相対論領域におけるクラスター媒質中での相乗的イオン加速機構の解明

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26247100
• 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: 福田 祐仁 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 量子ビーム応用研究センター, 研究主幹 (30311327)
• 研究分担者: 榊 泰直 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 量子ビーム応用研究センター, 研究副主幹 (00354746)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 量子ビーム / 粒子線 / 高性能レーザー / 原子・分子物理 / 高エネルギー密度

研究実績の概要

本研究では、クラスターターゲットを用いたレーザー駆動イオン加速手法に対し、実験と理論・シミュレーションとを効果的に融合させ、100 メガ電子ボルト（MeV）を超える準単色イオンを安定発生させる手法の確立を目指している。これを達成するため、 (1) プラズマ中の電場・磁場計測装置の開発、(2) プラズマ中の衝撃波可視化装置の開発、(3) 電子のベータトロン運動に伴うＸ線検出装置開発、の３つの基盤技術開発を行い、 (4)これら装置を用いたイオン加速実験と(5)理論・シミュレーション研究、とを効果的に融合させ研究を進める。
平成26年度は、基盤技術開発を中心に進めた。
(1)に関して、電磁場構造イメージングの検出部に用いる固体飛跡検出器CR-39の陽子線に対する応答特性評価を行った。また、本手法を応用し、水素を背景ガスとするクラスターターゲットから加速されたイオンの解析を行い、背景ガスイオンである陽子の加速を世界で初めて明らかにした。(2)に関して、衝撃波可視化装置の設計を終え、干渉画像解析プログラムの作成に着手し、フランスLULI研究所との共同実験で得たプラズマ中の衝撃波発生を捉えた実験データの解析を進めた。(3)に関して、電子のベータトロン運動に伴うＸ線発生に加え、放射減衰効果に伴って発生するγ線のエネルギー評価を行うシミュレーションに着手した。(5)に関して、粒子コード（EPIC3D）を改良し、クラスタータゲット中の背景ガスイオンの加速機構を探るシミュレーションを実施し、背景ガスイオンの加速メカニズムを明らかにした。
さらに、新規開発した冷却ノズルを用いることで、サブミクロンサイズの水素クラスターターゲットの生成に世界で初めて成功した。この水素クラスターと関西研J-KAREN-Pレーザーとの相互作用シミュレーションを実施し、100MeV級陽子線発生が可能であることを示した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初予定の基盤技術開発については、ほぼ予定どおり進んだ。これに加え、クラスターターゲット中の背景ガスイオンの加速機構の解明、サブミクロンサイズの水素クラスターターゲット生成の成功等、当初の計画以上に進展した研究成果が得られた。

今後の研究の推進方策

平成27年度は、前年度に仕様検討を終えた電場・磁場計測装置、衝撃波可視化装置、及び、Ｘ線・γ線検出装置の製作に取りかかる。関西研JLITE-Xレーザーを用いた電磁場構造イメージング、水素クラスターターゲットによるイオン加速等の予備実験を実施し、各種装置の動作試験を行う。
さらに、前年度の引き続き、シミュレーションコードの改良を行い、3次元シミュレーション、マルチクラスターシミュレーション、と言ったより実験条件に近いシミュレーションを実施し、クラスターターゲットにレーザー照射して生成する複雑プラズマ中でのイオン加速に関連する物理現象を詳細に調べる。

研究成果

• [雑誌論文] Development of an Apparatus for Characterization of Cluster-Gas Targets for Laser-Driven Particle Accelerations (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Jinno, Y. Fukuda, H. Sakaki, A. Yogo, M. Kanasaki, K. Kondo, A.Ya. Faenov, I.Yu. Skobelev, T.A. Pikuz, A.S. Boldarev, and V.A. Gasilov
  • 雑誌名: Progress in Ultrafast Intense Laser Science XI 巻: XI ページ: 215-233
  • DOI: 10.1007/978-3-319-06731-5_10
  • 査読あり
• [雑誌論文] CR-39を用いたレーザー駆動陽子線計測における 光中性子起因エッチピット弁別手法の開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 金崎真聡、福田祐仁、近藤公伯、小田啓二、山内 知也
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 42 ページ: 168-173
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of dose level in a laser-driven ion accelerator using PHITS code (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Sakaki, Y. Fukuda, M. Nishiuchi, S. Jinno, M. Kanasaki, A. Yogo, K. Kondo, F. Saito, T. Fukami, M. Ueno and K. Niita
  • 雑誌名: Progress in Nuclear Science and Technology 巻: 4 ページ: 182-185
  • DOI: 10.15669/pnst.4.182
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two-plasmon decay instability’s signature in spectral lines and spectroscopic measurements of charge exchange rate in a femtosecond laser-driven cluster-based plasma (2014)
  • 著者名/発表者名: E. Oks, E. Dalimier, A. Ya. Faenov, T. Pikuz, Y. Fukuda, S. Jinno, H. Sakaki, H. Kotaki, A. Pirozhkov, Y. Hayashi, I. Skobelev, T. Kawachi, M. Kando and K. Kondo
  • 雑誌名: J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 巻: 47 ページ: 221001 1-6
  • DOI: 10.1088/0953-4075/47/22/221001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Insertable pulse cleaning module with a saturable absorber pair and a compensating amplifier for high-intensity ultrashort-pulse lasers (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Yogo, K. Kondo, M. Mori, H. Kiriyama, K. Ogura, T. Shimomura, N. Inoue, Y. Fukuda, H. Sakaki, S. Jinno, M. Kanasaki and P. R. Bolton
  • 雑誌名: Opt. Express 巻: 22 ページ: 2060-2069
  • DOI: 10.1364/OE.22.002060
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Contrast, High-Intensity Petawatt-Class Laser and Applications (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Kiriyama, M. Mori, A.S. Pirozhkov, K. Ogura, A. Sagisaka, A. Kon, T.Z. Esirkepov, Y. Hayashi, H. Kotaki, M. Kanasaki, H. Sakaki, Y. Fukuda, J. Koga, M. Nishiuchi, M. Kando, S.V. Bulanov, K. Kondo, P.R. Bolton, O. Slezak, D. Vojna, M. Sawicka-Chyla, V. Jambunathan, A. Lucianetti and T. Mocek
  • 雑誌名: IEEE Sel. Topics J. Quntum Electron. 巻: 21 ページ: 1601118 1-18
  • DOI: 10.1109/JSTQE.2014.2336774
  • 査読あり
• [学会発表] Acceleration of background gas ions induced by the Coulomb explosion of clusters (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Fukuda, M. Kanasaki, S. Jinno, H. Sakaki, M. Nishiuchi, A. Ya. Faenov, T. A. Pikuz, H. Kiriyama, M. Kando, K. Kondo, K. Oda, T. Yamauchi, K. Morishima, Y. Watanabe, C. Scullion, A. G. Smyth, A. Alonso, D. Doria, M. Borghesi, R. Matsui, Y. Kishimoto
  • 学会等名: Laser Plasma Accelerator Workshop 2015
  • 発表場所: Guadeloupe, France
  • 年月日: 2015-05-10 – 2015-05-15
• [学会発表] Development of submicron-size hydrogen cluster targets for impurity-free laser-driven proton sources (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Fukuda, S. Jinno, M. Kanasaki, H. Tanaka, H. Sakaki, K. Kondo, R. Matsui, and Y. Kishimoto
  • 学会等名: Targetry for Laser-driven Particle Accelerator Sources and Attosecond Science: Second Workshop
  • 発表場所: Paris, France
  • 年月日: 2015-04-20 – 2015-04-22
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー駆動陽子線を用いたプラズマイメージングへの固体飛跡検出器の利用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 福田祐仁、金崎真聡、近藤公伯、杉山僚、小田啓二、山内知也
  • 学会等名: 第29回固体飛跡検出器研究会
  • 発表場所: 福井大学附属国際原子力工学研究所（福井県敦賀市）
  • 年月日: 2015-03-30 – 2015-03-31
• [学会発表] クラスター媒質におけるレーザー駆動輻射性 Blast Waves 発生 (2015)
  • 著者名/発表者名: 福田祐仁, A. Marocchino, L. Romagnani, A. Levy, 神野智史, L. Lancia, A. Ravasio, A. Schiavi, S. Atzeni, D. Doria, M. Borghesi
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] レーザー照射されたクラスター媒質中での背景ガスイオン加速に関する研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 松井隆太郎、福田祐仁、金崎真聡、榊泰直、岩田夏弥、近藤公伯、岸本泰明
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 超高強度レーザーとクラスター媒質との相互作用における輻射発生と輻射反作用の効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岩田夏弥、長友英夫、岸本泰明、福田祐仁、疇地宏
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 高強度レーザーと高 Z 物質の相互作用による 高価数イオンの生成と加速 (II) (2015)
  • 著者名/発表者名: 川人大希、岸本泰明、森林健悟、福田祐仁
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] クラスターターゲットを用いたレーザー駆動イオン加速における背景ガスイオンの加速 (2015)
  • 著者名/発表者名: 金崎真聡、神野智史、榊泰直、A. Ya. Faenov、T. A. Pikuz、西内満美子、桐山博光、神門正城、近藤公伯、松井隆太郎、C. Scullion、A. G. Smyth、A. Alonso、D. Doria、M. Borghesi、小田啓二、山内知也、岸本泰明、福田祐仁
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県、平塚市）
  • 年月日: 2015-03-12 – 2015-03-15
• [学会発表] レーザー駆動イオン加速のための水素クラスターターゲットの生成とその評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 神野智史、田中宏尭、金崎真聡、榊泰直、近藤公伯、松井隆太郎、 岸本泰明、福田祐仁
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県、平塚市）
  • 年月日: 2015-03-12 – 2015-03-15
• [学会発表] 高強度レーザー照射クラスターターゲットからの Blast Wave 発生 (2015)
  • 著者名/発表者名: 福田祐仁, A. Marocchino, L. Romagnani, A. Levy, 神野智史, L. Lancia, A. Ravasio, A. Schiavi, S. Atzeni, D. Doria, M. Borghesi
  • 学会等名: レーザー学会第35回年次大会
  • 発表場所: 東海大学高輪校舎（東京都港区）
  • 年月日: 2015-01-11 – 2015-01-12
• [学会発表] クラスターのクーロン爆発による背景ガスイオンの加速 (2015)
  • 著者名/発表者名: 金崎真聡、神野智史、榊泰直、A. Ya. Faenov、T. A. Pikuz、西内満美子、桐山博光、神門正城、近藤公伯、松井隆太郎、森島邦博、C. Scullion、A. G. Smyth、A. Alonso、D. Doria、M. Borghesi、渡辺幸信、小田啓二、山内知也、岸本泰明、福田祐仁
  • 学会等名: レーザー学会第35回年次大会
  • 発表場所: 東海大学高輪校舎（東京都港区）
  • 年月日: 2015-01-11 – 2015-01-12
• [学会発表] Interaction property between high power laser and cluster medium in the radiation dominant regime (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Iwata, Y. Kishimoto, Y. Fukuda, R. Matsui, H. Nagatomo and H. Azechi
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] Magnetic field formation and diffusion via biermann battery effect for laboratory cluster blast waves (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Marocchino, L. Romagnani, A. Levy, S. Jinno, Y. Fukuda, L. Lancia, A. Ravasio, A. Schiavi, S. Atzeni, D. Doria, M. Borghesi
  • 学会等名: 56th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: New Orleans (USA)
  • 年月日: 2014-10-27 – 2014-10-31
• [学会発表] Acceleration of background gas ions induced by Coulomb explosion of clusters (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Fukuda, M. Kanasaki, S. Jinno, H. Sakaki, M. Nishiuchi, A. Ya. Faenov, T. A. Pikuz, H. Kiriyama, M. Kando, K. Kondo, K. Oda, T. Yamauchi, K. Morishima, Y. Watanabe, C. Scullion, A. G. Smyth, A. Alonso, D. Doria, M. Borghesi, R. Matsui, Y. Kishimoto
  • 学会等名: International Conference on ULTRAHIGH INTENSITY LASERS (ICUIL) 2014
  • 発表場所: Goa (India)
  • 年月日: 2014-10-12 – 2014-10-17
• [学会発表] Experimental and theoretical studies on acceleration of background gas ions induced by Coulomb explosion of clusters (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Fukuda, M. Kanasaki, S. Jinno, H. Sakaki, M. Nishiuchi, A. Ya. Faenov, T. A. Pikuz, H. Kiriyama, M. Kando, K. Kondo, K. Oda, T. Yamauchi, K. Morishima, Y. Watanabe, C. Scullion, A. G. Smyth, A. Alonso, D. Doria, M. Borghesi, R. Matsui, Y. Kishimoto
  • 学会等名: International Symposium on Ultrafast Intense laser Science (ISUILS) 13
  • 発表場所: Jodhpur (India)
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [学会発表] Current status and future prospects for laser-cluster interactions; From particle acceleration to laboratory astrophysics (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Fukuda
  • 学会等名: 5th International Symposium of Advanced Energy Science; Contribution to Zero-Emission Energy
  • 発表場所: Uji Campus, Kyoto University, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2014-09-30 – 2014-10-02
• [学会発表] Acceleration of background gas ions due to Coulomb explosion of clusters triggered by irradiation of ultrashort, intense laser pulses (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Kanasaki, S. Jinno, H. Sakaki, A. Ya. Faenov, T. A. Pikuz, M. Nishiuchi, H. Kiriyama, M. Kando, K. Kondoa, R. Matsui, Y. Kishimoto, K. Morishima, Y. Watanabe, C. Scullion, A. G. Smyth, A. Alonso, D. Doria, M. Borghesi, K. Oda, T. Yamauchi, Y. Fukuda
  • 学会等名: 26th International Conference on Nuclear Tracks in Solids
  • 発表場所: The Integrated Research Center of Kobe University, Kobe, Japan
  • 年月日: 2014-09-15 – 2014-09-19
• [学会発表] Ion acceleration based on the interaction between high power laser and cluster medium (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Fukuda, R. Matsui, N. Iwata, and Y. Kishimoto
  • 学会等名: 33rd European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM2014)
  • 発表場所: Paris (France)
  • 年月日: 2014-08-31 – 2014-09-05
• [図書] 強光子場の化学: 分子の超高速ダイナミクス (2015)
  • 著者名/発表者名: 板倉隆二、上田潔、大島康宏、大村英樹、大森賢治、沖野友哉、香月浩之、加藤毅、歸家令果、河野裕彦、中井克典、中島信昭、中村一隆、鍋川康夫、新倉弘倫、西野吉則、長谷川宗良、菱川明栄、福田祐仁、藤井隆、古川祐介、星名賢之助、緑川克美、森下亨、森本裕也、八ッ橋智幸、矢野淳子、山内薫
  • 総ページ数: 172(116-122)
  • 出版者: 化学同人