYS’15)
  • Place of Presentation: Shanghai, China
  • Year and Date: 2015-08-21 – 2015-08-25
  • Int'l Joint Research / Invited