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論文

Improvement of the quality and stability of electron bunch using countercrossing laser beam

小瀧 秀行; 大東 出; 神門 正城; 林 由紀雄; Ma, J.-L.; Chen, L.-M.; Esirkepov, T. Z.; 福田 祐仁; 本間 隆之; Pirozhkov, A. S.; et al.

IEEE Transactions on Plasma Science, 36(4), p.1760 - 1764, 2008/08

 被引用回数:8 パーセンタイル:60.52(Physics, Fluids & Plasmas)

高強度レーザーで励起されるプラズマウェーク場によって小型の高品質電子ビーム源をつくることが可能となる。しかし、1パルスの場合、電子のトラップと加速を同一のレーザーパルスで行うため、安定領域が非常に狭く、電子の発生が不安定になってしまう。そこで、2パルス衝突型の高品質電子ビーム発生を行った。3TW,70fsのチタンサファイアレーザーを用いて、衝突角45$$^{circ}$$での2パルスクロスでの高品質電子ビーム発生実験を行った。この実験により、ピークエネルギー14MeV,エネルギー分散11%,電荷量22pC,規格化エミッタンス1.6$$pi$$mm mrad,単色電子の発生率50%で高品質電子ビーム発生に成功した。2パルスの使用により、ウェーク場への電子トラップと加速とが分離でき、レーザーやプラズマ密度等のパラメーターを最適化することにより安定な高品質電子ビーム発生が可能であることを示した。

論文

Counter-crossing injection for stable high-quality electron beam generation via laser-plasma interaction

小瀧 秀行; 大東 出; 林 由紀雄; Ma, J.-L.; Chen, L.-M.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; 福田 祐仁; 本間 隆之; Pirozhkov, A. S.; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 112(4), p.042031_1 - 042031_4, 2008/00

高強度レーザーで励起されるプラズマウェーク場によって小型の高品質電子ビーム源をつくることが可能となる。しかし、1パルスの場合、電子のトラップと加速を同一のレーザーパルスで行うため、安定領域が非常に狭く、電子の発生が不安定になってしまう。そこで、2パルス衝突型の高品質電子ビーム発生を行った。3TW, 70fsのチタンサファイアレーザーを用いて、衝突角45$$^{circ}$$での2パルスクロスでの高品質電子ビーム発生実験を行った。この実験により、ピークエネルギー14MeV,エネルギー分散11%,電荷量22pC,規格化エミッタンス1.6$$pi$$mm mrad,単色電子の発生率50%で高品質電子ビーム発生に成功した。2パルスの使用により、ウェーク場への電子トラップと加速とが分離でき、レーザーやプラズマ密度等のパラメーターを最適化することにより安定な高品質電子ビーム発生が可能であることを示した。

論文

Elongation of plasma channel for electron acceleration

Chen, L.-M.; 中島 一久; Hong, W.*; Hua, J. F.*; 亀島 敬; 小瀧 秀行; 杉山 精博*; Wen, X.*; Wu, Y.*; Tang, C.*; et al.

Chinese Optics Letters, 5(S1), p.S133 - S135, 2007/05

Experiments for the laser guiding studies has been carried out with the 30 fs, 100 TW laser pulse interaction with the long slab and discharged capillary of underdense plasma. Formation of extremely long plasma channel with its length 10 times above the Rayleigh length is observed when the laser pulse power is much higher than the critical power for relativistic self-focusing. The long self-guiding channel formation is accompanied by the quasi-monoenergetic electron acceleration with a low transverse emittance and high electric current (10 nC/shot). In order to continuously elongate plasma channel, a 4 cm-scale discharged capillary was used. We successfully demonstrated laser-plasma acceleration of high-quality electron beams up to nearly GeV. Our results exactly verified the prediction of laser-wakefield acceleration through a cm-scale plasma channel in the blowout bubble regime.

論文

Self-guiding of 100 TW femtosecond laser pulses in centimeter-scale underdense plasma

Chen, L.-M.; 小瀧 秀行; 中島 一久*; Koga, J. K.; Bulanov, S. V.; 田島 俊樹; Gu, Y. Q.*; Peng, H. S.*; Wang, X. X.*; Wen, T. S.*; et al.

Physics of Plasmas, 14(4), p.040703_1 - 040703_4, 2007/04

 被引用回数:34 パーセンタイル:18.05(Physics, Fluids & Plasmas)

レーザーの自己導波の調査のため、長いunderdenseのプラズマと100TWレーザーパルスの相互作用実験を行い、レイリー長の約20倍の10mmという非常に長いプラズマチャネルを観測した。レーザーパルスがチャネル中で曲がること、及び電子キャビティ形成が実験的に初めて観測された。

論文

Focusing quality of a split short laser pulse

小瀧 秀行; 大石 祐嗣*; 名雪 琢弥*; 藤井 隆*; 根本 孝七*; 中島 一久

Review of Scientific Instruments, 78(3), p.036102_1 - 036102_3, 2007/03

 パーセンタイル:100(Instruments & Instrumentation)

超短パルスレーザー光を複数に分割して行う実験のためには、パルス幅を変化させることなくパルスを分ける必要がある。超短パルスレーザーの場合、ビームスプリッター(BS)として、厚い物質を使用することはできないため、薄膜であるペリクルや穴あきミラーがBSとして考えられる。これらを用いた場合のレーザーの集光特性を調べることにより、BSとして使用方法について検討した。どちらの場合も、透過光に関しては元のパルスと変化がない。しかし、反射光に関しては留意が必要である。ペリクルの場合の集光特性は、一般のミラーによる反射光とほぼ同じであるが、振動に弱い。そのため、振動源と切り離す必要がある。穴あきミラーの場合、振動に強いが、反射光はドーナツ型であり、その形状による干渉が起こる。このドーナツの外形Dと内径D'が、D/2$$leq$$D'のときは、ほとんど集光できない。これらの結果より、分離するレーザーパルスの径が元のレーザーの径の半分以下の場合には穴あきミラーの使用が可能である。しかし、両方のレーザーパルスの径がほぼ同じ場合にはペリクルを使用し、振動源とペリクルBSとを切り離すことが必要である。

論文

20 MeV quasi-monoenergetic electron beam production by using JLITE-X laser system at JAEA-APRC

森 道昭; 神門 正城; 大東 出; 小瀧 秀行; 林 由紀雄; 小倉 浩一; 匂坂 明人; Esirkepov, T. Z.; 中島 一久; 大道 博行; et al.

International Journal of Modern Physics B, 21(3&4), p.407 - 414, 2007/02

 パーセンタイル:100(Physics, Applied)

2005年9月に原子力機構において、レーザー照射実験を行い、準単色構造の電子ビームの生成に成功した。実験では、テラワットレーザービームをf=648mmの集光ミラーによってガス密度2.0-2.5$$times$$10$$^{19}$$cm$$^{-3}$$(電子密度換算で4.1-5.0$$times$$10$$^{19}$$cm$$^{-3}$$)のHeガスジェット上に集光・照射し、9-20MeVの準単色電子ビームが生成され、さらにこれを超える密度では、準単色構造が不安定になる現象も観測した。準単色電子生成の結果は後に行ったシミュレーション結果からも妥当な結果であることがわかり、理論・実験双方で連携した結果が得られている。発表では、この結果・考察に加え原子力機構における最近の超高強度レーザープラズマ相互作用の研究の状況についても報告する。

論文

Experimental study on $$K$$$$_{alpha}$$ X-ray emission from intense femtosecond laser-solid interactions

Xu, M. H.*; Chen, L.-M.; Li, Y.-T.*; Yuan, X.-H.*; Liu, Y.-Q.*; 中島 一久; 田島 俊樹; Wang, Z.-H.*; Wei, Z.-Y.*; Zhao, W.*; et al.

Acta Physica Sinica, 56(1), p.353 - 358, 2007/01

p分極されたフェムト秒のレーザー固体相互作用によって発生する相対論的な領域で$$K$$$$_{alpha}$$のX線源の特徴を実験的に調べた。ナイフエッジのイメージ法を用いてCCDの単一光子カウントを行うことにより、$$K$$$$_{alpha}$$のX線サイズ,スペクトル及び変換効率を測定した。実験結果は$$K$$$$_{alpha}$$の光子の変換効率がシミュレーションの結果と異なり1.6$$times$$10$$^{18}$$W/cm$$^{2}$$のレーザーの強度で最適値7.08$$times$$10$$^{-6}$$/srに達すること。X線変換効率が10%であること、及びレーザー強度1.6$$times$$10$$^{18}$$W/cm$$^{2}$$のときに前方芳香に電子が加速されることを発見した。

論文

Transverse dynamics and energy tuning of fast electrons generated in sub-relativistic intensity laser pulse interaction with plasmas

森 道昭; 神門 正城; 大東 出; 小瀧 秀行; 林 由紀雄; 山崎 淳; 小倉 浩一; 匂坂 明人; Koga, J. K.; 中島 一久; et al.

Physics Letters A, 356(2), p.146 - 151, 2006/07

 被引用回数:43 パーセンタイル:14.24(Physics, Multidisciplinary)

準相対論的強度における準単色電子線発生について実験的に研究を行った。われわれは、電子加速の実験結果が自己変調領域でのレーザーウェーク場加速の2次元PICシミュレーションの結果で説明されることを見いだした。

論文

Laser acceleration activity at JAEA-QuBS-APRC; Recent activity

森 道昭; 神門 正城; 大東 出; 小瀧 秀行; 林 由紀雄; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 中島 一久; 大道 博行; Bulanov, S. V.; et al.

Proceedings of the International Workshop on Quark Nuclear Physics 2006, p.201 - 206, 2006/00

原子力機構におけるレーザー電子加速研究、特に2005年に行った小型レーザーを使って20MeV級の準単色電子ビーム発生に成功した研究について、レーザー装置の概要と今後の研究の展開について講演する。2005年に準相対論的強度におけるレーザーと物質の相互作用を研究する目的でチタンサファイアレーザー装置JLITE-Xを開発した。このレーザー開発後、準単色構造を持った荷電粒子の発生実験を行った。初めにわれわれは、ピーク出力3TW・パルス幅70fs・集光強度9$$times$$10$$^{17}$$W/cm$$^{2}$$のレーザー光をヘリウムガスジェット上に集光・照射し、自己変調型レーザー航跡場加速領域でエネルギー20MeV発散角4.6mradの電子ビームを発生させ、初めて準相対論領域すなわちa0が1を下回る強度においてレーザー駆動準単色電子発生が可能であることを実験的に明らかにした。これらの結果は、数テラワットの小型レーザーシステムでも、プラズマ物理研究ばかりでなく、応用を前提とした高エネルギー荷電粒子源にも使えることを示した。これらの研究結果を交え今後の展開について講演する。

論文

Quasi-monoenergetic electron beam generation during laser pulse interaction with very low density plasmas

山崎 淳; 小瀧 秀行; 大東 出; 神門 正城; Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; 近藤 修司; 金沢 修平; 本間 隆之*; 中島 一久; et al.

Physics of Plasmas, 12(9), p.093101_1 - 093101_5, 2005/09

 被引用回数:63 パーセンタイル:8.76(Physics, Fluids & Plasmas)

レーザープラズマ相互作用による単色エネルギー電子ビーム発生が世界中で研究されており、最近、幾つかの実験データーが出始めているが、発生機構についてはわかっておらず、安定な電子ビーム発生はできていない。われわれは、シングルレーザーパルスにおける単色エネルギー電子ビーム発生についての、理論的研究及び粒子シミュレーションによる研究,実験研究を行い、非常によく一致した。実験については、レーザーパワーが5.5TW,パルス幅70fs,中心波長800nmのチタンサファイアレーザーをガスジェット中に集光して行った。単色エネルギー電子ビームは、電子ビームが加速位相から減速位相に移るときに得られ、その位置で真空中に電子ビームを取り出してやれば、単色エネルギー電子ビーム発生が可能となる。電子ビームが加速位相から減速位相に移る距離はプラズマ密度によって決定されるため、プラズマ密度によって加速距離のコントロールが必要となる。この研究によって、1パルスでの単色エネルギー電子ビーム発生には電子ビームの加速距離とプラズマ密度のコントロールが必要であること見いだした。

論文

Electron acceleration by a nonlinear wakefield generated by ultrashort (23-fs) high-peak-power laser pulses in plasma

神門 正城; 益田 伸一; Zhidkov, A.*; 山崎 淳; 小瀧 秀行; 近藤 修司; 本間 隆之*; 金沢 修平; 中島 一久; 林 由紀雄; et al.

Physical Review E, 71(1), p.015403_1 - 015403_4, 2005/01

 被引用回数:28 パーセンタイル:21.5(Physics, Fluids & Plasmas)

現在まででは最短のパルス幅(23fs)で相対論的な高出力(20TW)のレーザーを、不足密度プラズマ中に強く集光する実験を行った。プラズマ密度が10$$^{20}$$cm$$^{-3}$$の領域で、MeVを越えるエネルギーの電子の発生を確認した。このMeV電子は、2温度分布をしており、シミュレーションの結果から、波の破砕機構の違いから生じていると考えられる。高温部の電子は、レーザーのプリパルスにより作られるプラズマ密度のキャビティー部での速い入射により形成され、パルス幅はフェムト秒であり、一方、低温部の電子は相対論的強度による波の破壊により加速されたもので、ピコ秒のパルス幅を持つことがわかった。

論文

Suppression of electron scattering by the longitudinal components of tightly focused laser fields

益田 伸一; 神門 正城; 小瀧 秀行; 中島 一久

Physics of Plasmas, 12(1), p.013102_1 - 013102_6, 2005/01

 被引用回数:22 パーセンタイル:35.28(Physics, Fluids & Plasmas)

ガウス型(TEM$$_{00}$$)のレーザービームによる電子の散乱について数値計算による詳細な解析を行った。レーザーを強く集光した場合、レーザーの持つ縦方向の電磁場を取り入れることが重要である。われわれは今回、相対論的なレーザー動重力加速法において縦方向電磁場を考慮し、電子が横方向に集束されることを発見した。この場合、加速される電子のエミッタンスは横・縦方向ともに小さく、バンチ長もフェムト秒を切る短いものが得られた。

論文

Head-on injection of a high quality electron beam by the interaction of two laser pulses

小瀧 秀行; 益田 伸一; 神門 正城; Koga, J. K.; 中島 一久

Physics of Plasmas, 11(6), p.3296 - 3302, 2004/06

 被引用回数:89 パーセンタイル:5.23(Physics, Fluids & Plasmas)

レーザートリガーによる極端パルス電子発生は、オプティカルインジェクションとして知られている。高品質の電子ビームを発生させるため、2つのレーザーパルスの衝突型のオプティカルインジェクションについて研究した。これについての理論解析及び粒子シミュレーションを行い、数%という低エネルギー分散で10fsの超短パルス、1mm mrad以下の低エミッタンスの高品質電子ビーム発生を見いだした。この理論解析とシミュレーション結果は非常によく一致し、これにより、高エネルギー高品質電子ビーム発生の可能性を示唆することができた。

論文

High energy laser wakefield acceleration

小瀧 秀行; 神門 正城; 細貝 知直; 近藤 修司; 益田 伸一; 金沢 修平; 横山 隆司*; 的場 徹; 中島 一久

International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 14(1-4), p.255 - 262, 2003/03

現在の加速器では、高周波加速が多く利用されているが、この高周波をレーザーに変えることにより、加速勾配が100~1000倍となり、レーザー加速は加速器小型化の可能性を秘めている。最近、高強度レーザーを用いたレーザー加速が世界中で注目されており、100MeVを超えるエネルギーゲインが実証されている。原研では、フォトカソードRFガンを電子源としたマイクロトロンを高品質電子ビーム源として使用し、これを100TW20fsレーザーで加速する。プラズマ波長は数百フェムト秒と短いため、効率よく加速を行うには、超短パルス電子ビームが必要となる。超短パルス電子ビームの生成及びフェムト秒オーダーでの高精度のレーザー電子ビーム周期には、逆自由電子レーザーとシケインマグネットによるバンチスライスを行う。また、加速長を長くするため、プラズマ光導波路を使用し、cm長の加速を行う。これらを組み合わせ、1GeVの加速を目指す。フォトカソードRFガンとマイクロトロンの性能について、さらに逆自由電子レーザーやプラブマ光導波路の計画を発表する。

論文

Effect of a laser prepulse on a narrow-cone ejection of MeV electrons from a gas jet irradiated by an ultrashort laser pulse

細貝 知直*; 木下 健一*; Zhidkov, A.*; 中村 啓*; 渡部 貴宏*; 上田 徹*; 小瀧 秀行; 神門 正城; 中島 一久; 上坂 充*

Physical Review E, 67(3), p.036407_1 - 036407_8, 2003/03

 被引用回数:73 パーセンタイル:5.67(Physics, Fluids & Plasmas)

12TW,50fsのチタンサファイアレーザーを短焦点でガスジェット中に集光し、電子発生実験を行った。発生する電子は、レーザーのプリパルスの比率及び形に強く依存した。ガスジェットのショックウェーブ先端での、プリパルスでのプラズマ波の破砕が、細い電子のコーン(0.1$$mu$$mm mrad)をつくることを発見した。この電子は、レーザーパルスによって生成されるウェーク場によって数十MeVまで加速され、マックスウェル分布の分布する。単調でないプリパルスの場合、ショックフロントでの流体的な不安定性が大きなスポットを形成する。2次元流体を基礎とした数値解析と2次元粒子シミュレーションが電子加速の根拠を示した。この粒子シミュレーションによって、電子のエネルギーは10~40MeVであり、電子のパルス幅は40fs程度であることが予測できる。

論文

Direct measurement of coherent ultrahigh wakefields excited by intense ultrashort laser pulses in a gas-jet plasma

小瀧 秀行; 神門 正城; 桶田 隆継; 益田 伸一; Koga, J. K.; 近藤 修司; 金沢 修平; 横山 隆司*; 的場 徹; 中島 一久

Physics of Plasmas, 9(4), p.1392 - 1400, 2002/04

 被引用回数:42 パーセンタイル:18.17(Physics, Fluids & Plasmas)

高強度レーザーをガス中に集光すると、レーザーの動重力により電子振動(航跡場)が起こる。これは非常に強い電界をもっており、これにより荷電粒子の加速が可能である。これを加速器に応用することかできれば、現在の高周波加速器に比べコンパクトで高エネルギーの加速器を作ることが可能となる。この航跡場をコントロールするためには、この電界や位相の測定ができなければならない。さらに、高強度レーザーの伝播には、レーザーラインを真空にする必要があり、そのためプラズマ源はガスジェットによってつくる必要がある。まず最初、ガスジェットの密度分布の時間変化をマッハツェンダー干渉計を用いて測定した。この測定により、ガスの密度分布は、ガスジェットノズルからの距離が1.5mmの位置において、背圧10気圧のヘリウムの場合、ガス密度が3.5$$times$$10$$^{17}$$(プラズマ密度で7$$times$$10$$^{17}$$)になることがわかった。この結果より、周波数干渉計を用いて、ノズルからの位置を1.5mm,ガスジェットの背圧10気圧のときの、ガスジェット中に集光したレーザーによるプラズマ振動の測定を行い、ここから電界を求めた。20GeV/m以上の高電界の発生を確認した。この結果は、航跡場の線型理論に非常によく一致した。ガスジェットを用いての測定は世界で初めてのことである。ガスジェットのガス密度測定及びガスジェットでのプラズマウェーク測定について報告する。

論文

原研フォトカソードマイクロトロンの現状

神門 正城; 小瀧 秀行; 近藤 修司; 金沢 修平; 益田 伸一; 横山 隆司*; 的場 徹; 中島 一久

Proceedings of 26th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.132 - 134, 2001/08

日本原子力研究所関西研究所光量子科学研究センターに建設されたフォトカソード・マイクロトロンの第一期のビーム試験の結果を報告する。ビーム性能は、電荷量91pC,エミッタンス10$$pi$$mm-mrad,パルス幅10ps,ジッター5.5psが達成された。現在は1GeVレーザー加速に向けての電子ビームライン改造を進めているが、その進捗状況も報告する。また、1GeVレーザー加速実験計画の概要についても報告する。

論文

Development of plasma waveguide using fast z-pinch capillary discharge

益田 伸一; 神門 正城; 小瀧 秀行; 細貝 知直*; 近藤 修司; 金沢 修平; 横山 隆司*; 的場 徹; 中島 一久

Proceedings of 13th Symposium on Accelerator Science and Technology, 3 Pages, 2001/00

原研関西において、100TWレーザーを用いたレーザー航跡場加速器実験が計画されている。高速Zピンチキャピラリ放電によるプラズマ導波路の開発は、加速長をかせぐために重要な課題の一つである。これまでに、われわれは2cm長のプラズマ導波路を開発し、レーザーの導波実験に成功した。現在、1GeVレーザー加速実験のための10cm長のプラズマ導波路を開発中である。開発状況とPICシミュレーションの結果について報告する。

論文

High energy electron acceleration by high peak power laser

小瀧 秀行; 神門 正城; 近藤 修司; 益田 伸一; 金沢 修平; 横山 隆司*; 的場 徹; 中島 一久

Proceedings of 13th Symposium on Accelerator Science and Technology, 3 Pages, 2001/00

高周波での加速をレーザーに変えることにより、加速勾配が100$$sim$$1000倍となり、レーザー加速は加速器小型化の可能性を秘めている。日本原子力研究所では、フォトカソードRFガンを電子源としたマイクロトロンを高品質電子ビーム源として使用し、これを100TW 20fsレーザーが加速する。効率よく加速を行うには、超短パルス電子ビーム,フェムト秒オーダーでの高精度の同期,レーザーの長距離伝播等を必要である。これらの要素技術及び組合せることによる高効率のレーザー加速,ガスジェットによるガス密度分布の測定や周波数干渉法によるレーザープラズマ航跡場の測定等、レーザー加速のための基礎実験について発表する。

論文

Fixed blueshift of high intensity short pulse lasers propagating in gas chambers

Koga, J. K.; Naumova, N.*; 神門 正城; Tsintsadze, L. N.; 中島 一久; Bulanov, S. V.*; 出羽 英紀; 小瀧 秀行; 田島 俊樹*

Physics of Plasmas, 7(12), p.5223 - 5231, 2000/12

 被引用回数:25 パーセンタイル:34.28(Physics, Fluids & Plasmas)

高強度極短パルスレーザーがヘリウムガス中を伝播する際に生じる固定青方偏移について検討を行った。その結果、レーザー光の臨界パワーを超えた場合、観測される偏移はレーザーパワーとガス圧力には依存しないことを見いだした。この現象は非線形ガス分極によるフィラメント生成が原因であることがわかった。これらの検討はガスイオン化を考慮した一次元粒子シミュレーションにより行った。

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