Development of laser-driven quasi-one-dimensional shock wave formation and new high-energy particle acceleration method via boundary layer

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K22329
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0202:Condensed matter physics, plasma science, nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Matsui Ryutaro 京都大学, エネルギー科学研究科, 助教 (70870476)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2023-03-31
• Keywords: 高強度レーザー / プラズマ / イオン加速 / 無衝突衝撃波 / 粒子線がん治療

Outline of Final Research Achievements

A particle-in-cell (PIC) simulation was performed concerning an interaction between an ultrashort pulse (femtosecond) high-intensity laser in the region of 10^21-22 W/cm^2 and solid hydrogen target. As a result, by adjusting the pulse width and laser intensity, the shock wave generated near the surface of the solid hydrogen is amplified to nearly 20 times the initial density in the process of propagating inside the solid hydrogen. This shock structure splits into two components like a rocket due to an electric field reaching 200 TV/m. The component pushed forward accelerates the upstream proton up to the sub-GeV regime.

Free Research Field

レーザー生成プラズマ物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

レーザープラズマイオン加速手法でイオンを100 MeV/u超領域にまで加速させる試みは、国内外で精力的に行われている一方、100 MeV/uのイオンは国内では現状未達成であり、世界的に見ても一部で150 MeVを出した報告があるものの、ほとんど達成例はない。
本研究により見いだした、円柱状ターゲットを用いた新アプローチで200 MeV超の準単色陽子線の生成機構が実験により実証できれば、粒子線がん治療装置の小型化を目指した応用研究が大きく進展する可能性があるばかりでなく、高エネルギー宇宙線の生成起源の解明に代表される未踏の極限領域の開拓に繋がることが期待される。