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論文

Modeling of ultra-cold and crystalline ion beams

岡本 宏巳*; 杉本 寛*; 百合 庸介; 池上 将弘*; Wei, J.*

Proceedings of 10th International Computational Accelerator Physics Conference (ICAP 2009) (Internet), p.151 - 156, 2009/08

An ultimate goal in accelerator physics is to produce a "zero-emittance" beam, which is equivalent to making the beam temperature the absolute zero in the center-of-mass frame. At this limit, if somehow reached, the beam is Coulomb crystallized. Schiffer and co-workers first applied the molecular dynamics (MD) technique to study the fundamental features of various Coulomb crystals. Their pioneering work was later generalized by Wei et al. who explicitly incorporated discrete alternating-gradient lattice structures into MD simulations. This talk summarizes recent numerical efforts made to clarify the dynamic behavior of ultra-cold and crystalline ion beams. The MD modeling of beam crystallization in a storage ring is outlined, including how one can approach the ultra-low emittance limit. Several possible methods are described of cooling an ion beam with radiation pressure (the Doppler laser cooling).

論文

Application of laser-accelerated protons to the demonstration of DNA double-strand breaks in human cancer cells

余語 覚文; 佐藤 克俊; 錦野 将元; 森 道昭; 手島 昭樹*; 沼崎 穂高*; 村上 昌雄*; 出水 祐介*; 赤城 卓*; 永山 伸一*; et al.

Applied Physics Letters, 94(18), p.181502_1 - 181502_3, 2009/05

 被引用回数:86 パーセンタイル:5.89(Physics, Applied)

We report the demonstrated irradiation effect of laser-accelerated protons on human cancer cells. ${it In-vitro}$ (living) A549 cells are irradiated with quasi-monoenergetic proton bunches of 0.8-2.4 MeV with a single bunch duration of 15 ns. Irradiation with the proton dose of 20 Gy results in a distinct formation of $$gamma$$-H2AX foci as an indicator of DNA double-strand breaks generated in the cancer cells. This is a pioneering result in view of future investigations on the radiobiological effects of laser-driven ion beams. Unique high-current and short-bunch features make laser-driven proton bunches an excitation source for time-resolved determination of radical yields.

論文

Focusing and spectral enhancement of a repetition-rated, laser-driven, divergent multi-MeV proton beam using permanent quadrupole magnets

西内 満美子; 大東 出; 池上 将弘; 大道 博行; 森 道昭; 織茂 聡; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 余語 覚文; Pirozhkov, A. S.; et al.

Applied Physics Letters, 94(6), p.061107_1 - 061107_3, 2009/02

 被引用回数:48 パーセンタイル:13.17(Physics, Applied)

2.4MeVのレーザー駆動陽子線を永久四重極磁石で1Hzで収束させた。磁場勾配は、55T/m, 60T/mであった。陽子線は、ターゲットから650mmにおける2.7mm$$times$$8mmの大きさ(半値全幅)の領域に収束された。この結果は、モンテカルロシミュレーションとよく一致した。

論文

イオン蓄積リングS-LSRにおけるビーム冷却実験

白井 敏之*; 田辺 幹夫*; 想田 光*; 池上 将弘*; 藤本 慎司*; 頓宮 拓*; 野田 章*; 野田 耕司*; 渋谷 真二*; 藤本 哲也*; et al.

Proceedings of 9th Symposium on Accelerator and Related Technology for Application, p.19 - 22, 2007/06

The ion storage ring, S-LSR has an electron beam cooler and a laser cooling system. The electron cooler for S-LSR was designed to maximize the effective cooling length in the limited drift space of the ring. Various experiments have been carried out using the electron beam cooling, such as the sweep electron cooling, the one-dimensional ordering experiment of protons, and the short bunch generation. The laser cooling experiment is also currently in progress. Concerning the one-dimensional ordering experiment, the first proton ordering was successfully confirmed. An abrupt drop in the momentum spread and the Schottky noise power have been observed at the proton number of 2000 with electron currents of 25 mA. The transition temperature of the proton ordering is 0.17 meV in the longitudinal direction.

論文

Crystalline beams in dispersion-free storage rings

池上 将弘*; 岡本 宏巳*; 百合 庸介

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 9(12), p.124201_1 - 124201_11, 2006/12

 被引用回数:5 パーセンタイル:58.58(Physics, Nuclear)

偏向電磁石によって誘起される運動量分散のために、テーパー冷却と呼ばれる特殊な冷却力がなければ、蓄積リングにおいてクリスタルビームの形成は困難であることが知られている。しかし、磁場偏向領域に電場を加えることによって、リング全周にわたって運動量分散を消すことが可能である。そのようなデフレクタを有する蓄積リングでは、通常の冷却力を用いて多次元クリスタルビームの形成が可能となる。これを確かめるため、分子動力学シミュレーションを実施し、無分散蓄積リングにおけるビーム結晶化について解析した。シミュレーション結果によれば、テーパー冷却なしでさまざまなクリスタルビームの形成が可能である。

論文

Energetic protons from a few-micron metallic foil evaporated by an intense laser pulse

松門 宏治*; Esirkepov, T. Z.; 木下 健一*; 大道 博行; 内海 隆行*; Li, Z.*; 福見 敦*; 林 由紀雄; 織茂 聡; 西内 満美子; et al.

Physical Review Letters, 91(21), p.215001_1 - 215001_4, 2003/11

 被引用回数:132 パーセンタイル:4.31(Physics, Multidisciplinary)

東京大学原子力工学研究施設の超短パルスレーザーを用いたイオン発生実験を行った。レーザーパラメーターは、波長800nm,パルス長50fs,ピーク強度6$$times$$10$$^{18}$$W/cm$$^{2}$$でコントラストは10$$^{-5}$$程度,ターゲットは厚さ5$$mu$$mのタンタル箔を用いた。その結果、1MeVのプロトンと2MeVの電子の発生を確認した。この実験結果を解釈するために、ターゲットがプリパルスによって完全にプラズマ化した状態でメインパルスと相互作用をする低密度プラズマスラブを用いた新しいイオン加速機構を導入し、さらにそれに基づくシミュレーションを行った。実験結果とシミュレーション結果は良好な一致を示した。また、新しい加速機構が有する独自のレーザー強度に対するスケーリング側に基づいて、実用的なレーザープラズマイオン源の可能性が示される。

口頭

重イオンビームの冷却シミュレーション

池上 将弘*; 岡本 宏巳*; 百合 庸介; 想田 光*; 田辺 幹夫*; 野田 章*

no journal, , 

蓄積リング中を周回するビームをレーザー冷却のような強力な冷却力で冷却すると、クリスタルビームと呼ばれる極低エミッタンスビームが生成できる。このような極限状態では、リングの運動量分散の存在が冷却によって到達可能なエミッタンスを制限する。ビームを結晶化するためには、運動量分散による加熱の影響を補うためにテーパー冷却と呼ばれる特殊な冷却力が必要となる。本発表では、運動量分散の影響を回避することができる電場,磁場を用いた蓄積リングにおいて、テーパー冷却力を用いなくとも安定な3次元クリスタルビームが生成可能であることを、分子動力学シミュレーションに基づいて示す。

口頭

原子力機構J-KARENレーザーの高度化とその利用研究,4; 高強度超短パルスレーザー駆動陽子ビームの高周波電場による位相回転法

西内 満美子; 大道 博行; 余語 覚文; 森 道昭; 桐山 博光; 金沢 修平; 匂坂 明人; 小倉 浩一; 織茂 聡; 近藤 修司; et al.

no journal, , 

高強度超短パルスレーザー駆動のMeV級陽子線に対して、レーザーに同期した高周波電場を印加することにより、通常であれば連続的である陽子線のエネルギースペクトルを準単色化すること、及びその空間的な分布を制御することに成功した。原子力機構のJ-KARENレーザーを4$$times$$10$$^{18}$$Wcm$$^{-2}$$の強度でポリイミドターゲット上に集光し最大エネルギー2.2MeVの安定な陽子線を生成、この陽子線をレーザーに同期させた高周波電場空胴に導いた。高周波電場の伝播方向の電場の効果により陽子線のエネルギースペクトルに顕著なピークが生成され、エネルギー広がりは100%から11%(FWHM)にまで減少した。同時に動径方向の電場の効果で、陽子ビームを空間的に収束及び発散させることに成功した。モンテカルロシミュレーションによれば、空間的に収束する陽子線成分は連続的なエネルギースペクトルを持ち、発散する成分は準単色なエネルギースペクトルを持つ。このような位相回転法は、シングルショットではなく繰り返し発生する陽子線のエネルギー及び空間分布を再現性よく制御することができ、さまざまな応用分野への適用が期待される。

口頭

Applications of the high intensity short-pulse laser driven $$sim$$ MeV proton beam

西内 満美子; 大東 出; 池上 将弘; 森 道昭; 織茂 聡; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 余語 覚文; Pirozhkov, A. S.; Ma, J.*; et al.

no journal, , 

既存加速器からの陽子線と比べ、高強度短Ti:Sapレーザー駆動陽子線は以下にあげるような特徴を持つ。10$$^{13}$$個もの陽子線が、ピコ秒のパルス幅を持ち発生されるため、結果として高ピーク電流となる。また、横エミッタンスが低いが、10度ほどの広がり角を持って伝搬する。エネルギー広がりは100%である。そのほかの特徴としては、レーザー駆動プラズマからは、陽子線に伴い、電子線,X線などが、同期して得られる。このような特徴を持つレーザー駆動陽子線に対して、いろいろな分野での応用の可能性が示唆されている。われわれは、レーザー駆動陽子線を実際に応用するための実験を行ってきている。例えば、サンプルの陽子線とX線、及び陽子線と電子線の同時イメージングを得ることに成功している。また、ある分野への応用を考えた場合、レーザー駆動陽子線の特徴は、そのままではなく最適化されることが必要である。たとえば、医療や工業分野での陽子線照射装置を考えた場合、レーザー駆動陽子線の広がり角は補正されることが望ましい。このための方法は、既に幾つか提示されている。われわれの考えている一つの方法は、永久磁石を使った四重極磁場によるレーザー駆動陽子線の集光及び平行化である。

口頭

Proton acceleration and laser-plasma interaction diagnostics with J-KAREN laser

Pirozhkov, A. S.; 森 道昭; 余語 覚文; 桐山 博光; 小倉 浩一; 匂坂 明人; Ma, J.*; 織茂 聡; 西内 満美子; 杉山 博則*; et al.

no journal, , 

We present results of recent laser-driven proton acceleration experiments and laser-plasma diagnostics conducted with the multi-10-TW hybrid OPCPA/Ti:Sapphire laser J-KAREN. Protons with the energies up to 4 MeV have been generated using few-mcm tape and sub-mcm ribbon targets. The plasma diagnostics including measurement of the pulse energy reflected from the target, interferometry, and spectral measurements reveal the complex dependence of the proton generation on the interaction course. In particular, even slight increase of the target reflectivity results in substantial decrease of the maximum proton energy. This provides convenient diagnostics of the laser-plasma interaction in the ion acceleration, harmonics generation, and other laser - solid target interaction experiments.

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