直接プラズマ入射法による大強度高電荷重イオンビームの生成と加速に関する研究

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25790075
• 研究種目: 若手研究(B)
• 研究機関: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 田村 潤 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J-PARCセンター, 研究員 (90647017)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 重イオンビーム

研究概要

大強度高電荷重イオンビームの生成を目的として、高出力レーザーおよび測定器などの主要装置が揃っている米国ブルックヘブン国立研究所にて、レーザープラズマの生成実験を行った。
レーザーアブレーションによる高電荷イオン生成能力は、照射するレーザーのパワーに大きく依存する。そこで本実験では、これまで用いてきたナノ秒レーザーより高出力のピコ秒レーザーを用いることによって、より高電荷のイオンで構成されるプラズマの生成を目指した。重イオン生成のためのレーザー標的は、質量数200程度および100程度の、タンタルと銀を採用した。
最初に、新しく使用するピコ秒レーザーの出力調整を行った。次に、レーザープラズマの分析ラインにターゲットを設置し、光学装置の組み立ておよびアライメント作業を行った。そして、このパルスレーザー光をターゲット上に収束して照射し、アブレーションプラズマを生成した。生成されたプラズマのイオン電流量をファラデーカップによって測定し、価数分布は静電アナライザーで90度偏向して分析することによって測定した。レーザーの照射面積は収束レンズの位置を変化させることによって調節し、照射面積が最も小さくなるようなレンズ位置でレーザープラズマのドリフト速度が最も大きくなることを確認し、価数分析実験を行った。本実験によりタンタルで20価、銀で25価までのイオンを生成し、これまでのナノ秒レーザーによるプラズマ生成時より、高電荷のイオン生成が可能であることを確認した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成25年度の研究目的は、質量数200クラスの重い元素について、これまでより高い出力のレーザーを用いて、高密度かつ高電荷のイオンを生成できるかを実験により確認することであった。この目的を達成するため、米国ブルックヘブン国立研究所にて装置の組み立ておよびレーザープラズマの生成実験を行い、実際に高電荷のイオンを生成することに成功した。

今後の研究の推進方策

平成25年度に行った実験により、高電荷のイオン生成が可能であることを確認することができた。課題はプラズマの密度であり、レーザーの高出力化および照射条件の最適化によって、より高密度のプラズマ生成を目指す。この方法によって生成したプラズマを、横方向に強い収束力を持つRFQ線形加速器に入射する。RFQ線形加速器中のビーム透過効率は、入射イオン電流量とイオン引き出し電極構造に大きく左右されるため、生成されるレーザープラズマの密度と価数分布を考慮した、専用のイオン引き出し電極を製作する。米国ブルックヘブン国立研究所にて、これを既存のRFQ線形加速器と組み合わせて重イオンビームの加速実験を行う。

次年度の研究費の使用計画

実験に用いる、銀、タンタル等のターゲット材料を購入する予定であったが、平成25年度は実験施設の在庫品を使用することができた。不足分については次年度に必要量を購入する予定である。
平成25年度に続いて、平成26年度も米国ブルックヘブン国立研究所（BNL）にてレーザープラズマの生成実験を行う。これに必要となる、ターゲット材料、真空シール材、ボルト等の消耗品を購入する。また、最適ビーム引き出しのための電極装置の製作を行う。これをBNLのRFQ線形加速器と組み合わせて加速実験を行うための外国旅費に使用する。