Laser-driven ion acceleration by high intensity short-pulse high-contrast laser system at JAEA

原子力機構における高強度短パルス高コントラストレーザー駆動イオン加速

西内 満美子; 榊 泰直; 西尾 勝久   ; Orlandi, R.  ; 佐甲 博之   ; Pikuz, T.; Faenov, A. Ya.*; Esirkepov, T. Z.; Pirozhkov, A. S.; 松川 兼也*; 匂坂 明人; 小倉 浩一; 金崎 真聡*; 桐山 博光; 福田 祐仁; 小浦 寛之   ; 神門 正城; 山内 知也*; 渡辺 幸信*; Bulanov, S. V.; 近藤 公伯; 今井 憲一; 永宮 正治*

Nishiuchi, Mamiko; Sakaki, Hironao; Nishio, Katsuhisa; Orlandi, R.; Sako, Hiroyuki; Pikuz, T.; Faenov, A. Ya.*; Esirkepov, T. Z.; Pirozhkov, A. S.; Matsukawa, Kenya*; Sagisaka, Akito; Ogura, Koichi; Kanasaki, Masato*; Kiriyama, Hiromitsu; Fukuda, Yuji; Koura, Hiroyuki; Kando, Masaki; Yamauchi, Tomoya*; Watanabe, Yukinobu*; Bulanov, S. V.; Kondo, Kiminori; Imai, Kenichi; Nagamiya, Shoji*

レーザー駆動イオン加速型のイオン加速はいろいろな応用面があることで着目され地得るが、その中でも核物理研究のための小型の加速器へのインジェクターの応用が考えられる。これを念頭に置き、JAEA KPSIにある比較的小型で高コントラスト短パルスレーザーJ-KARENを用いることで、イオン加速実験を行った。オンターゲット10Wcm, 200TW, 10J以下のエネルギーのパラメータを用いてプラズマミラーなしで43MeVの陽子線加速に成功している。またAlの加速を行ったところ、12MeV/uまでの加速に成功し、さらに加速されているイオンはほぼフルストリップに近い状態であることが分かった。これはレーザー駆動イオン線が重イオン加速器のコンパクトなインジェクターとして非常に有望であることを示す結果である。

For the applications of compact injector, we conduct the ion acceleration experiments using relatively compact and high-contrast short pulse laser system, J-KAREN at KPSI JAEA. The on-target laser intensity of 10 Wcm with 200TW, less than 10J of energy, is achieved by controlling the temporal and spatial pulse profiles. Without applying plasma mirror system, the maximum proton energy of 43 MeV is obtained with aluminum (Al) 0.8 um thick target. In some shots we observe that the protons and Al ions are accelerated up to 30 MeV and 12 MeV/u, respectively. With the soft X-ray spectroscopy the Al ions are found to be almost fully stripped, which is caused by the synergy of three major effects: optical field ionization due to the laser and plasma collective fields; the electron impact ionization; and the X-ray single photon ionization. The observation of almost fully stripped Al ions proves that laser-driven ions acceleration is a promising ion source for the conventional accelerator. In addition, the observed energy of 12 MeV/u of the Al ions shows that the laser-based ion acceleration method can be the basis of a compact heavy ion injector for nuclear physics.