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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

Stabilization of radiation reaction with vacuum polarization

瀬戸 慧大*; Zhang, S.*; Koga, J. K.; 長友 英夫*; 中井 光男*; 三間 圀興*

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2014(4), p.043A01_1 - 043A01_10, 2014/04

 被引用回数:9 パーセンタイル:32.7(Physics, Multidisciplinary)

From the development of the electron theory by H. A. Lorentz in 1906, many authors have tried to reformulate this model. P. A. M. Dirac derived the relativistic-classical electron model in 1938, which is now called the Lorentz-Abraham-Dirac model. But this model has the big difficulty of the run-away solution. Recently, this equation has become important for ultra-intense laser-electron (plasma) interactions. For simulations in this research field, it is desirable to stabilize this model of the radiation reaction. In this paper, we will discuss this ability for radiation reaction with the inclusion of vacuum polarization.

論文

Theoretical study of ultrarelativistic laser-electron interaction with radiation reaction

瀬戸 慧大*; 長友 英夫*; Koga, J. K.; 田口 俊弘*; 三間 圀興*

EPJ Web of Conferences (Internet), 59, p.17020_1 - 17020_4, 2013/11

 パーセンタイル:100

When the laser intensity becomes higher than 10$$^{22}$$ W/cm$$^2$$, the motion of the electron becomes relativistic with the large radiation. This radiation energy loss transferred to the kinetic energy loss of the electron, is treated as an external force, the "radiation reaction force". We show the new equation of motion with radiation reaction and the simulation method and result of single electron system or dual electrons system with Li$'e$nard-Wiechert field interaction.

論文

Radiation reaction in ultrarelativistic laser-spinning electron interactions

瀬戸 慧大*; 長友 英夫*; Koga, J. K.; 三間 圀興*

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2013(5), p.053A01_1 - 053A01_10, 2013/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:84.55(Physics, Multidisciplinary)

The intensity of ultra-short pulse lasers has reached $$10^{22}$$ W/cm$$^2$$ owing to the advancements in laser technology. The large radiation from the electron behaves something like resistance in this ultrarelativistic laser-electron interaction. This effect is called the "radiation reaction". The equation of motion with the radiation reaction is known as the Lorentz-Abraham-Dirac equation; however, this equation does not incorporate the spin property. In laser plasmas, classical physics descriptions are preferred for simulations. This paper discusses how to describe the radiation reaction of a spinning relativistic electron in classical dynamics.

論文

Theoretical study of ultra-relativistic laser electron interaction with radiation reaction by quantum description

瀬戸 慧大*; 長友 英夫*; Koga, J. K.; 三間 圀興*

Plasma and Fusion Research (Internet), 7(Sp.1), p.2404010_1 - 2404010_4, 2012/02

In the near future, the intensity of the ultra-short pulse laser will reach to $$10^{22}$$ W/cm$$^2$$. When an electron is irradiated by this laser, the electron's behavior is relativistic with a significant bremsstrahlung. This radiation from the electron is regarded as the energy loss of electron. Therefore, the electron's motion is changed because of the kinetic energy changing. This radiation effect on the charged particle is the self-interaction, called the "radiation reaction" or the "radiation damping". For that reason, the radiation reaction appears in laser electron interactions with an ultra-short pulse laser whose intensity becomes larger than $$10^{22}$$ W/cm$$^2$$. In the classical theory, it is described by the Lorentz-Abraham-Dirac (LAD) equation. We propose the new equation of motion in the quantum theory with a radiation reaction in this paper.

論文

Equation of motion with radiation reaction in ultrarelativistic laser-electron interactions

瀬戸 慧大*; 長友 英夫*; Koga, J. K.; 三間 圀興*

Physics of Plasmas, 18(12), p.123101_1 - 123101_8, 2011/12

 被引用回数:9 パーセンタイル:50.86(Physics, Fluids & Plasmas)

The intensity of the ultra-short pulse lasers has reached 10$$^{22}$$ W/cm$$^2$$ owing to the advancements of laser technology. When the motion of an electron becomes relativistic, bremsstrahlung accompanies it. The energy from this bremsstrahlung corresponds to the energy loss of the electron; therefore, the motion of the electron deviates from the case without radiation. The radiation behaves something like resistance. This effect called "radiation reaction" or "radiation damping" and the force converted from the radiation is named the "radiation reaction force" or the "damping force". The equation of motion with the reaction force is known as the Lorentz-Abraham-Dirac equation, but the solution of this equation isn't physical due to the fact that it has a "run-away" solution. As one solution of this problem, we have derived a new equation which takes the place of the Lorentz-Abraham-Dirac equation. We'll show the validity of this equation with a simple theoretical analysis.

論文

Laser-driven proton generation with a thin-foil target

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

NIFS-PROC-85, p.30 - 33, 2011/02

レーザー駆動イオン源の開発を目的とし、陽子発生実験を行った。薄膜ターゲットを用いて、レーザーとプラズマとの相互作用により発生した陽子を計測した。高エネルギー陽子を得るため、レーザーのコントラストレベルを下げて、プリプラズマの大きさを減少させた。高コントラストのレーザーパルスを用いた結果、ターゲット裏面方向に発生する陽子の最大エネルギーは増加した。

論文

FIREX project and effects of self-generated electric and magnetic fields on electron-driven fast ignition

三間 圀興*; 砂原 淳*; 白神 宏之*; 西村 博明*; 疇地 宏*; 中村 龍史; 城崎 知至*; 長友 英夫*; Garcia, C.*; Veralde, P.*

Plasma Physics and Controlled Fusion, 52(12), p.124047_1 - 124047_6, 2010/12

 被引用回数:8 パーセンタイル:60.24(Physics, Fluids & Plasmas)

高速点火核融合は少ないレーザーエネルギーで核融合反応を実現できると期待されている。大阪大学では10kJ, 10psの点火用レーザー(LFEX)を建設中である。現在までに、全4本のビームのうち1本のビームを完成させ統合実験を進めており、幾つか新しい課題が明らかとなってきた。特に、プリパルスによる膨張プラズマの形成により、点火用レーザーのエネルギーが効果的に電子へ変換されていないことが示唆されている。本論文では、プリプラズマの制御を目的としたターゲットのコーティング、また、ダブルコーン形状の採用による電子運動の制御について提案を行った。

論文

Proton generation and terahertz radiation from a thin-foil target with a high-intensity laser

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

レーザー研究, 38(9), p.702 - 705, 2010/09

高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(THz)波などが発生する。特に高エネルギー陽子については、医療用としての小型加速器への利用が期待されている。本研究では、薄膜ターゲット照射による陽子ビームとTHz波の同時発生について調べた。原子力機構設置のチタンサファイアレーザー(J-KAREN)を用いて、薄膜ターゲットへの照射実験を行った。その結果、ターゲット裏面方向の陽子とレーザー反射方向のTHz波の同時発生を測定した。また、プリプラズマを抑制することで陽子の高エネルギー化を確認した。

論文

Control of laser-accelerated proton beams by modifying the target density with ASE

余語 覚文; 桐山 博光; 森 道昭; Esirkepov, T. Z.; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 織茂 聡; 西内 満美子; Pirozhkov, A. S.; 長友 英夫*; et al.

European Physical Journal D, 55(2), p.421 - 425, 2009/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:75.87(Optics)

高強度レーザー光に先んじてターゲットに入射する自然増幅光(amplified spontaneous emission: ASE)を利用して、固体ターゲットを近臨界密度プラズマに変換し、そこからのレーザーイオン加速を実証した。本発表では、ASE強度を3桁変化させることで、ターゲットの密度がレーザーイオン加速に与える効果を直接的に比較した。その結果、ターゲット密度を変化させることで、レーザー加速された陽子線のビーム方向を制御できることが明らかになった。

論文

Observation of UV harmonics from a thin-foil target in the high-intensity laser-driven proton generation

匂坂 明人; Pirozhkov, A. S.; Ma, J.-L.; 森 道昭; 余語 覚文; 小倉 浩一; 織茂 聡; 西内 満美子; 桐山 博光; 金沢 修平; et al.

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.8, p.464 - 467, 2009/09

高エネルギー陽子発生における薄膜ターゲットからの紫外高調波を、レーザーのパルス幅を変えて計測した。陽子の最大エネルギーは、およそ1MeVであった。パルス幅$$sim$$500fsのとき、4次までの紫外高調波が測定された。パルス幅を$$sim$$100fsや$$sim$$30fsに変えた場合、紫外高調波においてスペクトルの広がりやシフトが測定された。

論文

Experimental and computational characterization of hydrodynamic expansion of a preformed plasma from thin-foil target for laser-driven proton acceleration

匂坂 明人; 長友 英夫*; 大道 博行; Pirozhkov, A. S.; 小倉 浩一; 織茂 聡; 森 道昭; 西内 満美子; 余語 覚文; 加道 雅孝

Journal of Plasma Physics, 75(5), p.609 - 617, 2009/06

 被引用回数:5 パーセンタイル:74.13(Physics, Fluids & Plasmas)

レーザー駆動陽子発生でのプリプラズマの電子密度分布を評価するため、高強度チタンサファイアレーザーのプリパルスやASEによって生成される薄膜ターゲットからのプリプラズマを、2倍高調波のプローブ光によって計測した。さらに、メインパルス前のASEの時間幅を変え、ターゲット表面のプリプラズマサイズを減らすことで、高エネルギー陽子が得られた。また2次元流体コードによるシミュレーションを行った結果、レーザー入射側の低電子密度領域($$sim$$4$$times$$10$$^{19}$$ cm$$^{-3}$$)において、実験結果に近づくことがわかった。

論文

精密に時間制御された高強度レーザーによるイオン加速

余語 覚文; 大道 博行; 森 道昭; 桐山 博光; Bulanov, S. V.; Bolton, P.; Esirkepov, T. Z.; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 織茂 聡; et al.

レーザー研究, 37(6), p.449 - 454, 2009/06

パルス時間波形の高度に制御された1Hz繰返し運転可能なレーザーを用いて、密度の制御されたターゲットからの陽子線加速機構を検証した。実験の結果、高コントラストのレーザーを用いた、固体密度ターゲットを用いた陽子線加速では、エネルギーの安定した陽子線を再現性よく発生させることが可能となった。一方、臨界密度近傍に制御されたターゲットでは、ビームの高エネルギー成分が低エネルギー成分とは異なる方向に加速される結果を得た。計算機シミュレーションの結果、ターゲット裏面の磁場が陽子線加速電場を傾かせる効果をもつことが明らかになった。これをさらに発展させて、ターゲットの密度分布を高度に制御すれば、ビーム方向をエネルギーに応じてコントロールすることが可能になると考えられる。高強度レーザーの時間・空間制御技術の発展は、レーザー駆動粒子線の利用研究において、今後さらに重要な役割を担うことになるものと結論する。

論文

Probing of nonlinear evolution of laser wakefield by Raman scattering of laser light

Zhou, W.*; 三間 圀興*; 中村 龍史; 長友 英夫*

Physics of Plasmas, 15(9), p.093107_1 - 093107_6, 2008/09

 被引用回数:7 パーセンタイル:64.24(Physics, Fluids & Plasmas)

レーザー航跡場中に低強度のプローブレーザーを照射すると、プローブレーザーは航跡場と相互作用することでラマン散乱される。この散乱光のスペクトルから航跡場の密度分布に関する情報を得ることができる。過去の研究では、ラマン散乱による幾つかのサイドバンドを持つスペクトルが解析的に得られている。これらの解析をさらに発展させ、より詳細なプラズマ分布の情報が得られることを示した。このモデルは1次元の粒子シミュレーションにより検証され、両者はよい一致を示した。また過去の実験結果を再現することを示した。

論文

Efficient production of a collimated MeV proton beam from a Polyimide target driven by an intense femtosecond laser pulse

西内 満美子; 大道 博行; 余語 覚文; 織茂 聡; 小倉 浩一; Ma, J.-L.; 匂坂 明人; 森 道昭; Pirozhkov, A. S.; 桐山 博光; et al.

Physics of Plasmas, 15(5), p.053104_1 - 053104_10, 2008/05

 被引用回数:36 パーセンタイル:13.53(Physics, Fluids & Plasmas)

超高強度フェムト秒レーザーを7.5, 12.5, and 25$$mu$$m厚のポリイミドターゲットに照射することにより、最高エネルギー4MeVの高フラックスプロトンビームを発生した。レーザーのエネルギーは1.7Jパルス幅34fs強度は3$$times$$10$$^{19}$$Wcm$$^{-2}$$であった。Amplified spontaneous emissionの強度(コントラスト)はメインパルスの4$$times$$10$$^{-8}$$であった。レーザーからプロトンへのエネルギーの変換効率は、3%に達し、ナノメートル厚の超薄型ターゲットとコントラストが極低いレーザー($$sim$$10$$^{-10}$$)を使って得られた既存の結果とほぼ同じか、それよりも良い結果を得た。

論文

Laser ion acceleration via control of the near-critical density target

余語 覚文; 大道 博行; Bulanov, S. V.; 根本 孝七*; 大石 祐嗣*; 名雪 琢弥*; 藤井 隆*; 小倉 浩一; 織茂 聡; 匂坂 明人; et al.

Physical Review E, 77(1), p.016401_1 - 016401_6, 2008/01

 被引用回数:86 パーセンタイル:2.19(Physics, Fluids & Plasmas)

集光強度$$10^{13}$$W/cm$$^2$$のレーザー自発光(ASE)を厚さ7.5$$mu$$mのポリイミド薄膜に照射し臨界密度近傍に制御することで、$$p$$偏光, 45fs, $$10^{19}$$W/cm$$^2$$の高強度レーザーを用いて最大エネルギー3.8MeVのプロトン加速に成功した。プロトンビームの方向はターゲット垂直方向からレーザー進行方向(45$$^{circ}$$)へシフトしていることが明らかになった。PICシミュレーションの結果、ターゲット裏面に生じる強力な磁場が加速電場を保持し、プロトンが効率的に加速されることが明らかになった。

論文

Laser-driven proton acceleration from a near-critical density target

余語 覚文; 大道 博行; Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; 根本 孝七*; 大石 祐嗣*; 名雪 琢弥*; 藤井 隆*; 小倉 浩一; 織茂 聡; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 112, p.042034_1 - 042034_4, 2008/00

 パーセンタイル:100

集光強度10$$^{19}$$-W/cm$$^2$$の高強度レーザーを、厚さ7.5$$mu$$mの絶縁体(ポリイミド)薄膜に照射し、最大エネルギー3.8MeVのプロトン発生に成功したので報告する。なお、高強度レーザーのエネルギーは0.8J、パルス幅は45fs、メインパルスに伴うASEプリパルスのコントラスト比は10$$^5$$であった。発生したプロトンの測定には、独自に開発した飛行時間(TOF)エネルギー分析装置によるオンライン分析が行われた。2台のTOF分析器を用いることで、プロトンエネルギースペクトルの発生方向依存性の評価を行い、その結果、プロトンの高エネルギー成分は、レーザー進行方向へシフトしており、レーザー集光条件に強く依存することが明らかになった。講演ではこのプロトン発生機構についても議論する。

論文

Optimization of cone target geometry for fast ignition

中村 龍史*; 坂上 仁志*; 城崎 知至*; 長友 英夫*; 三間 圀興*; Koga, J. K.

Physics of Plasmas, 14(10), p.103105_1 - 103105_7, 2007/10

 被引用回数:63 パーセンタイル:6.03(Physics, Fluids & Plasmas)

Electron energy characteristics generated by the irradiation of ultra-intense laser pulses onto solid targets are controlled by using cone targets. Two parameters characterizing the laser-cone interaction are introduced, which are cone angle and the ratio of the laser spot size to the cone tip size. By changing these parameters, the energy absorption rate, laser irradiance at the cone tip, and electron acceleration at the cone tip and side wall are controlled. The optimum cone targets for fast ignition are those with 30 degree cone angles with a double-cone geometry, and a tip size comparable to the core size, with the irradiation of a laser pulse with a spot size of about 4 times the cone tip size. Cone targets have the possibility to enhance the maximum energy of laser-accelerated protons by using a smaller angle cone depending on the laser f-number.

論文

High energy electron generation by laser-cone interaction

中村 龍史*; 坂上 仁志*; 城崎 知至*; 長友 英夫*; 三間 圀興*; Koga, J. K.

Plasma and Fusion Research (Internet), 2, p.018_1 - 018_6, 2007/05

超高強度レーザーパルスとコーンターゲットとの相互作用における電子加速過程について2次元PICシミュレーションによる解析を行い、コーンターゲットから生成される電子特性を探った。解析の結果、レーザー-コーン相互作用に特有の二つの優位な加速過程があることが判明した。一つは、コーンターゲットの側壁に沿った加速と輸送で、電子は表面磁場と電場によりコーン先端に向かってガイドされる。二つ目は、コーン先端でのレーザー場による動重力加速で、その効果はコーン集束により強められる。これらの加速過程を理解することにより、コーンターゲットの設計と電子のエネルギー特性の制御について指針が得られると期待される。

論文

Characterization of thin-foil preformed plasmas for high-intensity laser plasma interactions

匂坂 明人; 大道 博行; Pirozhkov, A. S.; 小倉 浩一; 織茂 聡; 森 道昭; 西内 満美子; 余語 覚文; 加道 雅孝; 中村 衆*; et al.

Acta Physica Hungarica B, 26(3-4), p.327 - 333, 2006/00

高強度レーザーと薄膜との相互作用により生成される高エネルギーのX線,イオン,電子は、テーブルトップの放射線源として注目されさまざまな応用が提案されている。ここでレーザーと薄膜との相互作用の物理過程を調べるうえで、レーザーのプリパルスによって生成されるプリプラズマを評価しておく必要がある。本実験では、原子力機構設置のチタンサファイアレーザー(JLITE-X)を集光用のポンプ光と計測用のプローブ光に分け、ポンプ光をチタン薄膜ターゲットに照射し、発生するプリプラズマをプローブ光の干渉計測によって測定した。ポンプ光の集光強度は$$sim$$2$$times$$10$$^{17}$$W/cm$$^{2}$$であり、プローブ光は、2倍高調波(400nm)を用いて計測を行った。ポンプ光とプローブ光の時間差を調整し、メインパルスの約50ps前でのプリプラズマを測定したところ、レーザー入射側にプリプラズマが生成されていることがわかった。さらにプリプラズマサイズに対するプロトン発生の依存性を調べた結果、プリプラズマを抑制することでプロトンの発生量が大きく変化することがわかった。このような結果は、メインパルスと薄膜との相互作用の解明にとって有用である。

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