レーザー駆動イオン加速による高電離・短パルス重イオンビーム輸送ダイナミクスの解明

• 研究課題/領域番号: 22KJ2402
• 補助金の研究課題番号: 21J22132 (2021-2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2021-2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分31010:原子力工学関連
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 宮武 立彦 九州大学, 総合理工学府, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: レーザー駆動イオン加速 / 加速器 / エミッタンス / ビーム診断 / Particle-In-Cellシミュレーション / paticle in cellシミュレーション / 重イオン / 電流量

研究開始時の研究の概要

本研究は，レーザー駆動イオン加速機構を用いた新機軸のイオン加速器を開発するために，発生するイオンビームのビームダイナミクス，及びレーザー照射条件に対して発生するイオンビームがどのような特性を持つのかを解明することを目的とした研究である。Particle-in-cellシミュレーションによる，レーザー加速イオンの発生メカニズムの解析や，レーザー加速イオンのエミッタンス等を高精度に診断するための計測手法の開発を進めることで，レーザー加速イオンのビーム品質を制御，最適化し，既存の加速器では達成しえない特性を持ったイオンビームを供給可能な加速器の開発を目指す。

研究実績の概要

本研究では，高強度レーザーと固体薄膜の相互作用によりイオン加速を行う，レーザー駆動イオン加速機構によって新機軸イオン加速器を実現することを目的とし、発生するイオンビームの特性診断法の開発、イオン加速実験等を行ってきた。
レーザー駆動イオン加速機構では，様々な核種が混在し連続エネルギーを持つイオンビーム中から、特定のイオン種のみを選択して粒子数を診断する必要がある。そこで，静電レンズ及びトムソンパラボラ分光器を組み合わせ，核種が混在したイオンと計測対象である10 keV/uのC4＋を弁別する計測法を開発し、シミュレーションおよび実験結果から原理実証を行った。本成果はレーザー研究に掲載され、レーザー学会 論文賞【オリジナル部門】を受賞した。
また、レーザー加速イオンビームは、ビームが持つ横方向運動量ばらつきを示す「エミッタンス」と呼ばれるビーム特性が優れているといわれるが、その低エミッタンス特性を高精度に診断する手法が確立されていなかった。本研究では、その極めて優れたエミッタンス特性を高精度に診断することを目的とし、スリット計測法によるエミッタンス診断システムを開発した。使用するフィルム型線量計の空間分解能が診断精度に大きく影響したため、線量計の読み取り光学装置を新規に開発し、空間分解能を従来装置の83.3 umから11.9 umまで向上させ、計測精度を保証するシステムを確立した。レーザー駆動イオン加速実験にてMeV級プロトンビームのエミッタンス特性を診断した結果、エミッタンス特性が既存加速器より一桁程優れ、エミッタンス特性が薄膜標的条件によって制御できることを観測した。これらの内容は高輝度ビーム生成やレーザー駆動イオン加速器の設計に貢献するものであり、その成果はAIP Advancesへの掲載や国内外での学会発表などによって報告し、加速器学会年会賞を受賞した。

研究成果

• [雑誌論文] Evaluation of the spatial resolution of Gafchromic? HD-V2 radiochromic film characterized by the modulation transfer function (2023)
  • 著者名/発表者名: Miyatake Tatsuhiko、Kojima Sadaoki、Sakaki Hironao、Dinh Thanh-Hung、Takemoto Ibuki、Hata Masayasu、Nishikino Masaharu、Watanabe Yukinobu、Ishino Masahiko、Mori Michiaki、Koga James Kevin、Yamamoto Yoichi、Ito Fuyumi、Kando Masaki、Shirai Toshiyuki、Kondo Kiminori
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 13 号: 8 ページ: 085303-085303
  • DOI: 10.1063/5.0160754
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities (2023)
  • 著者名/発表者名: N. P. Dover, T. Ziegler, S. Assenbaum, C. Bernert, F. Brack, S. Bock, T. E. Cowan, E. J. Ditter, M. Garten, L. Gaus, I. Goethel, G. S. Hicks, H. Kiriyama, M. Nishiuchi, et al.
  • 雑誌名: Light: Science & Applications 巻: 12 号: 1 ページ: 71-71
  • DOI: 10.1038/s41377-023-01083-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Diagnosis of Transverse Emittance in Laser-Driven Ion beam (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Miyatake, H. Sakaki, I. Takemoto, Y. Watanabe, T. H. Dinh, S. Kojima, Ki. Kondo, Ko. Kondo, M. Kando, M. Nishikino, M. Nishiuchi
  • 雑誌名: Proceedings of the 13th International Particle Accelerator Conference 巻: 13 ページ: 637-640
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] レーザー駆動イオン加速機構におけるビームエミッタンス評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮武立彦, 小島 完興, 榊 泰直, 竹本 伊吹, 近藤 康太郎, 西内 満美子, ヂン タンフン, 畑昌育, 錦野 将元, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • 雑誌名: Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 19 ページ: 233-236
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Ion Beam Transportation from Femto-Second Laser-Plasma Driven Ion Source (2022)
  • 著者名/発表者名: SAKAKI Hironao, MIYATAKE Tatsuhiko
  • 雑誌名: Journal of Plasma and Fusion Research 巻: 第９８巻第６号 ページ: 267-271
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-Shot Diagnostics of Beam Particle Number for Laser Accelerated Carbon Ion (2022)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhiko MIYATAKE, Sadaoki KOJIMA, and Hironao SAKAKI
  • 雑誌名: The review of laser engineering 巻: 50 ページ: 42-46
  • 査読あり
• [学会発表] レーザー加速炭素ビームのビーム特性診断 (2024)
  • 著者名/発表者名: 宮武 立彦, 小島 完興, 榊 泰直
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Optimization of laser irradiation conditions for high-brightness beam generation in laser-driven ion beams (2023)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhiko Miyatake, Sadaoki Kojima, Hironao Sakaki, Haruya Matsumoto, Thanh-Hung Dinh, Masayasu Hata, Masaharu Nishikino, Kotaro Kondo, Mamiko Nishiuchi, Yukinobu Watanabe, Yoshiyuki Iwata, Toshiyuki Shirai, Masaki Kando, Kiminori Kondo
  • 学会等名: Quantum Beam Application for Sciences and Industries 2023
  • 国際学会
• [学会発表] High-brightness beam generation in a laser-driven ion acceleration mechanism (2023)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhiko Miyatake, Sadaoki Kojima, Hironao Sakaki, Haruya Matsumoto, Thanh-Hung Dinh, Masayasu Hata, Masaharu Nishikino, Kotaro Kondo, Mamiko Nishiuchi, Yukinobu Watanabe, Yoshiyuki Iwata, Toshiyuki Shirai, Masaki Kando, Kiminori Kondo
  • 学会等名: The 79th Fujihara Seminar, Prospects for High Field Science 2023
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー駆動イオン加速機構における高品質イオンビーム生成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宮武 立彦, 小島 完興, 榊 泰直, ヂン タンフン, 畑 昌育, 錦野 将元, 西内 満美子, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • 学会等名: 第20回日本加速器学会年会
• [学会発表] ラジオクロミックフィルムを用いたマイクロメートル空間分解能の線量計測手法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宮武立彦, 小島 完興, 榊 泰直, 竹本 伊吹,ヂン タンフン, 畑昌育, 錦野 将元, 近藤 康太郎, 西内 満美子, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • 学会等名: 第70回 応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] Diagnosis of Transverse Emittance in Laser-Driven Ion beam (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Miyatake, H. Sakaki, I. Takemoto, Y. Watanabe, T. H. Dinh, S. Kojima, Ki. Kondo, Ko. Kondo, M. Kando, M. Nishikino, M. Nishiuchi
  • 学会等名: 13th International Particle Accelerator Conference
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー駆動イオン加速機構におけるビームエミッタンス評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮武立彦, 小島 完興, 榊 泰直, 竹本 伊吹, 近藤 康太郎, 西内 満美子, ヂン タンフン, 畑昌育, 錦野 将元, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] レーザー駆動イオン加速機構による炭素イオンビームエミッタンス診断 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮武立彦, 小島 完興, 榊 泰直, 近藤 康太郎, 西内 満美子, ヂン タンフン, 錦野 将元, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • 学会等名: レーザー学会 学術講演会 第42回年次大会
• [学会発表] レーザー駆動イオン加速機構におけるプロトンビームの横方向エミッタンス診断 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮武立彦, 小島 完興, 榊 泰直, 竹本伊吹, 近藤 康太郎, 西内 満美子, ヂン タンフン, 錦野 将元, 渡辺 幸信, 岩田 佳之, 白井 敏之, 神門 正城, 近藤 公伯
  • 学会等名: 第69回 応用物理学会 春季学術講演会
• [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 (2022)
  • 発明者名: 小島完興，榊泰直，宮武立彦，他5名
  • 権利者名: 小島完興，榊泰直，宮武立彦，他5名
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2022-190747
  • 出願年月日: 2022