2022 Fiscal Year Final Research Report

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

Research Project

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Project/Area Number	19H00668
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
Research Institution	National Institutes for Quantum Science and Technology
Principal Investigator	Fukuda Yuji 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) 神野智史東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80596924)
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 Final Research Achievements	We have demonstrated 25-35 MeV quasimonoenergetic proton generation by introducing a plasma mirror and modifying the nozzle shape. By setting up a dedicated workstation, we have been able to clarify the major causes of discrepancies between experiments and simulations and obtain clear guidelines for the quasimonoenergetic 300 MeV proton beam acceleration. We also have obtained results indicating that the quasimonoenergetic proton beams observed in the experiment are generated by a new acceleration mechanism. In the development of the magnetic field measurement system, we have succeeded in measuring the magnetic field in plasmas by using a wavefront sensor. In Thomson scattering imaging spectroscopy and X-ray spectroscopy, we have obtained results suggesting the generation of magnetic fields in plasmas, and succeeded in visualizing the effect of the plasma mirror.
Free Research Field	レーザープラズマ物理
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	レーザーイオン加速において、100％陽子のみの高純度陽子線加速を繰り返し実現可能なのは、本研究で追求している水素クラスターなど水素のみで構成されたターゲットを用いる手法以外に選択肢はない。本研究により、実験とシミュレーションとの相違をもたらす原因が明らかとなったため、100 MeVを越える高純度陽子線加速のための明確な指針が得られた。また、プラズマ中の磁場を計測する手法の開発に成功したため、磁場がイオン加速に与える影響について調べることが可能になった。これら成果をもとに、今後、陽子を光速近くギガ電子ボルトを超える「相対論的陽子」にまで加速する新たな手法の開発を視野に入れた研究を推進する。