2021 Fiscal Year Annual Research Report
Science and Verification of Multi-Staged Acceleration of Quasimonoenergetic Protons in Relativistic Plasmas
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19H00668
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
福田 祐仁 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, 上席研究員 (30311327)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神野 智史 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80596924)
金崎 真聡 神戸大学, 海事科学研究科, 准教授 (90767336)
坂和 洋一 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (70242881)
蔵満 康浩 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70456929)
Pikuz Tatiana 大阪大学, 先導的学際研究機構, 特任准教授(常勤) (20619978)
岸本 泰明 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (10344441)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | レーザーイオン加速 / 無衝突衝撃波 / 自発的構造形成 / 自己磁場形成 / 水素クラスター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(I-1)プラズマミラーを用いたプレパルス制御では、プラズマミラーシステムがもたらす波面歪みにより、約55 %の集光強度の低下をもたらすことを明らかにした。(I-2)クラスターサイズ分布のコントロールでは、ノズル開口角度=5°、ノズル全長=9 mmの際、マイクロメートルサイズクラスターの密度が上がることを見出した。
(II-1)高感度磁場計測装置開発では、改良した装置を大型レーザー実験に導入した。ノイズシグナルは低減したが、磁場の観測は困難であり、さらなる改良が必要であることが明らかになった。(II-2)原子核乾板を用いた300 MeVイオン計測手法開発では、データ取得・ 解析プログラムの改良を行い、研究成果を論文投稿した。(II-3) オンライン型100 MeV級イオン-電子同時計測装置開発では、改良した装置を大型レーザー実験に導入し、MeV級の準単色陽子線の安定発生の条件を見出すことに成功した。(II-4)オンライン型サブGeVイオン検出手法開発では、校正実験を終了し、研究成果を論文投稿した。開発した検出器を大型レーザー実験に導入し、性能試験を実施した。(II-5)極短寿命の無衝突衝撃波観測手法開発では、トムソン散乱イメージング分光装置を大型レーザー実験に導入し、プラズマ中の自己生成磁場の影響と考えられる周期的構造のスペクトルを計測した。(II-6)X線分光によるプラズマ診断の手法を大型レーザー実験に導入し、プレパルスがイオン加速にマイナスの影響を与えていることを示唆する結果を得た。
(III)大型レーザー実験を実施し、MeV級準単色陽子線の0.1Hzでの安定発生、プラズマ中の自己生成磁場に起因するシグナル、などの重要な成果を得た。
(IV)大型計算機シミュレーションでは、本研究課題専用のワークステーションを整備し、実験データ解析のための環境構築を完了した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2022(令和4)年3月に実施した、大型レーザー用いたイオン加速実験において、本研究で開発した基盤技術(=イオン-電子同時計測トムソンパラボラシステム、トムソン散乱イメージング分光装置) を用い、2-3MeVの準単色陽子線の0.1 Hzでの連続安定発生の条件を見いだすことに成功した。高感度磁場計測装置の開発では、ファラデー回転を用いた手法は、更なる改良が必要であることが判明したが、トムソン散乱イメージング分光装置において、準単色イオン加速とほぼ同期して、周期的に波打つような形状のスペクトルを計測した。これは、クラスター内部に強い磁場が発生してBernstein波が立った可能性が高く、予期せず、磁場計測に成功したと考えている。これらの成果から、本研究の目的である、"レーザーイオン加速では未踏の300 MeVの高エネルギー準単色陽子線発生"の達成に向けて大きく前進した、と言える。
新型コロナウイルス感染症による影響により、大型レーザー実験の休止期間が生じたため、マシンタイムスケジュールの遅延など影響が生じているが、研究自体は着実に進展している。また。予期せぬ成果もあり、本研究は、おおむね順調に進展している、と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画調書に記載した計画では、第３年度にプラズマミラーを用いた実験を実施し、イオン加速におけるプレパルス依存性の確認を行う計画であったが、コロナの影響により、実験休止期間が生じたことによるスケジュールの遅延が生じ、プラズマミラーを設置した実験は、最終年度に持ち越しとなった。
(I-1)プラズマミラーを用いたプレパルス制御では、プラズマミラーシステムがもたらす波面歪みをデフォーマブルミラーを用いて補正し、プレパルスの影響を取り除いた状況で、(III)大型レーザー実験を実施する。これまでの実験結果、および、シミュレーションの予測から、プレパルスがイオン加速の効率を下げている主要因であることが示唆されてる。プラズマミラーシステムを導入し本研究で開発したサブGeV級イオン検出器を用いることで、本研究の目的である、"レーザーイオン加速では未踏の300 MeVの高エネルギー準単色陽子線発生"が達成されると見込んでいる。
(I-2)クラスターサイズ分布のコントロールでは、クラスター生成装置のノズル形状を様々に変化させて、サイズ分布の変動を自動化されたサイズ計測装置を用いて精査する。さらに、数値流体力学シミュレーションにより、ノズル形状とサイズ分布との関係の理論的検証を行う。
(II-3)オンライン型サブGeVイオン検出手法開発では、ノイズ低減とエネルギースペクトル計測を可能とするため、マルチピクセルアレイを用いたプラスチックシンチレータ検出器の製作を行う。
(IV)大型計算機シミュレーションでは、これまでの実験と理論との不一致の要因探索に加え、準単色陽子線発生と自己磁場発生との関連を探るプラズマ粒子コードシミュレーションを実施する。
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Research Products
(33 results)
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[Journal Article] Robustness of large‐area suspended graphene under interaction with intense laser2022
Author(s)
Y. Kuramitsu, T. Minami, T. Hihara, K. Sakai, T. Nishimoto, S. Isayama, Y.T. Liao, K.T. Wu, W.Y. Woon, S.H. Chen, Y.L. Liu, S.M. He, C Y. Su, M. Ota, S. Egashira, A. Morace, Y. Sakawa, H. Habara, R. Kodama, L.N.K. Dohl, N. Woolsey, M. Koenig, M. Kanasaki, T. Asai, T. Yamauchi, K. Oda, Ko. Kondo, H. Kiriyama, Y. Fukuda
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 12
Pages: 2346
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] In-Target Proton-;Boron Nuclear Fusion Using a PW-Class Laser2022
Author(s)
Daniele Margarone, Julien Bonvalet, Lorenzo Giuffrida, Alessio Morace, Vasiliki Kantarelou, Marco Tosca, Didier Raffestin, Philippe Nicolai, Antonino Picciotto, Yuki Abe, Yasunobu Arikawa, Shinsuke Fujioka, Fukuda Yuji, Yasuhiro Kuramitsu, Hideaki Habara, Dimitri Batani
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Journal Title
Applied Sciences
Volume: 12
Pages: 1444
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Discriminative detection of laser-accelerated multi-MeV carbon ions utilizing solid state nuclear track detectors2021
Author(s)
Takamasa Hihara, Masato Kanasaki, Takafumi Asai, Tamon Kusumoto, Satoshi Kodaira, Hiromitsu Kiriyama, Keiji Oda, Tomoya Yamauchi, Wei‐Yen Woon, Yasuhiro Kuramitsu, Yuji Fukuda
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 11
Pages: 16283
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Energetic α-particle sources produced through proton-boron reactions by high-energy high-intensity laser beam2021
Author(s)
J. Bonvalet, Ph. Nicolai, D. Raffestin, E. D’humieres, D. Batani, V. Tikhonchuk, V. Kantarelou, L. Giuffrida, M. Tosca, G. Korn, A. Picciotto, A. Morace, Y. Abe, Y. Arikawa, S. Fujioka, Yuji Fukuda, Y. Kuramitsu, H. Habara, D. Margarone
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Journal Title
Physical Review E
Volume: 103
Pages: 053202
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] A Scintillator-based detector system to measure GeV class ions2021
Author(s)
A. Tokiyasu, Y. Kuramitsu, T. Minami, K. Iwasaki, H. Kohri, Y. Abe, Y. Fukuda, S. Kodaira, T. Asai, M. Kanasaki
Organizer
International Conference on High Energy Density Sciences 2021 (HEDS2021), OPTICS & PHOTONICS International 2021 Congress
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Induced Compton scattering experiment with J-KAREN-P laser2021
Author(s)
Shuta J. Tanaka, Yasuhiro Kuramitsu, Yuji Fukuda, Asai Takafumi, Hideki Kohri, Kentaro Sakai, Kou Iwasaki, Kosuke Himeno, Tomoya Taguchi, Kondo Kotaro, Kiriyama Hiromitsu, Satoshi Jinno, Masato Kanasaki, Atsushi Tokiyasu, Takumi Minami, Yuki Abe, Takamasa Hihara, Ryo Yamazaki, Youichi Sakawa
Organizer
5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] A New Measurement Method for Laser-accelerated Sub-GeV Protons utilizing Multiple Coulomb Scattering in an Emulsion Cloud Chamber2021
Author(s)
Asai Takafumi, Kanasaki Masato, Jinno Satoshi, Kitagawa Nobuko, Shutoh Nobumichi, Kodaira Satoshi, Yamauchi Tomoya, Oda Keiji, Morishima Kunihiro, Fukuda Yuji
Organizer
International Conference on High Energy Density Sciences 2021 (HEDS2021), OPTICS & PHOTONICS International 2021 Congress
Int'l Joint Research
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[Presentation] X-ray spectroscopy of relativistic plasma with controlled preplasma formation at J-KAREN-P experiments2021
Author(s)
T. Pikuz, M. A. Alkhimova, S. N. Ryazantsev, I. Yu. Skobelev, S. Pikuz, A. S. Martynenko, M. V. Sedov, A. N. Shatokhin, E. A. Vishnyakov, Y. Fukuda（27人中25番目）
Organizer
International Conference on High Energy Density Sciences 2021 (HEDS2021), OPTICS & PHOTONICS International 2021 Congress
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[Presentation] 誘導コンプトン散乱の実験宇宙物理学研究: J-KAREN-Pレーザーを用いた2020年度実験の報告2021
Author(s)
田中周太, 蔵満康浩, 福田祐仁, 浅井孝文, 郡 英輝, 境健太郎, 岩崎 滉, 姫野公輔, 田口智也, 近藤康太郎, 桐山博光, 神野智史, 金崎真聡, 時安敦史, 南 卓海, 安倍勇輝, 檜原崇正, 山崎 了, 坂和洋一
Organizer
日本物理学会2021年秋季大会
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[Presentation] 超高強度レーザーによるトムソン散乱を用いたプラズマ診断2021
Author(s)
姫野公輔, 田中周大, 福田祐仁, 浅井孝文, 郡 英輝, 境健太郎, 岩崎 滉, 田口智也, 近藤康太郎, 桐山博光, 神野智史, 金崎真聡, 時安敦史, 南 卓海, 安部勇輝, 蔵満康浩
Organizer
日本物理学会2021年秋季大会
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[Presentation] 非相対論から相対論的強度のレーザーによるナノメートル厚ターゲットlarge-area suspended grapheneを用いたイオン加速2021
Author(s)
南 卓海, 廖 育資, 境健太郎, 西本貴博, 安部勇輝, 桐山博光, 近藤康太郎, 有川安信, 余語覚文, 坂和洋一, Alessio Morace, 江頭俊輔, 太田雅人, 浅井孝文, 神野智史, 金崎真聡, 福田祐仁, 羽原英明, 温 偉源, 蔵満康浩
Organizer
第38回 プラズマ・核融合学会年会
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