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: レーザー駆動イオン加速 / 高強度レーザー / 電子雲 / 超高速計測 / ビーム物理

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。

研究実績の概要

レーザー駆動イオン加速は高い加速勾配および局所的なソースサイズを持つことから、短い加速長でエミッタンスの良いMeV級のイオンバンチが加速できることが知られている。レーザーを薄膜標的に照射した際、標的表面でレーザーによって加速された電子は標的を貫通し、裏面の真空領域へ飛び出し電子雲を形成する。この電子雲は標的裏面に強力な分極電場を生成しイオンを加速する。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。研究初年度である昨年度は高速で移動する電子雲を計測するために、スペクトラルイメージング技術を応用した電子雲の高時間分解計測技術を開発した。
研究最終年度である本年度は、開発した計測器を用いてレーザーを照射した際に標的裏面に生成される加速電場の領域（電子雲のサイズ）を実験的に測定した。5umの集光径のレーザーを標的に照射した際、標的裏面の電子雲サイズは20um程度までしか広がらないことが観測され、レーザー駆動イオンのエミッタンスの良さの理由が確認された。
実験結果は電磁粒子シミュレーションの結果と比較され、両者はよい一致を示した。合わせて近年、がんの重粒子線治療のために需要が高まっている炭素イオンの加速を行った。通常の加速では、標的薄膜に付着した水素の原子核の陽子が電荷質量比が大きいため優先的に加速され、炭素線を効率的に加速できない。本研究では誘導加熱を利用した表面汚染層のクリーニング方法を開発した。標的薄膜の一部は加熱開始後、わずか約100msで表面汚染層の除去に必要な400℃まで加熱されることが検証された。これにより10Hz以上の繰り返しで標的を交換した場合にも表面汚染層を除去することが可能となり、レーザー駆動による炭素線の高繰り返し加速を可能にした。

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