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論文

Towards a novel laser-driven method of exotic nuclei extraction-acceleration for fundamental physics and technology

西内 満美子*; 榊 泰直*; Esirkepov, T. Zh.*; 西尾 勝久; Pikuz, T. A.*; Faenov, A. Ya.*; Skobelev, I. Yu.*; Orlandi, R.; Pirozhkov, A. S.*; 匂坂 明人*; et al.

Plasma Physics Reports, 42(4), p.327 - 337, 2016/04

 被引用回数:5 パーセンタイル:42.53(Physics, Fluids & Plasmas)

ペタワットレーザーと原子核物理学の技術を組み合わせることで、エキゾチック原子核の性質の測定を決定的に可能にする。数値シミュレーションとレーザー駆動実験により、我々は論文、西内等、Phys. Plasmas 22, 033107 (2015)で提案された「レーザー駆動エキゾチック核抽出-加速法」の展望について紹介する。この方法の特徴は、(1)フェムト秒ペタワットレーザーを、外部イオンビームによって破砕された原子核標的に照射し、(2)そして生成された短寿命の重エキゾチック原子核を数GeVの多価電荷としてまとめて一気に加速する、という画期的な方法である。

論文

Acceleration of highly charged GeV Fe ions from a low-Z substrate by intense femtosecond laser

西内 満美子; 榊 泰直; Esirkepov, T. Z.; 西尾 勝久; Pikuz, T.*; Faenov, A.*; Skobelev, I. Yu.*; Orlandi, R.; 佐甲 博之; Pirozhkov, A. S.; et al.

Physics of Plasmas, 22(3), p.033107_1 - 033107_8, 2015/03

 被引用回数:38 パーセンタイル:1.6(Physics, Fluids & Plasmas)

200TWの超高強度レーザーパルスをミクロンメートルのアルミの薄膜に鉄の不純物を混ぜたターゲットに照射することで、ほぼフルストリップに近い鉄のイオンが0.9GeVで加速された。低エミッタンスで、重いイオンのビームが高いQ/Mで得られることは、いろいろな分野への応用が考えられ、例えば、既存加速器技術との融合によってコンパクトなRIイオン源の開発が考えられる。

論文

High-contrast, high-intensity petawatt-class laser and applications

桐山 博光; 森 道昭; Pirozhkov, A. S.; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 今 亮; Esirkepov, T. Z.; 林 由紀雄; 小瀧 秀行; 金崎 真聡*; et al.

IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 21(1), p.1601118_1 - 1601118_18, 2015/01

 被引用回数:40 パーセンタイル:2.13(Engineering, Electrical & Electronic)

原子力機構で開発を進めているペタワット級超高強度レーザーシステム(J-KARENレーザーシステム)の詳細な設計、動作特性、及び将来計画についての報告を招待論文(Invited paper)として行う。また、高い制御性を有する本レーザーシステムによる代表的な成果として、粒子加速、高輝度X線発生などの研究成果についても報告を行う。

論文

Prepulse and amplified spontaneous emission effects on the interaction of a petawatt class laser with thin solid targets

Esirkepov, T. Z.; Koga, J. K.; 砂原 淳*; 守田 利昌; 錦野 将元; 影山 慶*; 長友 英夫*; 西原 功修; 匂坂 明人; 小瀧 秀行; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 745, p.150 - 163, 2014/05

 被引用回数:28 パーセンタイル:2.15(Instruments & Instrumentation)

When a finite contrast petawatt laser pulse irradiates a micron-thick foil, a prepulse creates a preplasma, where an ultrashort relativistically strong portion of the laser pulse acquires higher intensity due to relativistic self-focusing and undergoes fast depletion transferring energy to fast electrons. If the preplasma thickness is optimal, the main pulse can reach the target generating fast ions more efficiently than an ideal, infinite contrast, laser pulse. The optimal conditions for hundreds of MeV ion acceleration are found with accompanying effects important for diagnostics, including high-order harmonics generation.

論文

Evaluation of dose level in a laser-driven ion accelerator using PHITS code

榊 泰直; 福田 祐仁; 西内 満美子; 神野 智史; 金崎 真聡; 余語 覚文; 近藤 公伯; 西藤 文博; 深見 智代; 上野 正幸; et al.

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 4, p.182 - 185, 2014/04

新規開発中のレーザー駆動型粒子線加速器は、加速イオンのエネルギーが上がるにつれて、その遮蔽能力の評価が重要になってくる。そこで、われわれはベンチマークとしてPHITSコードの有用性を実験結果と比較した。その結果、実測値と計算値がほぼ一致することが確認され、PHITSコードがベンチマークになり得ることがわかった。

論文

Current status and future prospects of "J-KAREN"; High contrast, high intensity laser for studying relativistic laser-matter interactions

桐山 博光; 森 道昭; 岡田 大; 下村 拓也; 中井 善基*; 田上 学; 近藤 修司; 金沢 修平; 余語 覚文; 匂坂 明人; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 1, p.015095_1 - 015095_5, 2014/03

原子力機構関西光科学研究所で開発を進めている高コントラスト、ペタワット級チタンサファイアチャープパルス増幅(CPA)レーザーシステムの設計及び動作特性について報告を行う。2つの可飽和吸収体と低利得光パラメトリックチャープパルス増幅手法(OPCPA)を用いた前置増幅器を用いることで、サブナノ秒の時間領域において1.4$$times$$10$$^{12}$$の高いコントラストを達成した。最終段増幅器出力は28Jであり、パルス圧縮を行うことで、600TWの高いピーク出力がポテンシャルとして可能である。また、0.1Hzの繰り返しでペタワット以上の出力が可能なシステムへのアップグレードについても簡素に報告する。

論文

Measurements of electron-induced neutrons as a tool for determination of electron temperature of fast electrons in the task of optimization laser-produced plasma ions acceleration

榊 泰直; 西内 満美子; 前田 祥太; 匂坂 明人; Pirozhkov, A. S.; Pikuz, T.; Faenov, A.*; 小倉 浩一; 深見 智代; 松川 兼也*; et al.

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02A705_1 - 02A705_4, 2014/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:81.48(Instruments & Instrumentation)

高強度レーザーとプラズマの相互作用によるイオン発生において、電子特性の計測は不可欠である。そのため、様々な計測手法が提案されているが、今回我々は、光核中性子反応による中性子を計測することで、精度よく電子特性の計測を行う新規性の高い手法を提案する。この手法は、イオン加速エネルギー計測と共にピークパワー1$$times$$10$$^{21}$$W/cm$$^{2}$$のJ-KARENレーザーによって実証された。イオン加速エネルギーと本手法による計測結果は極めて相関をもつことがわかり、改良を重ねて行けば非常に良い計測器になり得ることがわかった。

論文

Observation of preformed plasma generated from a thin-foil target for laser-driven proton acceleration

匂坂 明人; Pirozhkov, A. S.; 西内 満美子; 小倉 浩一; 榊 泰直; 余語 覚文; 森 道昭; 桐山 博光; 岡田 大; 金沢 修平; et al.

レーザー研究, 42(2), p.160 - 162, 2014/02

強度レーザーと薄膜との相互作用により、高エネルギーの粒子,硬X線,高次高調波,テラヘルツ波などが発生する。特にレーザー駆動陽子線については、医療用などの小型イオン源への利用が期待されている。今回、日本原子力研究開発機構設置のチタンサファイアレーザー(J-KAREN)を用い、薄膜ターゲットから発生した陽子の計測を行った。ターゲット表面から発生したプリプラズマの大きさは、自然増幅光のメインパルス以前部分のパルス幅を短くすることで減少した。ターゲット裏面の垂直方向に発生する陽子の最大エネルギーは、プリプラズマの大きさを制御することにより増加した。

論文

Ultra-intense, high spatio-temporal quality petawatt-class laser system and applications

桐山 博光; 下村 拓也; 森 道昭; 中井 善基*; 田上 学; 近藤 修司; 金沢 修平; Pirozhkov, A. S.; Esirkepov, T. Z.; 林 由紀雄; et al.

Applied Sciences (Internet), 3(1), p.214 - 250, 2013/03

 被引用回数:11 パーセンタイル:69.38(Chemistry, Multidisciplinary)

ペタワット級超高強度レーザーの利用研究に向けてのレーザー高度化技術開発として、原子力機構で開発を進めている高度に時間・空間制御されたペタワット(PW)級チタンサファイアチャープパルス増幅レーザーシステム(J-KARENレーザーシステム)の紹介を、招待論文(Invited paper)として行う。また、本レーザーシステムにより創出された粒子加速、高輝度X線発生などの研究成果についても報告を行う。

論文

A High energy component of the intense laser-accelerated proton beams detected by stacked CR-39

金崎 真聡; 服部 篤人; 榊 泰直; 福田 祐仁; 余語 覚文; 神野 智史; 西内 満美子; 小倉 浩一; 近藤 公伯; 小田 啓二*; et al.

Radiation Measurements, 50, p.46 - 49, 2013/03

 被引用回数:6 パーセンタイル:39.84(Nuclear Science & Technology)

スタックしたCR-39飛跡検出器を用いてレーザー駆動陽子線の高精度計測を行った。8J, 40fsのチタンサファイヤレーザーをポリイミドフィルムに集光し、陽子線を発生させた。サンプルはラジオクロミックフィルムとCR-39のスタックを厚さ13$$mu$$mのアルミニウムフィルターで覆ったものを使用し、真空中で陽子線の照射を行った。エッチピットを確認することができた最も後方に位置するCR-39のエッチピットを解析することで、高エネルギー成分の陽子のエネルギーをこれまでよりも高精度に求めた。CR-39中の残余飛程は、多段階エッチング法によるエッチピットの成長曲線を利用して算出し、そこから、発生した陽子の最大エネルギーは14.39$$pm$$0.05MeVと求められた。この手法を用いれば、数十MeV級のレーザー駆動陽子線の最大エネルギーを10keVのオーダーまで高精度に求めることが可能である。

論文

Development of a single-shot-imaging thin film for an online Thomson parabola spectrometer

榊 泰直; 金崎 真聡; 福田 祐仁; 西内 満美子; 堀 利彦; 余語 覚文; 神野 智史; 仁井田 浩二*

Review of Scientific Instruments, 84(1), p.013301_1 - 013301_7, 2013/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:73.85(Instruments & Instrumentation)

シングルショットイメージング薄膜がオンライントムソンパラボラのために開発され、原子力機構関西光科学研究所のJ-KARENレーザーでその最初のデータがとられた。MCPなどのイメージングデバイスを使わずとも、4MeV陽子のエネルギースペクトルが計測された。これらの解析には、原子力機構が作成したモンテカルロ型イオン輸送システム(PHITS)コードが利用され、イメージング薄膜の発光特性を実によく再現させた。これらは、今後、新たな計測システムを構築するうえで有効なツールとなるであろう。

論文

Temporal contrast enhancement of petawatt-class laser pulses

桐山 博光; 下村 拓也; 笹尾 一; 中井 善基*; 田上 学; 近藤 修司; 金沢 修平; Pirozhkov, A. S.; 森 道昭; 福田 祐仁; et al.

Optics Letters, 37(16), p.3363 - 3365, 2012/08

 被引用回数:29 パーセンタイル:11.89(Optics)

原子力機構で開発を進めているペタワット(PW)級チタンサファイアチャープパルス増幅レーザーシステム(J-KARENレーザーシステム)の高度化として、時間コントラストの向上を行った。J-KARENレーザーの前置増幅器である光パラメトリックチャープパルス増幅器(OPCPA)を低利得で動作させ、かつOPCPAの直後に可飽和吸収体を用いることにより、70テラワット(TW)の出力レベルにおいて、サブナノ秒の時間領域で1.4$$times$$10$$^{12}$$の高いコントラストを実証した。また、メインパルス近傍のピコ秒領域のコントラストを向上するため、音響光学分散フィルターでスペクトルノイズを除去することにより、約2桁の改善を実証した。この高品質のレーザー光をさらに増幅し、圧縮前で28Jまでの増幅を実現した。本システムにより、再圧縮することにより、約600TWの高いピーク強度のレーザーパルスがポテンシャルとして生成可能であることを確認した。

論文

Proton acceleration to 40 MeV using a high intensity, high contrast optical parametric chirped-pulse amplification/Ti:sapphire hybrid laser system

小倉 浩一; 西内 満美子; Pirozhkov, A. S.; 谷本 壮*; 匂坂 明人*; Esirkepov, T. Z.; 神門 正城; 静間 俊行; 早川 岳人; 桐山 博光; et al.

Optics Letters, 37(14), p.2868 - 2870, 2012/07

 被引用回数:65 パーセンタイル:2.65(Optics)

OPCPA方式チタンサファイアレーザーで発生した高コントラスト(10$$^{10}$$)高強度(10$$^{21}$$)短パルス(40fs)のレーザー光を用いて、従来の最大エネルギー25MeVを超える40MeVの陽子線を得た。このときのレーザーエネルギーは10ジュール以下であった。15MeV以上の陽子線の発生効率は、0.1%であった。

論文

イオンビーム特性評価を目的とした固体飛跡検出器CR-39の利用

金崎 真聡; 福田 祐仁; 榊 泰直; 西内 満美子; 近藤 公伯; 倉島 俊; 神谷 富裕; 服部 篤人*; 小田 啓二*; 山内 知也*

プラズマ・核融合学会誌, 88(5), p.261 - 275, 2012/05

固体飛跡検出器として用いられているCR-39は、光学材料として開発されたプラスチック素材で、大気中のラドン濃度計測や、宇宙線計測,生物細胞照射実験などさまざまな分野に利用されている。レーザープラズマのような電子線やX線が混在する場においても、イオンのみを選択的に検出し、またその精度が非常に高いことから、混成場におけるイオン検出器として注目を集めている。CR-39には、イオンビーム特性(エネルギー同定,核種同定など)に関する情報を引き出すために、さまざまな検出法や解析手法が存在する。しかし、それら手法のほとんどは、プラズマ研究者に広く知られていないのが現状である。本講座では、ここ数年間の原子力機構と神戸大学大学院海事科学研究科の共同研究の成果を中心に、CR-39を用いたレーザー駆動イオンビームの特性評価に関する解説を行う。

論文

Review of laser-driven ion sources and their applications

大道 博行; 西内 満美子; Pirozhkov, A. S.

Reports on Progress in Physics, 75(5), p.056401_1 - 056401_71, 2012/05

 被引用回数:448 パーセンタイル:2.28(Physics, Multidisciplinary)

This paper reviews firstly, the historical background of the studies including the early laser-matter interaction studies on the energetic ion generation. Secondly, we describe several proposed mechanisms of energetic proton and/or ion generation. We also review theoretical proposals of quasi-mono-energetic ion beam generation. Thirdly, the experimental results on the proton/ion generation are reviewed. For example, we list up the various experimental results to compare them with the theoretical predictions and simulations. The fourth topic of this review includes potential and future practical applications of laser driven proton or ion sources.

論文

Complementary characterization of radioactivity produced by repetitive laser-driven proton beam using shot-to-shot proton spectral measurement and direct activation measurement

小倉 浩一; 静間 俊行; 早川 岳人; 余語 覚文; 西内 満美子; 織茂 聡; 匂坂 明人; Pirozhkov, A. S.; 森 道昭; 桐山 博光; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 51(4), p.048003_1 - 048003_2, 2012/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:87.32(Physics, Applied)

繰り返し動作(1Hz)可能な高強度レーザーを用いて高エネルギーのプロトンを発生した。そのプロトンをリチウムターゲットに照射し、$$^{7}$$Li(p,n)$$^{7}$$Be反応を起こした。反応によって生成した$$^{7}$$BeをGe半導体検出器を用いて測定した。その結果、1.7$$pm$$0.2Bqが生成したことがわかった。一方、生成したプロトンのスペクトルを飛行時間法を用いて測定し、放射化断面積を用いて放射化量を評価した。その結果、1.6$$pm$$0.3Bqが得られた。誤差範囲で一致した。そこで、われわれは、レーザー駆動粒子線を用いて放射化反応を起こさせる場合、反応量を飛行時間法でレーザーショットごとにモニターする方法を提案する。

論文

Quasi-monochromatic pencil beam of laser-driven protons generated using a conical cavity target holder

西内 満美子; Pirozhkov, A. S.; 榊 泰直; 小倉 浩一; Esirkepov, T. Z.; 谷本 壮; 金崎 真聡; 余語 覚文; 堀 利彦; 匂坂 明人; et al.

Physics of Plasmas, 19(3), p.030706_1 - 030706_4, 2012/03

 被引用回数:6 パーセンタイル:63.68(Physics, Fluids & Plasmas)

2J 60fsのチタンサファイアレーザー光を、コニカル形状を持ったターゲットホルダに装着したターゲットに照射することによって、7MeVのコリメートされた陽子線($$10^6$$個/spot)を生成することに成功した。ターゲットホルダ上に陽子に前駆して発生する電子によって生成される電場が陽子線の軌道を変え、エネルギー選択をも行うと考えられる。

論文

Measurement of DNA double-strand break yield in human cancer cells by high-current, short-duration bunches of laser-accelerated protons

余語 覚文; 佐藤 克俊; 錦野 将元; 前田 拓也*; 榊 泰直; 堀 利彦*; 小倉 浩一; 西内 満美子; 手島 昭樹*; 西村 博明*; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 50(10), p.106401_1 - 106401_7, 2011/10

 被引用回数:5 パーセンタイル:69.82(Physics, Applied)

To investigate the radiobiological effects of high dose rates that are attributed to high current, short bunch beam generation with laser-dreven ion acceleration, we have developed an experimental setup that uses laser-accelerated protons. ${it In-vitro}$ human lung cancer cells: A549 pulmonary adenocarcinoma are irradiated with a laser-accelerated proton bunches with a duration of $$2 times 10^{-8}$$ s and flux of $$sim10^{15}$$ cm$$^{-2}$$s$$^{-1}$$, amounting to single bunch absorbed dose at the 1 Gy level. The double-strand break (DSB) yield in cell DNA is analyzed for the laser-accelerated proton beam at an average LET of 41 keV/$$mu$$m.

論文

Development of laser-driven quasi-monoenergetic proton beam line for radiobiology

余語 覚文; 前田 拓也; 堀 利彦; 榊 泰直; 小倉 浩一; 西内 満美子; 匂坂 明人; Bolton, P.; 村上 昌雄*; 河西 俊一; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 653(1), p.189 - 192, 2011/10

 被引用回数:6 パーセンタイル:44.68(Instruments & Instrumentation)

We report on the development of quasi-monoenergetic proton irradiation system driven by laser and its application to radiobiological studies. Protons accelerated by $$5times10^{19}$$ W/cm$$^2$$ laser pulses are energy-selected by quadruple-dipole magnets (QDM) and delivered with an energy peak at 2.25 MeV and energy spread of 0.66 MeV on the full width at half maximum (FWHM). Cell survival ratio is measured with a colony formation assay for ${it in-vitro}$ cell samples from human salivary grand tumor (HSG cells) after the proton irradiation up to 8 Gy with successive bunches having a dose rate of $$10^7$$ Gy/s. We report on the results of RBE (relative biological effectiveness) measurement, which is the first one for laser-accelerated ions.

論文

数十MeV級レーザー駆動型粒子線用オンライン・トムソンパラボラの開発

榊 泰直; 金崎 真聡; 堀 利彦*; 福田 祐仁; 余語 覚文; 西内 満美子; 片桐 政樹*; 仁井田 浩二*

Proceedings of 8th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.667 - 669, 2011/08

原子力機構では、コンパクトな高エネルギー粒子源の開発を目指し、レーザー駆動型粒子線源の開発を行っている。2010年報告したように、これまでにCO$$_{2}$$クラスターをターゲットとして用いた際には、10MeV/核子を超えるような高エネルギー粒子線が実現されているが、その物理メカニズムを深く掘り下げさらに効率的な加速を行うためには、レーザー光やクラスターのパラメータの最適化をこれまで以上に実施していく必要がある。レーザー駆動型粒子線の計測では、レーザーが物質に照射されて生じるプラズマ状態から発生する、電子線やX線などのさまざまな放射線の影響があるために、電子に感度がないCR39などの固体飛跡検出器が一般的に使われている。そのため、レーザー光とイオン発生に関する計測は実時間性のないCR39の解析をパラメータごとに大量に行わねばならず、そのことがデータ解析の進捗を妨げることが多いのが現状である。そこで、数十MeVのオンライン計測を狙い、原子力機構が開発した中性子検出用の蛍光体(ZnS)と、そのデータ解析にPHITSコードを利用した、オンライン型の高精度トムソンパラボラスペクトロメーターを開発する手法を確立したので報告する。

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