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

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22KJ2402
• 配分区分: 基金
• 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
• 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

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 ページ: 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: Kojima Sadaoki、Miyatake Tatsuhiko、Sakaki Hironao、Kuroki Hiroyoshi、Shimizu Yusuke、Harada Hisanori、Inoue Norihiro、Dinh Thanh Hung、Hata Masayasu、Hasegawa Noboru、Mori Michiaki、Ishino Masahiko、Nishiuchi Mamiko、Kondo Kotaro、Nishikino Masaharu、Kando Masaki、Shirai Toshiyuki、Kondo Kiminori
  • 雑誌名: Matter and Radiation at Extremes 巻: 8 ページ: 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, 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, S. Kraft, F. Kroll, H. F. Lowe, J. Metzkes-Ng, T. Miyatake, et al.
  • 雑誌名: Light: Science & Applications 巻: 12 ページ: 71
  • DOI: 10.1038/s41377-023-01083-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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