Science and Verification of Multi-Staged Acceleration of Quasimonoenergetic Protons in Relativistic Plasmas

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H00668
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 蔵満 康浩 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (70456929) ; 金崎 真聡 神戸大学, 海事科学研究科, 准教授 (90767336) ; Pikuz Tatiana 大阪大学, 先導的学際研究機構, 特任准教授(常勤) (20619978) ; 坂和 洋一 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (70242881) ; 岸本 泰明 京都大学, エネルギー科学研究科, 名誉教授 (10344441)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 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

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、プラズマミラーを用いてプレパルスを2桁低減させた大型レーザー実験を実施した。(I-2)クラスターサイズ分布のコントロールでは、前年度にクラスター密度の増大を確認したノズル開口角度5°のノズルを用いた大型レーザー実験を実施し、レーザーのクラスターへのヒット率が約5-10倍に増大したことを確認した。(II-1)高感度磁場計測装置開発では、偏光カメラを用いた計測装置を新たに製作して大型レーザー実験に導入した。その結果、クラスターから発生した第二高調波の偏光面がプラズマ中に発生した磁場によって回転している様子を捉えることに世界で初めて成功した。(II-2)大型レーザー実験にイオン-電子同時計測装置を導入したが、電子のシグナルが弱く、改良の必要があることが判明した。(II-3)大型レーザー実験に開発したリアルタイム型検出器を導入し、数十MeV陽子線に由来するシグナルの初観測に成功した。また、これをベースにしたマルチピクセル型検出器の開発に着手した。(II-4)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、プラズマミラー導入の効果を画像として視覚的に捉えることに世界で初めて成功した。(II-5)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、プラズマミラーの効果を捉えることに世界で初めて成功した。(III)プラズマミラーを用いた大型レーザー実験を実施し、プラズマミラー導入の効果を世界で初めて捉えることに成功するとともに、数十MeV級陽子線エネルギー発生を確認した。(IV)大型計算機シミュレーションでは、これまで見出されていなかった新たな加速メカニズムによって、MeV級準単色陽子線が発生していることを示唆する結果を得るとともに、実験と理論との不一致を生じさせる主要因を突き止めた。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ELI-NP, IFIN-HH(ルーマニア)
  • Country Name: ROMANIA
  • Counterpart Institution: ELI-NP, IFIN-HH
• [Int'l Joint Research] National Central University, Taiwan(その他の国・地域)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: National Central University, Taiwan
• [Journal Article] Measurement Method for Laser-Accelerated Multi-hundred-MeV Protons Utilizing Multiple Coulomb Scattering in an Emulsion Cloud Chamber (2023)
  • Author(s): T. Asai, C. Inoue, S.Jinno, N. Kitagawa, S. Kodaira, K. Morishima, Y. Fukuda, T. Yamauchi, and M. Kanasaki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Pages: 016506-1-6
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acac59
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laser-driven multi-MeV high-purity proton acceleration via anisotropic ambipolar expansion of micron-scale hydrogen clusters (2022)
  • Author(s): S. Jinno, M. Kanasaki, T. Asai, R. Matsui, A. S. Pirozhkov, K. Ogura, A. Sagisaka, Y. Miyasaka, N. Nakanii, M. Kando, N. Kitagawa, K. Morishima, S. Kodaira, Y. Kishimoto, T. Yamauchi, M. Uesaka, H. Kiriyama, and Y. Fukuda
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Pages: 16753-1-9
  • DOI: 10.1038/s41598-022-18710-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mass-resolved ion measurement by particle counting analysis for characterizing relativistic ion beams driven by lasers (2022)
  • Author(s): T. Minami, A. Tokiyasu, H. Kohri, Y. Abe, K. Iwasaki, T. Taguchi, K. Oda, S. Suzuki, T. Asai, S. Tanaka, S. Isayama, M. Kanasaki, S. Kodaira, Y. Fukuda, and Y. Kuramitsu
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 93 Pages: 113530-1-5
  • DOI: 10.1063/5.0101872
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A multi-stage scintillation counter for GeV-scale multi-species ion spectroscopy in laser-driven particle acceleration experiments (2022)
  • Author(s): Y. Abe, H. Kohri, A. Tokiyasu, T. Minami, H. Iwasaki, T. Taguchi, T. Asai, M. Kanasaki, S. Kodaira, S. Fujioka, Y. Kuramitsu, and Y. Fukuda
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 93 Pages: 063502-1-8
  • DOI: 10.1063/5.0078817
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 水素クラスターを用いたレーザー駆動高純度陽子加速-「光速」に近いGeV級イオンビーム発生に向けて- (2022)
  • Author(s): 福田祐仁
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 50 Pages: 371-376
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 原子核乾板を利用した高エネルギーレーザー加速陽子線計測手法の230MeV加速器陽子線に対する実証実験 (2022)
  • Author(s): 浅井孝文, 井上千裕, 神野智史, 北川暢子, 小平 聡, 森島邦博, 福田祐仁, 山内知也, 金崎真聡
  • Journal Title: ESI-NEWS Volume: 40 Pages: 95-102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 多段シンチレータを用いた多核種GeV イオン計測器の開発-レーザーイオン加速実験における活用とその展望- (2022)
  • Author(s): 南 卓海, 時安敦史, 郡 英輝, 安部勇輝, 岩崎 滉, 田口智也, 小田和昌, 鈴木蒼一郎, 浅井孝文, 境 健太郎, 姫野公輔, 田中周太, 諌山翔伍, 金崎真聡, 小平 聡, 福田祐仁, 蔵満康浩
  • Journal Title: ESI-NEWS Volume: 40 Pages: 71-79
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高強度レーザーとサブミクロンサイズのクラスターターゲットとの相互作用による数百テスラ級自己生成磁場計測 (2023)
  • Author(s): 浅井孝文, 神野智史, Ryazantsev Sergey, Pikuz Tatiana, 山内知也, 金崎真聡, 福田祐仁
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [Presentation] 相対論的領域での高強度レーザーとクラスターターゲットとの相互作用による第二次高調波発生とその偏光測定 (2023)
  • Author(s): 浅井孝文, 井上千裕, 豊永啓太, 神野智史, Sergey Ryazantsev, Tatiana Pikuz, 山内知也, 金崎真聡, 福田祐仁
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 深層学習を用いた固体飛跡検出器解析 (2023)
  • Author(s): 田口智也, 浅井孝文, 二階堂颯佳, 南卓海, 境健太郎, 金崎真聡, 小平聡, 福田祐仁, 蔵満康浩
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 超高強度レーザーによるトムソン散乱の空間分解分光計測 (2023)
  • Author(s): 姫野公輔, 田中周太, 福田祐仁, 浅井孝文, 郡英輝, 境健太郎, 岩崎滉, 田口智也, 南卓海, 小田和昌, 鈴木蒼一郎, T. Pikuz, 近藤康太郎, 桐山博光, 金崎真聡, 時安敦史, 安部勇輝, 蔵満康浩
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 蛍光飛跡検出器によるイオン計測における解析工程の機械学習を用いた自動化 (2023)
  • Author(s): 二階堂颯佳, 境健太郎, 田口智也, 南卓海, 福田祐仁, 小平聡, 楠本多聞, 蔵満康浩
  • Organizer: 第35回固体飛跡検出器研究会
• [Presentation] 高強度レーザーとクラスターターゲットとの相互作用による第二次高調波発生とその偏光測定 (2023)
  • Author(s): 浅井孝文, 井上千裕, 豊永啓太, 神野智史, Sergey Ryazantsev, Tatiana Pikuz, 桐山博光, 山内知也, 金崎真聡, 福田祐仁
  • Organizer: 第35回固体飛跡検出器研究会
• [Presentation] Particle-in-Cell シミュレーションによるJ-KAREN-P 実験の再現と今後の展望 (2023)
  • Author(s): 井上千裕, 浅井孝文, 山内知也、金崎真聡, 福田祐仁
  • Organizer: 第35回固体飛跡検出器研究会
• [Presentation] 固体飛跡検出器 CR-39 によるレーザー加速高エネルギー陽子線のエネルギースペクトル計測 (2023)
  • Author(s): 尾崎玲於奈, 浅井孝文, 鍛治賢志, 井上千裕, 望月政一郎, 豊永啓太, 前川馨, 山内知也, 福田祐仁, 金崎真聡
  • Organizer: 第35回固体飛跡検出器研究会
• [Presentation] 高強度レーザーと水素クラスターの相互作用におけるレーザープレパルスが陽子線加速に及ぼす影響 (2023)
  • Author(s): 前川馨, 浅井孝文, 鍛治賢志, 井上千裕, 望月政一郎, 尾崎玲於奈, 豊永啓太, 山内知也, 福田祐仁, 金崎真聡
  • Organizer: 第35回固体飛跡検出器研究会
• [Presentation] 高強度レーザーと水素クラスターの相互作用領域から発生する第二高調波のイメージング (2023)
  • Author(s): 豊永啓太, 浅井孝文, 井上千裕, 鍛治賢志, 望月政一郎, 尾崎玲於奈, 前川馨, 山内知也, 金崎真聡, 福田祐仁
  • Organizer: 第35回固体飛跡検出器研究会
• [Presentation] 2022 年に高強度レーザー J-KAREN-P で行われたイオン加速実験の概要 (2023)
  • Author(s): 金崎真聡, 浅井孝文, 鍛治賢志, 田邉寛之, 井上千裕, 望月政一郎, 尾崎玲於奈, 豊永啓太, 前川馨, Sergey Ryazantsev, Tatiana Pikuz, 桐山博光, 山内知也, 福田祐仁
  • Organizer: 第35回固体飛跡検出器研究会
• [Presentation] マイクロメートルスケール水素クラスターの非等方両極性膨張によるmulti-MeV高純度陽子加速 (2022)
  • Author(s): 福田祐仁, 神野智史, 金崎真総, 浅井孝文, 松井隆太郎, アレキサンダー ピロシコフ, 小倉浩一, 匂坂明人, 宮坂泰弘, 中新信彦, 神門正城, 北川暢子, 森島邦博, 小平聡, 岸本泰明, 山内知也, 上坂充, 桐山博光
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 水素クラスターターゲットと高強度レーザーとの相互作用による準単色multi-MeV陽子線の繰り返し発生 (2022)
  • Author(s): 浅井孝文, 鍛治賢志, 田邉寛之, 井上千裕, 望月政一郎, 南卓海, 境健太郎, 姫野公輔, 田口智也, 小田和昌, 鈴木蒼一朗, 安倍勇輝, 郡英輝, 時安敦史, 田中周太, Tatiana Pikuz, 小平聡, 今亮, Kai Huang, 中新信彦, 近藤康太郎, 神門正城, 真柴雄司, 宮坂泰弘, 小倉浩一, 匂坂明人, 桐山博光, 山内知也, 蔵満康浩, 金崎真聡, 福田祐仁 他2名
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] アルゴンクラスターのクーロン爆発電場による背景ガスプロトンの加速 (2022)
  • Author(s): 井上千裕, 浅井孝文, 鍛治賢志, 田邉寛之, 望月政一郎, 南卓海, 境健太郎, 姫野公輔, 田口智也, 小田和昌, 鈴木蒼一朗, 安倍勇輝, 郡英輝, 時安敦史, 田中周太, Tatiana Pikuz, 小平聡, 今亮, Kai Huang, 中新信彦, 近藤康太郎, 神門正城, 真柴雄司, 宮坂泰弘, 小倉浩一, 匂坂明人, 桐山博光, 山内知也, 蔵満康浩, 金崎真聡, 福田祐仁 他2名
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] CR-39(TechnoTrak)に対する陽子及び重陽子の応答特性 (2022)
  • Author(s): 望月政一郎, 浅井孝文, 鍛治賢志, 田邉寛之, 井上千裕, 山内知也, 福田祐仁, 金崎真聡
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] レーザー駆動イオン加速用クラスターターゲットのサイズ評価 (2022)
  • Author(s): 鍛治賢志, 浅井孝文, 神野智史, 山内知也, 福田祐仁, 金崎真聡
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] クラスターターゲットと高強度レーザーの相互作用によるMeV級イオンの繰り返し発生 (2022)
  • Author(s): 金崎真聡, 浅井孝文, 鍛治賢志, 田邉寛之, 井上千裕, 望月政一郎, 南卓海, 境健太郎, 姫野公輔, 田口智也, 小田和昌, 鈴木蒼一郎, 安部勇輝, 郡英輝, 時安敦史, タチアナ ピクズ, 今亮, 黄開, 中新信彦, 近藤康太郎, 神門正城, 眞柴雄司, 宮坂泰弘, 小倉浩一, 匂坂明人, 桐山博光, 蔵満康浩, 福田祐仁 他4名
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 蛍光飛跡検出器を用いたレーザー駆動イオンの計測と電磁場計測への応用 (2022)
  • Author(s): 二階堂颯佳, 境健太郎, 田口智也, 南卓海, 江頭俊介, 福田祐仁, 小平聡, 蔵満康浩
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 多層シンチレーション検出器を用いた単一粒子計数法によるGeV 級イオンの質量分解エネルギー計測法の開発 (2022)
  • Author(s): 小田和昌, 南卓海, 時安敦史, 郡英輝, 安部勇輝, 岩崎滉, 田口智也, 浅井孝文, 金崎真聡, 小平聡, 田中周太, 福田祐仁, 蔵満康浩
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] レーザー航跡場加速による相対論的プロトン生成~J-KAREN-Pレーザーでの実証に向けて~ (2022)
  • Author(s): 諌山翔伍, 蔵満康浩, 南卓海, 福田祐仁, 陳仕宏, 温偉源
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Magnetic field measurement in near critical density plasmas created via interaction of micron-scale cluster targets with PW-class laser pulses (2022)
  • Author(s): Yuji Fukuda
  • Organizer: 7th Workshop on Magnetic Fields in Laboratory High Energy Density Plasmas
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quasimonoenergetic proton acceleration via interaction of micron-scale hydrogen cluster targets with PW-class laser pulses (2022)
  • Author(s): Yuji Fukuda
  • Organizer: The 19th International Symposium on Ultrafast Intense Laser Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Identification of azimuthal magnetic fields in laser plasmas by using the Faraday effect of the second harmonic generated from laser-cluster interactions (2022)
  • Author(s): Takafumi Asai, Satoshi Jinno, Sergey Ryazantsev, Tatiana Pikuz, Tomoya Yamauchi, Msasato Kanasaki, Yuji Fukuda
  • Organizer: 19th International Symposium on Ultrafast Intense Laser Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A scintillator pixel array for real-time spectroscopy of GeV-scale and multi-species ions produced in laser-plasma experiments (2022)
  • Author(s): Takumi Minami, Yuki Abe, Kou Iwasaki, Tomoya Taguchi, Kazumasa Oda, Soichiro Suzuki, Takafumi Asai, Shuta Tanaka, Masato Kanasaki, Satoshi Kodaira, Yuji Fukuda, Atsushi Tokiyasu, Hideki Kohri, Yasuhiro Kuramitsu
  • Organizer: High Temperature Plasma Diagnostics Conference 2022
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 量子科学技術研究開発機構 関西光量子科学研究所 光量子ビーム科学研究部
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/kansai-dapr/alsg.html