レーザー時間・空間位相制御による超高強度加速電場の時間・空間強度の制御

• 研究課題/領域番号: 16K05506
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 原子・分子・量子エレクトロニクス
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 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(定常) (70391315)
• 研究分担者: 榊 泰直 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(定常) (00354746)
• 研究期間 (年度): 2016-10-21 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2018年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2017年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2016年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 超高強度レーザー / 位相制御 / レーザー駆動イオン加速 / 時間位相 / 波面 / ビーム物理 / レーザー加速イオンビーム

研究成果の概要

関西研のJ-KARENレーザーシステムからの超高強度短パルス高コントラストレーザーパルスの時間波形を、AOPDFを用いることで積極的に制御し、銀の薄膜ターゲットとの相互作用の物理がいかに変化するか調査した。加速された電子のスペクトル、イオンのエネルギー・価数、ターゲットからのレーザーの反射光、透過光のパターン・スペクトルを計測することで、メインパルスの立ち上がり成分がシャープすぎると、ターゲット内部からの重イオンの加速には不利であり、ある程度適切な傾きの立ち上がりが、ターゲットを超高温に熱し、その結果生成される多価電離された銀のイオンが加速されるために必要不可欠であることがわかった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

既存の加速器からのイオンビームとは違う特徴を持つレーザー駆動重イオンビームは、いろいろな応用先が提案されているものの、研究は軽イオンについては進んでいるが重イオンに関してはほぼ進んでない状況である。その様な中、この研究では、その難しさ故に誰も挑戦してこなかった、超高強度レーザーの時間波形、位相を積極的に制御することで、どうすれば、重イオンを効率的に加速することができるか、という条件を明らかにするとともに、2GeV以上の高エネルギーに加速することに成功した。本研究結果により、レーザー駆動重イオンビームの他分野への応用への道がさらに近づいたといえる。

研究成果

• [国際共同研究] Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf(ドイツ)
• [国際共同研究] Imperial College London(英国)
• [国際共同研究] Joint Institute for High Temperatures(ロシア連邦)
• [国際共同研究] Helmholtz Zentrum Dresden Russendorf(ドイツ)
• [国際共同研究] Imperial College London(英国)
• [国際共同研究] Joint Institute for High Temperatures(ロシア連邦)
• [雑誌論文] Effect of small Focus on Electron Heating and Proton Acceleration in Ultrarelativistic Laser-Solid Interactions (2020)
  • 著者名/発表者名: N.P. Dover, M. Nishiuchi, H. Sakaki, M. Alkhimova, A. FaenovA,M.Hata , M. Hata, N. Iwata, H. Kiriyama, J.K. Koga, T. Miyahara, T.Pikuz, A. Pirozhkov, A. Sagisaka, Y. Sentoku, Y. Watanabe, M. Kando, K. Kondo
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 124 号: 8 ページ: 084802-084802
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.084802
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental investigation on the temporal contrast of pre-pulses by post-pulses in a petawatt laser facility (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiromitsu Kiriyama, Yasuhiro Miyasaka, Akito Sagisaka, Koichi Ogura, Mamiko Nishiuchi, Alexander S. Pirozhkov, Yuji Fukuda, Masaki Kando, and Kiminori Kondo
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 45 号: 5 ページ: 1100-1103
  • DOI: 10.1364/ol.384759
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-contrast high-intensity repetitive petawatt laser (2018)
  • 著者名/発表者名: 桐山 博光, ピロジコフ アレキサンダー, 西内 満美子, 福田 祐仁, 小倉 浩一, 匂坂 明人, 宮坂 泰弘, 森 道昭, 榊 泰直, ドーバー ニコラス ピーター, 近藤 康太郎, コーガ ジェームズ, エシロケポフ ティムル, 神門 正城, 近藤 公伯
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 43 号: 11 ページ: 2595-2598
  • DOI: 10.1364/ol.43.002595
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The J-KAREN-P Facility Laser Performance Status (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiromitsu KIRIYAMA, Mamiko NISHIUCHI, Alexander S. PIROZHKOV, Yuji FUKUDA, Hironao SAKAKI, Akito SAGISAKA, Nicholas P. DOVER, Kotaro KONDO, Koichi OGURA, Michiaki MORI, Yasuhiro MIYASAKA, Nobuhiko NAKANII, Kai HUANG, James K. KOGA, Timur Zh. ESIRKEPOV, Masaki KANDO, and Kiminori KONDO
  • 雑誌名: The review of Laser Engineering 巻: 46 ページ: 134-137
  • NAID: 130007957821
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ion Acceleration Experiment with the High Intensity, High Contrast J-KAREN-P Laser System (2018)
  • 著者名/発表者名: Mamiko NISHIUCHI, Hiromitsu KIRIYAMA, Hironao SAKAKI, Nicholas P. DOVER, Kotaro KONDO, Takumi MIYAHARA, James K. KOGA, Alexander S. PIROZHKOV, Akito AGISAKA, Yuji FUKUDA, Koichi OGURA, Yukinobu WATANABE, Masaki KANDO, and Kiminori KONDO
  • 雑誌名: The review of Laser Engineering 巻: 46 ページ: 145-147
  • NAID: 130007957819
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of Carbon-Ion Radiotherapy Facilities at NIRS (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Iwata, Takashi Fujita, Tetsuya Fujimoto, Takuji Furukawa, Yousuke Hara, Kiminori Kondo,Kota Mizushima, Takeshi Murakami, Masayuki Muramatsu, Mamiko Nishiuchi, Estuo Noda, Koji Noda,Hironao Sakaki, Naoya Saotome, Yuichi Saraya, Shinji Sato, Toshiyuki Shirai, and Ryohei Tansho
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY 巻: 28
  • 査読あり
• [雑誌論文] High resolution X-ray spectra of stainless steel foils irradiated by femtosecond laser pulses with ultra-relativistic intensities (2017)
  • 著者名/発表者名: Alkhimova M. A.、Faenov A. Ya.、Skobelev I. Yu.、Pikuz T. A.、Nishiuchi M.、Sakaki H.、Pirozhkov A. S.、Sagisaka A.、Dover N. P.、Kondo Ko.、Ogura K.、Fukuda Y.、Kiriyama H.、Nishitani K.、Miyahara T.、Watanabe Y.、Pikuz S. A.、Kando M.、Kodama R.、Kondo K.
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 25 号: 23 ページ: 29501-29511
  • DOI: 10.1364/oe.25.029501
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High contrast high intensity petawatt J-KAREN-P laser facility at QST (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiuchi, H. Kiriyama, H. Sakaki, N. P. Dover, K. Kondo, A. S. Pirozhkov, A. Sagisaka, Y. Fukuda, K. Nishitani, T. Miyahara, K. Ogura, M. A. Alkhimova, T. A. Pikuz, A. Y. Faenov, Y. Watanabe, J. Koga, S. V. Bulanov, M. Kando, K. Kondo
  • 雑誌名: SPIE proceedings 巻: 102410N-1 ページ: 102410N-102410N
  • DOI: 10.1117/12.2271172
  • 査読あり
• [雑誌論文] Scintillator-based transverse proton beam profiler for laser-plasma ion sources (2017)
  • 著者名/発表者名: N. P. Dover, M. Nishiuchi, H. Sakaki, M. A. Alkhimova, A. Ya. Faenov, Y. Fukuda, H. Kiriyama, A. Kon, K. Kondo, K. Nishitani, K. Ogura, T. A. Pikuz, A. S. Pirozhkov, A. Sagisaka, M. Kando, and K. Kondo
  • 雑誌名: Review of Scientific instruments 巻: 88
  • 査読あり
• [学会発表] 加速されたイオンの価数で探る超高強度レーザーによる重イオン加速メカニズム (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiuchi, N.P. Dover, M. Hata, etal.
  • 学会等名: 第三回理研QST研究会 2020/02/13-14 伊勢・三重
  • 招待講演
• [学会発表] 加速されたイオンの価数で探る超高強度レーザーによる重イオン加速メカニズム (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiuchi, N.P. Dover, M. Hata, etal.
  • 学会等名: ELPH symposium 2020 2020/03/06 東北大学
  • 招待講演
• [学会発表] イオン価数による超高強度短パルスレーザー生成高温度高密度プラズマ中ダイナミクスの研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiuchi, N.P. Dover, M. Hata, etal.
  • 学会等名: 2020/JPS meeting 2020/03/16-19 名古屋大学
• [学会発表] Highly charged heavy ion acceleration from a high temperature solid heated by J-KAREN laser system (2019)
  • 著者名/発表者名: 西内 満美子, NicholasPeter Dover, 畑昌育, Hironao Sakaki, Kotaro Kondo, 宮原巧, Hiromitsu Kiriyama, James Kevin Koga, 岩田夏弥, MARIYA, Alkhimova, Alexander Pirozhkov, FAENOV, Anatory, PIKUZ, Tatiana, Akito Sagisaka, Yukinobu Watanabe, Masaki Kando, Kiminori Kondo, Sentoku Yasuhiko
  • 学会等名: laser-Plasma Accelerator Workshop 2019, Lpaw community & HZDR, 2019-05-06
  • 国際学会
• [学会発表] ion acceleration and recent results with the J-KAREN-P (>5x1021 W/cm2) (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiuchi, N.P. Dover, M. Hata, H. Sakaki, Ko. Kondo, T. Miyahara, 7, H. Kiriyama, J. K. Koga, N. Iwata, M. A. Alkhimova, A. S. Pirozhkov, A. Ya. Faenov, T. A.Pikuz, A. Sagisaka, Y. Watanabe, M. Kando, K. Kondo, Y. Sentoku
  • 学会等名: Optics + Optoelectronics 2019 SPIE conference 1-4th Apr. (2019) Prague Chez Republic.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Extreme electric fields extracting highly charged heavy ions by PW-class short pulse high intensity laser (2019)
  • 著者名/発表者名: M.Nishiuchi N.P. Dover, M. Hata, H. Sakaki, Ko. Kondo, T. Miyahara, 7, H. Kiriyama, J. K. Koga, N. Iwata, M. A. Alkhimova, A. S. Pirozhkov, A. Ya. Faenov, T. A.Pikuz, A. Sagisaka, Y. Watanabe, M. Kando, K. Kondo, Y. Sentoku
  • 学会等名: International Confernece on Matter and Radiation Extreme 29th May--2nd June (2019) Hefei, China.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Investigation of the energy transfer in the extreme high density high electron temperature plasma, energy transport, radiation and atomic-processes: laser-driven ion source (2019)
  • 著者名/発表者名: 西内 満美子
  • 学会等名: Japan-US Symposium on “Perspective of High Energy Density Science and Technology by High Power Lasers”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超高強度短パルスレーザーで生成する極端環境 ：極高強度場におけるプラズマ・核物理研究の可能性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西内 満美子
  • 学会等名: 第74回日本物理学会年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Extreme plasma as an ion source produced by high intensity laser pulses interaction with solid density targets (2019)
  • 著者名/発表者名: 西内 満美子, 榊 泰直, 桐山 博光, ドーバー ニコラス ピーター, コーガ ジェームズ, 近藤 康太郎, 渡辺 幸信, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田 夏弥, 千徳 靖彦
  • 学会等名: 54th ASRC International Workshop Sakura-2019 "Nuclear Fission and Structure of Exotic Nuclei "
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experimental investigation of sheath-driven proton beam parameters in the ultra-short pulse, ultra-high intensity regime (2019)
  • 著者名/発表者名: ドーバー ニコラス ピーター, Mamiko Nishiuchi, James Kevin Koga, Hironao Sakaki, Kotaro Kondo, Hiromitsu Kiriyama, Koichi Ogura, Alexander Pirozhkov, Akito Sagisaka, Masaki Kando, Kiminori Kondo
  • 学会等名: 第74回日本物理学会年次大会
• [学会発表] レーザー駆動イオン加速実験における CW レーザーによる標的表面の洗浄効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤 康太郎, 西内 満美子, 榊 泰直, ドーバー ニコラス ピーター, ロウ ヘーゼル フランシス, 宮原 巧, 渡辺 幸信, ティグラー ティム, ツアイル カール, シュラム ウーリ, ディータ エマ, ヒッグス ジョージ, エッティンガー オリバー, ナジュムディン ゾフカ, 桐山 博光, 神門 正城, 近藤 公伯
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回年次大会
• [学会発表] 輝尽性蛍光体検出器によるレーザー駆動イオン弁別手法の精度向上 (2019)
  • 著者名/発表者名: 榊 泰直, 榊, 宮原 巧, 塩川 桂一郎, 岩田 佳之, 近藤 康太郎, 真鍋 征也, 渡辺 幸信, 西内 満美子, ドーバー ニコラス ピーター, ロウ ヘーゼル フランシス, 神門 正城, 近藤 公伯
  • 学会等名: 第74回 日本物理学会年会
• [学会発表] 超高強度・高コントラストPW級レーザーJ-KAREN-Pシステムによる重イオン加速メカニズム (2019)
  • 著者名/発表者名: 西内 満美子, 榊 泰直, 桐山 博光, ドーバー ニコラス ピーター, コーガ ジェームズ, 近藤 康太郎, 渡辺 幸信, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田 夏弥, 千徳 靖彦, HazelFrances Lowe, Akira Kon, Tim Ziegler, Karl Zeil, Ulrich Schramm, Emma Ditter, Geroge Hicks, Oliver Ettlinger, Z. Njumudin
  • 学会等名: 第74回 日本物理学会年会
• [学会発表] 超高強度光電磁場と物質との相互作用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西内 満美子, 榊 泰直
  • 学会等名: 第15回ＡＭＯ討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Measurement of the sheath field strength by the charge state of heavy ions as a probe (2018)
  • 著者名/発表者名: 西内 満美子, ドーバー ニコラス ピーター, 榊 泰直, 近藤 康太郎, 桐山 博光, 渡辺 幸信, コーガ ジェームズ, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田なつみ, 千徳 靖彦
  • 学会等名: OPIC2018(HEDS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ion acceleration experiments with high contrast high intensity laser system “J-KAREN-P” -- Extremely strong quasi-static electric field--- (2018)
  • 著者名/発表者名: 西内 満美子, 榊 泰直, 桐山 博光, ドーバー ニコラス ピーター, コーガ ジェームズ, 近藤 康太郎, 渡辺 幸信, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田 夏弥, 千徳 靖彦
  • 学会等名: AAPPS-DPP
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laser Driven Ion Acceleration Research for the Heavy Ion Accelerator Development (2018)
  • 著者名/発表者名: 西内 満美子, 榊 泰直, 桐山 博光, ドーバー ニコラス ピーター, コーガ ジェームズ, 近藤 康太郎, 渡辺 幸信, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田 夏弥, 千徳 靖彦
  • 学会等名: 第2回QST国際シンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experimental investigation of electron heating and proton acceleration scaling to ultra-high intensity pulses (2018)
  • 著者名/発表者名: ドーバー ニコラス ピーター, James Kevin Koga, Mamiko Nishiuchi, Hironao Sakaki, Kotaro Kondo, Yuuji Fukuda, Hiromitsu Kiriyama, Takumi Miyahara, Keita Nishitani, Koichi Ogura, Alexander Pirozhkov, Akito Sagisaka, Masaki Kando, Kiminori Kondo
  • 学会等名: OPIC HEDS 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of the sheath field strength by the charge state of heavy ions as a probe (2018)
  • 著者名/発表者名: 西内 満美子, 榊 泰直, ドーバー ニコラス ピーター, 近藤 康太郎, 桐山 博光, コーガ ジェームズ, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田 なつみ, 千徳 靖彦
  • 学会等名: Nuclear Photonics 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 超高強度高コントラストレーザーJ-KAREN-Pシステムによるレーザープラズマ相互作用およびイオン加速 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西内満美子, 桐山博光, ピロジコフアレキサンダー, 榊泰直, ドーバーニコラス, 匂坂明人, 近藤康太郎, 福田祐仁, 小倉浩一, 西谷勁太, 宮原 巧, 渡辺幸信, マリアアルキモバ, ファエノフアナトリー, ピクツタチアナ, 神門正城, 近藤 公伯
  • 学会等名: 第72回 日本物理学年次大会 2017年
  • 発表場所: 大阪大学 (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-18
• [学会発表] Present status of the laser-driven particle acceleration experiments by the high intensity (1022 Wcm-2) high contrast (10-11) laser system J-KAREN-P (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiuchi, H. Kiriyama, H. Sakaki, A.Pirozhkov, Y. Fukuda, N.P. Dover, K. Kondo, K. Nishitani, T. Miyahara, Sagisaka, M. A. Alkhimova, T. Pikuz, Ya.Faenov,K.Ogura, T.Zh,Esirkepov, Y. Watanabe, J.K.Koga, S.V.Bulanov, M. Kando, and K. Kondo
  • 学会等名: High Energy Density Science 2017 Yokohama
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High Contrast High Intensity Petawatt J-KAREN-P Laser facility at QST (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiuchi, H. Kiriyama, H. Sakaki, A.Pirozhkov, Y. Fukuda, N.P. Dover, K. Kondo, K. Nishitani, T. Miyahara, Sagisaka, M. A. Alkhimova, T. Pikuz, Ya.Faenov,K.Ogura, T.Zh,Esirkepov, Y. Watanabe, J.K.Koga, S.V.Bulanov, M. Kando, and K. Kondo
  • 学会等名: SPIE Optics + Optoelectronics 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Particle Acceleration by the High intensity (～10^22W/cm2), High Contrast (<10-11), Repetitive (0.1 Hz) J-KAREN-P Laser (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiuchi, H. Kiriyama, H. Sakaki, A.Pirozhkov, Y. Fukuda, N.P. Dover, K. Kondo, K. Nishitani, T. Miyahara, Sagisaka, M. A. Alkhimova, T. Pikuz, Ya.Faenov,K.Ogura, T.Zh,Esirkepov, Y. Watanabe, J.K.Koga, S.V.Bulanov, M. Kando, and K. Kondo
  • 学会等名: The 25th International Conference on Advanced Laser Technologies ALT’17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laser-driven Heavy Ion Acceleration Research at KPSI @QST (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiuchi, H. Sakaki, N.P. Dover, Ko. Kondo, T. Miyahara, H.Kiriyama, A.S.Pirozhkov , A.Sagisaka, M. A. Alkhimova, T.Pikuz, A.Ya.Faenov, Y. Fukuda, K.Ogura, Y. Watanabe, J.K.Koga, N. Iwata, Y. Sentoku, M. Kando, and K. Kondo
  • 学会等名: Laser Congress 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超高強度短パルスレーザー駆動型イオン源 (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiuchi, H. Sakaki, N.P. Dover, Ko. Kondo, T. Miyahara, H.Kiriyama, A.S.Pirozhkov , A.Sagisaka, M. A. Alkhimova, T.Pikuz, A.Ya.Faenov, Y. Fukuda, K.Ogura, Y. Watanabe, J.K.Koga, N. Iwata, Y. Sentoku, M. Kando, and K. Kondo
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 招待講演