レーザー駆動電子雲の高時間分解計測とその集団ダイナミクスの解明

• 研究課題/領域番号: 22K14021
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分14010:プラズマ科学関連
• 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: 小島 完興 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部, 主任研究員 (40815156)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 高強度レーザー / イオン加速 / ビーム物理 / レーザー駆動イオン加速 / 電子雲 / 超高速計測

研究開始時の研究の概要

レーザー駆動イオン加速は高い加速勾配を持ち、その特徴から加速器の大幅な小型化が期待されている。レーザー駆動イオン加速では、レーザーが加速した電子雲が標的裏面に作る強力な分極電場によってイオンを加速する。これらの加速プロセスはわずか数ピコ秒で生じ、その速さ故に、これまでの研究では時間積算の実験結果が取得されてきた、
この研究では、最新のスペクトラルイメージング技術を応用して、レーザー駆動イオン加速を引き起こす電子雲の3次元的な膨張の超高速な動きの高時間分解計測に挑戦する。本課題はレーザー駆動イオン加速において“加速管”の役割を果たす電子雲膨張の高時間分解観測に取り組む画期的なものである。

研究成果の概要

スペクトルイメージング技術に基づき、電子雲の高時間分解計測技術を開発した。高強度レーザーを2分割し、イオン加速用のメインレーザーで生成された電子雲の影をプローブレーザーで測定した。その結果、電子雲はレーザー照射後わずか2psでターゲットの横方向に直径約150umまで急速に拡大した。その後、ナイフエッジを用いて、イオン加速に寄与する電子雲の面積を定量化した。その結果、ナイフエッジの立体角制限に制約されたエネルギーカットオフ近傍の高エネルギー陽子は、約25umの限られたソース領域（電子雲）からしか加速できないことが実証された。レーザー駆動イオンの良好なエミッタンスは小さなソースサイズに起因した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

レーザー駆動イオン加速の加速プロセスはわずか数ピコ秒で生じる。その速さ故に、これまでの研究では実験値は時間積算で取得され、加速プロセスの理解は時間分解したシミュレーションとの比較によって主に進められてきた。本研究では、近年発展したスペクトラルイメージング技術を用いてレーザー駆動イオン加速において加速管の役割を果たす電子雲膨張の高時間分解観測に取り組んだ。急速に膨張する電子雲を定量的に計測できるようになった。今後この計測技術を用いることでレーザー駆動イオン加速の安定性の向上に寄与する計画である。

研究成果

• [雑誌論文] Induction heating for desorption of surface contamination for high-repetition laser-driven carbon-ion acceleration (2023)
  • 著者名/発表者名: Sadaoki Kojima, Tatsuhiko Miyatake, Hironao Sakaki, Hiroyoshi Kuroki, Yusuke Shimizu, Hisanori Harada, Norihiro Inoue, Thanh Hung Dinh, Masayasu Hata, Noboru Hasegawa, Michiaki Mori, Masahiko Ishino, Mamiko Nishiuchi, Kotaro Kondo, Masaharu Nishikino, Masaki Kando, Toshiyuki Shirai, Kiminori Kondo
  • 雑誌名: Matter Radiat. Extremes 巻: 8 号: 5 ページ: 054002-054002
  • DOI: 10.1063/5.0153578
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Demonstration of a spherical plasma mirror for the counter-propagating kilojoule-class petawatt LFEX laser system (2022)
  • 著者名/発表者名: Kojima Sadaoki他
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 30 号: 24 ページ: 43491-43491
  • DOI: 10.1364/oe.475945
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 量子メスに向けたレーザー駆動大強度イオンバンチの全電荷量測定 (2024)
  • 著者名/発表者名: 小島 完興、榊 泰直、宮武 立彦、ヂン タンフン、石井 邦和、熊谷 嘉晃、近藤 公伯
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
• [学会発表] Induction heating for desorption of surface contamination for high-repetition laser-driven heavy-ion acceleration (2023)
  • 著者名/発表者名: Sadaoki Kojima, Tatsuhiko Miyatake, Hironao Sakaki, Hiroyoshi Kuroki, Yusuke Shimizu, Hisanori Harada, Norihiro Inoue, Thanh Hung Dinh, Masayasu Hata, Noboru Hasegawa, Michiaki Mori, Masahiko Ishino, Mamiko Nishiuchi, Kotaro Kondo, Masaharu Nishikino, Masaki Kando, Toshiyuki Shirai, Kiminori Kondo
  • 学会等名: Q-BASIS(Quantum Beam Application for Sciences and Industries 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー駆動重イオン加速のための誘導加熱による表面汚染の高速除去 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小島 完興、榊 泰直、宮武 立彦、ヂン タンフン、長谷川 登、石野 雅彦、 黒木 宏芳、清水 祐輔、原田 寿典、井上 典弘、 錦野 将元、神門 正城、白井 敏之、近藤 公伯
  • 学会等名: 第20回日本加速器学会年会
• [産業財産権] イオン発生装置、イオン発生方法、およびイオン発生用ターゲット (2023)
  • 発明者名: 小島完興、榊泰直、他6名
  • 権利者名: QST
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2023
  • 外国