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

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26247100
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 福田 祐仁 国立研究開発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 国立研究開発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 (00354746) ; 神野 智史 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80596924) ; 金崎 真聡 神戸大学, 海事科学研究科(研究院), 助教 (90767336)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 高強度レーザー / 粒子加速 / 陽子線 / クラスター / 相対論プラズマ / 高エネルギー密度 / Mie散乱 / 放射減衰

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27年度は、(1)に関して、電場・磁場計測装置の製作を行った。また、固体飛跡検出器CR-39とラジオクロミックフィルムを検出器として用い、線形加速器からのイオンビームをメッシュ状構造体に照射し、加速器由来イオンビームの直進性（laminarity）について調べるとともに、電磁場構造イメージングのためのイオン検出器の性能評価実験を実施した。(2)に関して、小型シアリング干渉計の衝撃波可視化装置としての性能評価実験を実施した。(3)に関して、高エネルギー電子の放射減衰によるγ線発生がイオン加速に及ぼす影響を評価するシミュレーションを実施し、レーザー集光強度が放射減衰が支配的となる領域に達すると、イオン加速が抑制されることを新たに見い出した。(5)に関して、水素クラスターにレーザー照射した際、200メガ電子ボルト(MeV)を超える単色性の高い陽子線を発生させる条件を見いだし、特許出願を行った。

研究計画外の成果として、Mie散乱理論を使った水素クラスターサイズ評価手法開発において、測定誤差を考慮した応答関数の作成、および、正則化法を取り入れた解析手法の導入により、サイズ評価の精度を大幅に向上させることに成功した。

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

当初予定していた関西研10 TW級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については、関西研1 PW級J-KAREN-Pレーザー装置の立ち上げ作業を優先したため、これらを実施することが出来なかった。この代わりとして、線形加速器からのイオンビームをメッシュ状構造体に照射することによる電磁場構造イメージングのためのイオン検出器の性能評価実験、および、小型シアリング干渉計の衝撃波可視化装置としての性能評価実験、を実施した。

理論・シミュレーション研究の方では、水素クラスターにレーザー照射した際、200メガ電子ボルト(MeV)を超える単色性の高い陽子線を発生させる条件を見いだすなど、本研究の目的である「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」に大きく寄与する成果が得られた（H27年度特許申請済み）。

今後の研究の推進方策

平成28年度に、電場・磁場計測装置、衝撃波可視化装置について、関西研1 PW級J-KAREN-Pレーザー装置を用いた動作試験を行う。電場・磁場計測装置に関しては、昨年度までに開発したものに加え、第三高調波を用いた高感度計測装置の開発に取りかかる。また、関西研1 PW級J-KAREN-Pレーザー装置を用いた、水素クラスターターゲットによる100メガ電子ボルト(MeV)を超える単色陽子加速実験の平成29年度初頭での実施を目指した準備を進める。

平成28年度に、フランスエコールポリテクニークLULI研究所において、国際共同研究を実施し、クラスターターゲットによって発生する衝撃波のトムソン散乱によるプラズマ温度分布計測を行い、プラズマ中の非局所熱輸送や輻射熱変換過程とイオン加速との関連について調べる。

理論・シミュレーションにおいては、シングルクラスターからマルチクラスターへ系を拡張し、実験に近い状況での大規模シミュレーションを実施し、単色イオン発生に関わる素過程を詳細に調べ、実験条件設定に役立てる。

備考

本科研費の研究内容を関する紹介webページ。

研究成果

• [国際共同研究] Laboratoire LULI, Ecole Polytechnique(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Laboratoire LULI, Ecole Polytechnique
• [国際共同研究] Universita di Roma "La Sapienza"(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Universita di Roma "La Sapienza"
• [国際共同研究] Queen’s University Belfast(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Queen’s University Belfast
• [雑誌論文] The precise energy spectra measurement of laser-accelerated MeV/n-class high-Z ions and protons using CR-39 detectors (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kanasaki, S. Jinno, H. Sakaki, K. Kondo, K. Oda, T. Yamauchi, and Y. Fukuda
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 58 ページ: 034013 (6pp)
  • DOI: 10.1088/0741-3335/58/3/034013
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Laser-matter interaction in cluster medium in the radiation dominated regime (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Iwata, Y. Kishimoto, R. Matsui, and Y. Fukuda
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 688 ページ: 012038 (5pp)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012038
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Observation of the inhomogeneous spatial distribution of MeV ions accelerated by the hydrodynamic ambipolar expansion of clusters (2015)
  • 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, A. Sugiyama, K. Kondo, R. Matsui, Y. Kishimoto, K. Morishima, Y. Watanabe, C. Scullion, A. G. Smyth, A. Alejo, D. Doria, S. Kar, M. Borghesi, K. Oda, T. Yamauchi, and Y. Fukuda
  • 雑誌名: Radiation Measurements 巻: 83 ページ: 12-14
  • DOI: 10.1016/j.radmeas.2015.06.011
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Revealing the second harmonic generation in a femtosecond laser-driven cluster-based plasma by analyzing shapes of Ar XVII spectral lines (2015)
  • 著者名/発表者名: E. Oks, E. Dalimier, A. Faenov, T. Pikuz, Y. Fukuda, A. Andreev, J. Koga, H. Sakaki, H. Kotaki, A. Pirozhkov, Y. Hayashi, I. Skobelev, S. Pikuz, T. Kawachi, M. Kando, K. Kondo, A. Zhidkov, and R. Kodama
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 23 ページ: 250983 (15pp)
  • DOI: 10.1364/OE.23.031991
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Using LiF crystals for high-performance neutron imaging with micron-scale resolution (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Faenov, M. Matsubayashi, T. Pikuz, Y. Fukuda, M. Kando, R. Yasuda, H. Iikura, T. Nojima, T. Sakai, M. Shiozawa, R. Kodama and Y. Kato
  • 雑誌名: High Power Laser Science and Engineering 巻: 3 ページ: e7 (9pp)
  • DOI: 10.1017/hpl.2015.28
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] サブミクロンサイズ水素クラスターに対するMie散乱を用いたサイズ評価法の検討 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田中宏尭、神野智史、金崎真聡、関口健太郎、一ノ瀬紘佑、榊 泰直、近藤公伯、松井隆太郎、岸本泰明、福田祐仁
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス、宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] サブミクロンサイズの水素クラスター媒質と高強度レーザーとの相互作用による非等方電場の形成と100 MeV級プロトンの前方加速 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松井隆太郎、福田祐仁、川人大希、岸本泰明
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス、宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] 超相対論的レーザー強度領域での水素クラスターからの高エネルギー陽子線発生 (2016)
  • 著者名/発表者名: 福田祐仁、神野智史、金崎真聡、田中宏尭、榊 泰直、近藤公伯、松井隆太郎、岸本泰明
  • 学会等名: 第30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: 2016-03-14 – 2016-03-15
• [学会発表] 固体飛跡検出器を用いた100 MeVを超えるレーザー加速陽子線のエネルギースペクトル計測体系の設計 (2016)
  • 著者名/発表者名: 宇野雅貴、金崎真聡、山内知也、小田啓二、福田祐仁
  • 学会等名: 第30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: 2016-03-14 – 2016-03-15
• [学会発表] 高強度レーザーとクラスター媒質との相互作用で発生するレーザー駆動輻射性Blast Wave (2016)
  • 著者名/発表者名: 福田祐仁
  • 学会等名: 実験室・宇宙プラズマ研究会「乱流・輸送・粒子加速」
  • 発表場所: 名古屋大学グリーンモビリティ、愛知県名古屋市
  • 年月日: 2016-03-08
• [学会発表] 高強度レーザーとクラスター媒質との相互作用による電磁場構造の形成とイオン加速に 関するシミュレーション研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松井隆太郎、福田祐仁、川人大希、岸本泰明
  • 学会等名: レーザープラズマ科学のための最先端シミュレーションコードの共同開発・共用に関する研究会
  • 発表場所: 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター、大阪府吹田市
  • 年月日: 2016-01-12 – 2016-01-13
• [学会発表] Mie散乱理論を用いた粒子サイズ分布決定における最適解の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 関口健太郎、神野智史、田中宏尭、一ノ瀬紘佑、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: レーザー学会学術講演会第36回年次大会
  • 発表場所: 名城大学天白キャンパス、愛知県名古屋市
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-11
• [学会発表] 水素クラスターターゲットと高強度レーザーとの相互作用による100 MeV級プロトンの前方加速 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松井隆太郎、福田祐仁、川人大希、岸本泰明
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第36回年次大会
  • 発表場所: 名城大学天白キャンパス、愛知県名古屋市
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-11
• [学会発表] Laser-driven particle acceleration and its applications (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuji Fukuda
  • 学会等名: International Symposium on Ultrafast Intense laser Science (ISUILS) 14
  • 発表場所: Kauai, USA
  • 年月日: 2015-12-09 – 2015-12-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structure of electric field and dynamics of contact surface due to the interaction between cluster and background gas irradiated by high power lasers (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Matsui, Y. Fukuda, D. Kawahito, and Y. Kishimoto
  • 学会等名: International Symposium on Ultrafast Intense laser Science (ISUILS) 14
  • 発表場所: Kauai, USA
  • 年月日: 2015-12-09 – 2015-12-13
  • 国際学会
• [学会発表] Radiation damping effects in the interaction of cluster mediums with ultraintense laser fields (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Iwata, H. Nagatomo, D. Kawahito, Y. Fukuda, R. Matsui, Y. Kishimoto, and H. Azechi
  • 学会等名: IZEST Events: Outlook on Wake Field Acceleration: the Next Frontier
  • 発表場所: Geneva, Switzerland
  • 年月日: 2015-10-15 – 2015-10-16
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of Radiation Reaction in Ultrahigh-Intensity Laser Interaction with Cluster Mediums (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Iwata, D. Kawahito, H. Nagatomo, Y. Fukuda, R. Matsui, Y. Kishimoto, and H. Azechi
  • 学会等名: 9th Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA)
  • 発表場所: Seattle, USA
  • 年月日: 2015-09-20 – 2015-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] Ionization and Acceleration of Heavy Ions in High-Z Solid Target Irradiated by High Intensity Laser (2015)
  • 著者名/発表者名: D. Kawahito, Y. Kishimoto, K. Moribayashi, M. Nishiuchi, and Y. Fukuda
  • 学会等名: 9th Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA)
  • 発表場所: Seattle, USA
  • 年月日: 2015-09-20 – 2015-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー照射されたクラスターと背景ガスの相互作用による接触面の電場構造とダイナミックス (2015)
  • 著者名/発表者名: 松井隆太郎、福田祐仁、川人大希、岸本泰明
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス、大阪府吹田市
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [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開発と評価-ターゲットパラメータの温度、圧力依存性- (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中宏尭、神野智史、金崎真聡、榊 秦直、近藤公伯、松井隆太郎、岸本秦明、福田祐仁
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス、大阪府吹田市
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] Ion accelerations via the interaction of intense lase pulses with cluster targets (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Fukuda, M. Kanasaki, S. Jinno, H. Sakaki, M. Nishiuchi, A. Pirozhkov, H. Kiriyama, M. Kando, K. Kondo, T. A. Pikuz, A. Ya. Faenov, T. Yamauchi, K. Oda, C. Scullion, A. G. Smyth, A. Alonso, D. Doria, M. Borghesi, R. Matsui, and Y. Kishimoto
  • 学会等名: 2nd European Advanced Accelerator Concepts Workshop (EAAC)
  • 発表場所: Isola d'Elba, Italy
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-19
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー駆動イオン加速における光中性子発生を考慮したイオン計測体系の設計 (2015)
  • 著者名/発表者名: 金崎真聡、神野 智史、榊 泰直、近藤公伯、小田啓二、山内知也、福田祐仁
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場、愛知県名古屋市
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] レーザー駆動陽子加速のための水素クラスターターゲットの特性評価 (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、上坂 充、岸本泰明、福田祐仁
  • 学会等名: 第12回日本加速器学会年会
  • 発表場所: プラザ萬象・敦賀市福祉総合センターあいあいプラザ、福井県敦賀市
  • 年月日: 2015-08-05 – 2015-08-07
• [学会発表] Evolution of a Sedov-Taylor blast-wave: nonlocal heat transport and field effects (2015)
  • 著者名/発表者名: L. Romagnani, A. Marocchino, A. Ravasio, A. Levy, D. Vernhet, E. Larmour, C. Prigent, M. Grech, Y. Fukuda, J. Satoshi, L. Lancia, D. Doria, and M. Borghesi
  • 学会等名: 42nd European Physical Society Conference on Plasma Physics
  • 発表場所: Lisbon, Portugal
  • 年月日: 2015-06-22 – 2015-06-26
  • 国際学会
• [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, and Y. Kishimoto
  • 学会等名: Laser Plasma Acceleration Workshop (LPAW) 2015
  • 発表場所: Guadeloupe, France
  • 年月日: 2015-05-10 – 2015-05-15
  • 国際学会
• [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
• [備考] 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
  • URL: http://www.kansai.qst.go.jp/cluster-research/
• [産業財産権] イオン加速方法 (2016)
  • 発明者名: 福田祐仁、岸本泰明、松井隆太郎
  • 権利者名: 福田祐仁、岸本泰明、松井隆太郎
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2016-051832
  • 出願年月日: 2016-03-16