クラスターターゲットを用いたイオン加速

Ion acceleration via interaction of intense laser pulse with cluster-gas target

福田 祐仁; Faenov, A.*; 反保 元伸; Pikuz, T. A.*; 中村 龍史; 神門 正城; 林 由紀雄; 余語 覚文; 榊 泰直; 川瀬 啓悟; Pirozhkov, A. S.; 小倉 浩一; 森 道昭; Esirkepov, T. Z.; Koga, J. K.; 山内 知也*; 兒玉 了祐*; Bolton, P.; 近藤 公伯; 河西 俊一; 加藤 義章 ; 田島 俊樹; 大道 博行; Bulanov, S. V.

Fukuda, Yuji; Faenov, A.*; Tampo, Motonobu; Pikuz, T. A.*; Nakamura, Tatsufumi; Kando, Masaki; Hayashi, Yukio; Yogo, Akifumi; Sakaki, Hironao; Kawase, Keigo; Pirozhkov, A. S.; Ogura, Koichi; Mori, Michiaki; Esirkepov, T. Z.; Koga, J. K.; Yamauchi, Tomoya*; Kodama, Ryosuke*; Bolton, P.; Kondo, Kiminori; Kawanishi, Shunichi; Kato, Yoshiaki; Tajima, Toshiki; Daido, Hiroyuki; Bulanov, S. V.

高強度フェムト秒レーザーを集光して物質に照射することにより、ミクロン程度の空間内に極めて強い電磁場が生成する。このような強力な電磁場を用いることによるレーザー駆動のイオン加速は、粒子線がん治療装置の小型化,低価格化の観点から注目を集めている。しかし、レーザー駆動イオンビームの医学利用のためには、イオンビームの高エネルギー化と単色化,レーザー装置の高繰り返し化,レーザー駆動イオンビームの特徴に即したビーム伝送・照射系の最適化など、解決すべき多くの課題がある。本研究では、世界に先駆けて、ナノ粒子であるクラスターを含むガスターゲットをイオン加速研究に導入し、イオンビームの高エネルギー化に成功した。

We present substantial enhancement of the accelerated ion energies up to 10-20 MeV per nucleon by utilizing the unique properties of the cluster-gas target irradiated with 40-fs laser pulses of only 150 mJ energy, corresponding to approximately tenfold increase in the ion energies compared to previous experiments using thin foil targets. A particle-in-cell simulation infers that the high energy ions are generated at the rear side of the target due to the formation of a strong dipole vortex structure in sub-critical density plasmas. The demonstrated method can be important in the development of efficient laser ion accelerators for hadron therapy and other applications.