Boosting the energies of laser-driven ion beam by controlling the high density plasma through relativistic transparency

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21KK0049
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 西内 満美子 (高井満美子) 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 (70391315)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 劉 暢 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, 博士研究員 (20894629) ; 桐山 博光 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, グループリーダー (40354972) ; 今 亮 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, 主任技術員 (80725838)
• Project Period (FY): 2021-10-07 – 2026-03-31
• Keywords: 超高強度レーザー / イオン加速 / レーザーの時間波形制御 / 相対論的透過現象

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、超高強度レーザーによって生成された高密度相対論的プラズマを制御することで、高エネルギーイオン発生を制御することである。生成される相対論的高密度プラズマを相対論的透過現象を介して、制御可能な「光学的に透明なプラズマとの相互作用」に落とし込み、屈折率の制御により、プラズマを制御する。本研究の実施には、研究を行うのが最適かつ唯一無二のレーザーであるDraco-PWレーザー（ドイツのヘルムホルツ研究所（HZDR））及びKPSIのJ-KAREN-Pレーザーを用い、両者にて結果を再現することで信頼性の高いデータを取得する。
今年度は、Draco-PWレーザー、及び、J-KAREN-Pレーザーにおける共同実験を行なった。レーザーの時間波形はわずか数百フェムト秒の間に10桁近く急激に強度が変化するため、時間波形の微小な違いがプラズマのダイナミクスに大きな変化を引き起こす。この情報を得るため、レーザーに対してプラズマが相対論的透過になるタイミングの計測に挑戦した。
今年度前半においては、計測手法の確立をDraco-PWレーザーを用いて行い、今年度後半にて、その手法をJ-KAREN-Pレーザーに持ち込んで、実際を行い、厚みを変えたプラスチックターゲット（レーザーの進行方向に異なる密度を持つプラズマを生成することと等価）を用いたデータ取得を行った。
前年度と同様、実験がない時は、情報交換、データ解析の議論、次回実験のプラニングなどを、HZDRの研究者と共にウェブ形式での会議を2週間に一度のペースで定期的に行なった。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

相対論的透過の時刻を計測する手法に関して、その手法自体の確立を行うことと、データの取得（原理実証）までこぎつけることとは、技術的にかなり大きな乖離がある。
本手法では、プラズマを透過後の光と、リファレンス光を干渉させる計測系を構築する必要があり、ビームの引き回しの光路が長いため（~5m）チェンバーを含む導光路における振動成分などがどれほど影響するのかというシビアな問題もあったため、今年度中にデータの取得までこぎつけるのは困難であると考えていた。
しかし、プラスチックターゲットに関して、プラズマミラーありの時間波形を用いた条件の、データの取得に成功したこと、さらに、プラスチックターゲットだけならず、金属のターゲットに関しても、相対論的透過現象が起こる時刻に関するデータの一部が取得できたことは非常に大きな前進と言える。

Strategy for Future Research Activity

１）Draco-PWレーザーにおいても同様のデータ取得を行うことをR5年度以降に進め、データの信頼性を上げること、かつ、データの統計をためる。
２）R4年度に取得できたデータの解析を進めるとともに、Particle-In-Cell(PIC) シミュレーションを行い、シミュレーションにより実験結果を再現することを試みる。また、実験結果が再現できたならば、そのシミュレーション結果を詳細に調べることで、いつの時点でプラズマが相対論的透過な状況になったのか、さらにその際、支配的なイオンの加速メカニズムはなにかを決定する。
３）できるだけプラズマが相対論的透過な状況になるのを遅らせ、レーザーの放射圧で加速電場を形成しているイオン群を推し続ける時間が長くなり、結果としてイオンの加速エネルギーが上がる条件（レーザーの時間波形・及びターゲットの密度）を見出す。
４）実験にて、３）で得られた条件を再現することを試みる。

Causes of Carryover

当初、今年度旅費に充てる予定であった金額の使用金額が減額した理由は、HZDRにおけるDraco-PWマシンタイムの時間がマシントラブルによって減ったためである。Draco-PWでの実験では、プラズマの相対論的透過が起こる時刻を計測する計測手法の確立のみ行い、J-KARENレーザー(@関西研)において、メインの実験を行ったため、旅費の使用額が減った。その分は次年度以降にDraco-PWにて実験を行うために使用する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Helmholtz Zentrum Dresden Russerdorf(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Helmholtz Zentrum Dresden Russerdorf
• [Int'l Joint Research] Imperial College London(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Imperial College London
• [Journal Article] Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities (2023)
  • Author(s): N.P. Dover, T.Ziegler, S.Assenbaum, C. Bernert, S.Bock, F-E. Brack, T. E. Cowan, E. J. Ditter, M. Garten, L. Gaus, I. Goethel, G. S. Hicks, H. Kiriyama, T. Kluge, J. K. Koga, A. Kon, K. Kondo, ... M. E. P. Umlandt, U. Schramm, K.Zeil, and M. Nishiuchi
  • Journal Title: Light: Science and Applications Volume: 12 Pages: 71
  • DOI: 10.1038/s41377-023-01083-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spectral-temporal Measurement Capabilities of Third-order Correlators (2023)
  • Author(s): S. Bock, T. Oksenhandler, T. Puschel, R. Gebardt, R. Pausch, T. Ziegler, C. Bermert, L. Zeil, A. Irman, T. Toncham, H. Kiriyama, M. Nishiuchi,, A. Kon, U. Schramm
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Pages: 9923-9934
  • DOI: 10.1364/OE.475575
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of the plasma mirror system at the J-KAREN-P facility (2022)
  • Author(s): Akira Kon, Mamiko Nishiuchi, Yuji Fukuda, Kotaro Kondo, Koichi Ogura, Akito Sagisaka, Yasuhiro Miyasaka, Nicholas P. Dover, Masaki Kando, Alexander S. Pirozhkov, Izuru Daito, Liu Chang, Il Woo Choi, Chang Hee Nam, Tim Ziegler, Hans-Peter Schlenvoigt, Karl Zeil, Ulrich Schramm, and Hiromitsu Kiriyama
  • Journal Title: High Power Laser Science and Engineering Volume: 10 Pages: 25
  • DOI: 10.1017/hpl.2022.15
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities (2023)
  • Author(s): M. Nishiuchi et al.,
  • Organizer: 第29回 FELとHigh Power radiation 研究会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Enhancement of ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultra-intense laser facilities (2023)
  • Author(s): M. Nishiuchi et al.,
  • Organizer: 2023 Laser Plasma Accelerator Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Highly charged energetic ion beam from high temperature high density plasma produced by temporally controlled short-pulse high inｚtensity lasers (2022)
  • Author(s): M. Nishiuchi et al.,
  • Organizer: US-Japan Joint Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Highly ionized heavy ion acceleration via ultra-relativistic high fields with PW lasers (2022)
  • Author(s): M. Nishiuchi et al.,
  • Organizer: The 9th International Conference on Ulitra-High Intensity Lasers (ICUIL2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Highly ionized heavy ion acceleration via ultra-relativistic high fields with PW laser systems (2022)
  • Author(s): M. Nishiuchi et al.,
  • Organizer: Laser Plasma Accelerator and GSI joint seminar
  • Int'l Joint Research / Invited