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論文

Ion acceleration in subcritical density plasma via interaction of intense laser pulse with cluster-gas target

福田 祐仁; Faenov, A.*; 反保 元伸; Pikuz, T.*; 中村 龍史; 神門 正城; 林 由紀雄; 余語 覚文; 榊 泰直; 亀島 敬*; et al.

Progress in Ultrafast Intense Laser Science VII, p.225 - 240, 2011/05

本研究では、サブ臨界密度プラズマを生成させるために、世界に先駆けて、クラスターを含むガスターゲットをイオン加速研究に導入し、核子あたりの最大エネルギーが10$$sim$$20MeV/nという、従来の同規模クラスのレーザー装置を用いた場合の約10倍の加速エネルギーを得ることに成功した。クラスターターゲットは、連続供給が可能であるうえに、この手法により生成したイオンの発散角は、従来手法よりも小さく、医療利用へ向けたビーム伝送・照射系の設計にも適していることが明らかとなった。

論文

Energy increase in multi-MeV ion acceleration in the interaction of a short pulse laser with a cluster-gas target

福田 祐仁; Faenov, A. Y.; 反保 元伸; Pikuz, T. A.*; 中村 龍史; 神門 正城; 林 由紀雄; 余語 覚文; 榊 泰直; 亀島 敬*; et al.

Physical Review Letters, 103(16), p.165002_1 - 165002_4, 2009/10

 被引用回数:137 パーセンタイル:3.12(Physics, Multidisciplinary)

小型極短パルスレーザーとクラスターターゲットを用いた新しいイオン加速手法を提案する。この手法では、従来手法よりも小さな発散角(3.4$$^{circ}$$)で、イオンの加速エネルギー10$$sim$$20MeV/uを達成した。この加速エネルギーは、固体ターゲットを用いた従来手法の約10倍増に相当する。粒子コードによるシミュレーションにより、クラスターターゲット裏面の臨界密度プラズマ中で成長する強力な電磁場構造が、高エネルギーイオン発生に重要な役割を果たしていることが示唆されている。

論文

Submicron ionography of nanostructures using a femtosecond- laser-driven-cluster-based source

Faenov, A. Y.; Pikuz, T. A.*; 福田 祐仁; 神門 正城; 小瀧 秀行; 本間 隆之; 川瀬 啓悟; 亀島 敬*; Pirozhkov, A. S.; 余語 覚文; et al.

Applied Physics Letters, 95(10), p.101107_1 - 101107_3, 2009/09

 被引用回数:25 パーセンタイル:28.23(Physics, Applied)

An intense isotropic source of multicharged carbon and oxygen ions with energy above 300 keV and high quantity per shot was obtained by femtosecond Ti:Sa laser irradiation of clusters, produced by expansion of the mixed He and CO$$_{2}$$ gases in a supersonic nozzle. The source was employed for high contrast ionography images with 600 nm spatial resolution. A difference in object thickness of 100 nm was well resolved for both Zr and polymer foils.

論文

Application of snow nanograin targets for the generation of fast ions in femtosecond laser plasma

Faenov, A. Y.; Magunov, A. I.*; Pikuz, S. A.*; Gasilov, S. V.*; Skobelev, I. Yu.*; Palchan, T.*; Zigler, A.*; Henis, Z.*

Journal of Experimental and Theoretical Physics, 107(3), p.351 - 355, 2008/09

The energy of the directed motion of multiply charged ions produced when solid targets are exposed by low-contrast femtosecond laser pulses with low intensities. The measurements are based on the recording of spatially resolved X-ray spectra for H- and He-like Oxygen ions in the target plane. Analysis of the He- and H-like ions line profiles has revealed fractions of accelerated ions in plasma with energies from several to several tens of kiloelectron volts. We show that using a layer of frozen nanometer-size water droplets as the targets leads to an effective absorption of laser pulses and a twofold rise in the energy (to 0.1 MeV) of He-like oxygen ions compared to the use of solid targets.

論文

Spectroscopic characterization of ultrashort laser driven targets incorporating both Boltzmann and particle-in-cell models

Sherrill, M. E.*; Abdallah, J.*; Csanak, G.*; Dodd, E. S.*; 福田 祐仁; 赤羽 温; 青山 誠; 井上 典洋*; 上田 英樹*; 山川 考一; et al.

High-Power Laser Ablation VII (Proceedings of SPIE Vol.7005), p.70051R_1 - 70051R_11, 2008/06

A model that solves simultaneously both the electron and atomic kinetics was used to generate synthetic X-ray spectra to characterize high intensity ultrashort-laser-driven target experiments. A particle-in-cell simulation was used to model the laser interaction for both cluster and foil targets and provided the initial electron energy distribution function (EEDF) for a Boltzmann solver. Though this model suggests that both Ar cluster and Ti foil plasmas are held in a highly non-equilibrium state for both the EEDF and the ion level populations for several picoseconds, the spectral line features of the foil experiment was shown to evolve too quickly to be seen by current ultrafast time resolved spectrometers.

論文

Generation of fast ions by an efficient coupling of high power laser into snow nanotubes

Palchan, T.*; Henis, Z.*; Faenov, A. Y.; Magunov, A. I.*; Pikuz, S. A.*; Gasilov, S. V.*; Skobelev, I. Yu.*; Zigler, A.*

Applied Physics Letters, 91(25), p.251501_1 - 251501_3, 2007/12

 被引用回数:12 パーセンタイル:52.39(Physics, Applied)

Generation of fast ions in snow nanotubes irradiated by femtosecond laser pulses in the intensity range of 10$$^{16}$$ - 10$$^{17}$$ W/cm$$^{2}$$ was investigated. The fast ion energy was measured through X-ray emission spectra of multicharged ions of oxygen. The profile of the He-$$beta$$ and Ly-$$alpha$$ in He-like and H-like oxygen lines demonstrates a significant broadening, which may indicate generation of fast He-like and H-like ions with energies of up to 100 keV.

論文

X-ray spectroscopic diagnostics of ultrashort laser-cluster interaction at the stage of the nonadiabatic scattering of clusters

Faenov, A. Y.; Magunov, A. I.*; Pikuz, T. A.*; Skobelev, I. Y.*; Giulietti, D.*; Betti, S.*; Galimberti, M.*; Gamucci, A.*; Giulietti, A.*; Gizzi, L. A.*; et al.

JETP Letters, 86(3), p.178 - 183, 2007/08

 被引用回数:5 パーセンタイル:60.6(Physics, Multidisciplinary)

X-ray spectroscopy diagnostics of laser-cluster interactions at a stage of non-adiabatical cluster expansion and formation of the spatially homogeneous plasma channel is carried out for the first time. It is shown, that X-ray line emission spectra of light elements, allows to determine parameters of the plasma formed at the time moment 10 ps from the beginning of femtosecond laser with relatively high plasma temperature Te 100 eV iand electron density Ne about 10$$^{19}$$ - 10$$^{20}$$ cm$$^{-3}$$.

論文

Spectroscopic characterization of an ultrashort-pulse-laser-driven Ar cluster target incorporating both Boltzmann and particle-in-cell models

Sherrill, M. E.*; Abdallah, J. Jr.*; Csanak, G.*; Dodd, E. S.*; 福田 祐仁; 赤羽 温; 青山 誠; 井上 典洋*; 上田 英樹*; 山川 考一; et al.

Physical Review E, 73(6), p.066404_1 - 066404_6, 2006/06

 被引用回数:29 パーセンタイル:20.85(Physics, Fluids & Plasmas)

電子と原子のキネティクスを連立して解くモデルを用いて、極短パルスレーザー照射Arクラスターから発生したK殼X線スペクトル(He$$_alpha$$線)の解析を行った。このモデルでは、非平衡電子エネルギー分布関数はPICコードを用いて生成したものを用いた。その結果、X線は極めて非平衡な状態にある高密度プラズマから発生しており、その時間スケールは約5.7psであることがわかった。また、さらに固体密度に近い10$$^{21}$$cm$$^{-3}$$を超えるイオン密度のクラスタープラズマの生成が可能となった場合には、X線発生のタイムスケールはフェムト秒となることが明らかとなった。

論文

Coupled electron and atomic kinetics through the solution of the Boltzmann equation for generating time-dependent X-ray spectra

Sherrill, M. E.*; Abdallah, J. Jr.*; Csanak, G.*; Kilcrease, D. P.*; Dodd, E. S.*; 福田 祐仁; 赤羽 温; 青山 誠; 井上 典洋*; 上田 英樹; et al.

Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 99(1-3), p.584 - 594, 2006/05

 被引用回数:2 パーセンタイル:85.91(Optics)

本研究では、電子分布関数が非熱的、かつ、イオンの内部状態が非定常であるような極めて非平衡なプラズマ中における電子と原子のキネティクスを自己無矛盾に解くモデルを開発した。このモデルを用いて、原研100TWレーザーを用いて測定されたArクラスターからのK殼X線スペクトル(He$$_alpha$$線)の解析を行った。

論文

Measurement of $$2l-nl$$' X-ray transitions from $$approx$$1 $$mu$$m Kr clusters irradiated by high-intensity femtosecond laser pulses

Hansen, S. B.*; Fournier, K. B.*; Faenov, A. Y.*; Magunov, A. I.*; Pikuz, T. A.*; Skobelev, I. Y.*; 福田 祐仁; 赤羽 温; 青山 誠; 井上 典洋*; et al.

Physical Review E, 71(1), p.016408_1 - 016408_9, 2005/01

 被引用回数:15 パーセンタイル:40.92(Physics, Fluids & Plasmas)

原研100TWレーザーを直径約1$$mu$$mのKrクラスターに照射し、Ne-like Krイオンの$$2l-nl$$'遷移に由来するX線スペクトルを測定した。X線スペクトルの入射レーザー光の強度に対する依存性は弱かった。このことは、クラスターの寿命(1-2ps)が、衝突イオン化で生成した多価イオンのイオン化レベルをNe-like Krまでに留めていることを示唆している。 相対論的多配置FACコードに基づいた衝突放射モデルを作成し、実験結果のシミュレーションを行った。その結果、クラスタープラズマの電子密度=10$$^{22}$$cm$$^{-3}$$,温度=数百eV,高速電子含有率=数%という結果が得られた。

論文

Generation of X-rays and energetic ions from superintense laser irradiation of micron-sized Ar clusters

福田 祐仁; 赤羽 温; 青山 誠; 井上 典洋*; 上田 英樹; 岸本 泰明; 山川 考一; Faenov, A. Y.*; Magunov, A. I.*; Pikuz, T. A.*; et al.

Laser and Particle Beams, 22(3), p.215 - 220, 2004/07

マイクロメートルサイズのArクラスターに高強度レーザー(レーザー強度=10$$^{19}$$W/cm$$^2$$,パルス幅=30fs)を照射することによって発生したプラズマからの高分解能X線スペクトルを測定した。発生したHe$$_{alpha1}$$($$lambda$$=3.9491$AA , 3.14keV)$のフォトン数は、2$$times$$10$$^8$$photons/pulseであり、固体ターゲット照射時に匹敵するフォトン数であることが明らかになった。X線スペクトル測定と同時に、発生した高速多価イオンのエネルギー分布を測定した。発生した多価イオンの平均エネルギーは、約800keVであった。コントラスト比の高いレーザーパルスによって発生した高速電子はクラスターターゲットのisochoric heatingを可能にし、より高い価数のイオン生成、及び、He$$_{alpha1}$$線強度の増大をもたらすことが明らかとなった。

論文

Microdroplet evolution induced by a laser pulse

Smirnov, M. B.*; Skobelev, I. Y.*; Magunov, A. I.*; Faenov, A. Y.*; Pikuz, T. A.*; 福田 祐仁; 山川 考一; 赤羽 温; 青山 誠; 井上 典洋*; et al.

Journal of Experimental and Theoretical Physics, 98(6), p.1123 - 1132, 2004/06

高強度レーザーと10$$^9$$-10$$^{10}$$個の原子から構成される巨大クラスター(マイクロドロップレット)との相互作用について検討を行った。巨大クラスターの大きさは、レーザー波長に匹敵する大きさである。高強度レーザーパルス照射によって誘起される巨大クラスターのダイナミクスを記述するモデルを開発し、レーザーパルス通過後に起こるさまざまな過程を解析した。その結果、巨大クラスタープラズマは過熱状態にあることが理論的に示された。すなわち、プラズマの温度は、プラズマ中の多価イオンのイオン化ポテンシャルにほぼ等しいことがわかった。また、巨大クラスタープラズマのパラメータは、レーザーパルスの形状やパルス幅に依存しないことがわかった。これら理論的結果は、日本原子力研究所100TWレーザーのパラメータをさまざまに変化させながら行った(パルス幅:30-500fs,レーザー強度:6$$times$$10$$^{16}$$-2$$times$$10$$^{19}$$W/cm$$^{2}$$)巨大クリプトンクラスターと巨大キセノンクラスターからのX線測定実験によって支持された。

論文

X-ray radiation of clusters irradiated by ultrafast, high-intensity laser pulses

福田 祐仁; 赤羽 温; 青山 誠; 井上 典洋*; 上田 英樹; 岸本 泰明; 山川 考一; Faenov, A. Y.*; Magunov, A. I.*; Pikuz, T. A.*; et al.

Laser-Generated & Other Lab. X-Ray & EUV Sources (Proceedings of SPIE Vol.5196), p.234 - 243, 2004/00

10$$^{19}$$W/cm$$^2$$を超える強レーザー場中における希ガスクラスターからのX線発生に関する研究を行った。本研究では、レーザープレパルスによるクラスターの破壊を抑制するため、ポッケルスセルを用いてプレパルスを除去し、さらに、特殊ノズルを用いてマイクロメーターサイズの巨大クラスターを発生させた。また、時間依存Bolzmann-KineticモデルによるX線スペクトルのシミュレーションを行い、実験結果を定量的に再現することに成功した。

論文

Time-dependent Boltzmann kinetic model of X-rays produced by ultrashort-pulse laser irradiation of argon clusters

Abdallah, J. Jr.*; Csanak, G.*; 福田 祐仁; 赤羽 温; 青山 誠; 井上 典洋*; 上田 英樹; 山川 考一; Faenov, A. Y.*; Magunov, A. I.*; et al.

Physical Review A, 68(6), p.063201_1 - 063201_8, 2003/12

 被引用回数:52 パーセンタイル:11.58(Optics)

極短パルス・高強度レーザー照射によって発生した非平衡プラズマから発生するX線スペクトルのシミュレーションを行うため、時間依存ボルツマン方程式と詳細な原子衝突放射方程式を連立して解いた。シミュレーション結果は、最近日本で測定された極短パルス・高強度レーザー照射アルゴンクラスターから発生したF-likeからHe-likeのアルゴンイオンの高分解スペクトルをよく再現した。

論文

X-ray study of microdroplet plasma formation under the action of superintense laser radiation

福田 祐仁; 山川 考一; 赤羽 温; 青山 誠; 井上 典洋*; 上田 英樹; Abdallah, J. Jr.*; Csanak, G.*; Faenov, A. Y.*; Magunov, A. I.*; et al.

JETP Letters, 78(3), p.115 - 118, 2003/08

 被引用回数:28 パーセンタイル:22.17(Physics, Multidisciplinary)

マイクロメートルサイズのアルゴンクラスターに対して集光強度10$$^{19}$$W/cm$$^2$$のレーザー光を照射し、発生したX線を測定した。非定常キネティックモデルによって計算された多価イオンからのX線生成量の時間変化は、実験で得られたスペクトルを定性的に説明することができた。

論文

Observation of MeV multicharged ions and hot electrons accelerated by a 65-fs laser pulse

Auguste, T.*; Faenov, A. Y.*; 福本 一郎; Hulin, S.*; Magunov, A. I.*; Monot, P.*; D'Oliveira, P.*; Pikuz, T. A.*; 佐々木 明; Sharkov, B. Y.*; et al.

Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 71(2-6), p.147 - 156, 2001/10

 被引用回数:14 パーセンタイル:40.2(Optics)

フェムト秒パルスレーザー照射による高速電子、高速イオンの発生実験を行い、その結果をPICシミュレーションと比較した。実験では、プラズマ中の多価イオンの線スペクトルのドップラーシフトからイオンの速度分布関数を測定し、イオンを加速している電子の分布関数を推定するとともに、電子分光計測により高速電子の分布関数を直接測定した。これらの結果を解析したところ、PICシミュレーションはレーザー・プラズマ相互作用の物理的特徴をよく再現し、実験解析に有用なことがわかった。また、超短パルスレーザー照射で生成したプラズマ中では、電子はアクセル分布とは大きく異なる過渡的なエネルギー分布を持つことがわかった。

口頭

Novel path towards compact laser ion accelerators for hadron therapy; Tenfold energy increase in laser-driven multi-MeV ion generation using a cluster-gas target

福田 祐仁; Faenov, A. Y.; 反保 元伸; Pikuz, T.*; 中村 龍史; 神門 正城; 林 由紀雄; 余語 覚文; 榊 泰直; 川瀬 啓悟; et al.

no journal, , 

レーザーを用いたイオン加速手法の開発は、粒子線がん治療装置の小型化,低価格化の観点から注目を集めている。本研究では、新たにクラスターターゲットをイオン加速研究に導入し、核子あたりの最大エネルギーが10$$sim$$20MeV/nという、従来の同規模クラスのレーザー装置を用いた場合の約10倍の加速エネルギーを得ることに成功した。この手法により生成したイオンの発散角は、従来手法よりも小さく、医療利用へ向けたビーム伝送・照射系の設計にも適していることが明らかとなった。

口頭

クラスターターゲットを用いたレーザー駆動イオン加速の高エネルギー化

福田 祐仁; Faenov, A. Y.; 反保 元伸; Pikuz, T. A.*; 中村 龍史; 神門 正城; 林 由紀雄; 本間 隆之; 川瀬 啓悟; 余語 覚文; et al.

no journal, , 

サブ臨界密度プラズマ中で生成する磁気渦に起因する加速電界により、イオンが高エネルギーに加速される、という磁気イオン加速モデルに基づいた従来とは異なる手法によるレーザー駆動イオン加速の高エネルギー化に取り組んでいる。本研究では、サブ臨界密度プラズマを生成させるために、世界に先駆けて、クラスターを含むガスターゲット(以下、クラスターターゲットと呼ぶ)をイオン加速研究に導入し、従来の同規模クラスのレーザー装置を用いた場合よりもはるかに高い加速エネルギーを得ることに成功した。

口頭

クラスターターゲットを用いたレーザー駆動イオン加速

福田 祐仁; Faenov, A. Y.; 反保 元伸; Pikuz, T. A.*; 中村 龍史; 神門 正城; 林 由紀雄; 本間 隆之; 川瀬 啓悟; 小瀧 秀行; et al.

no journal, , 

レーザー駆動の粒子加速は、従来の加速器では実現できないフェムト$$sim$$ピコ秒の極短パルスの量子ビーム生成が可能、といった特長を有する。われわれは、サブ臨界密度プラズマ中で生成する磁気渦に起因する加速電界により、イオンが高エネルギーに加速される、という磁場イオン加速モデルに基づいた従来とは異なる手法によるレーザー駆動イオン加速の高エネルギー化に取り組んでいる。本研究では、サブ臨界密度プラズマを生成させるために、世界に先駆けて、クラスターを含むガスターゲットをイオン加速研究に導入し、核子あたりの最大エネルギーが10$$sim$$20MeV/nという、従来の同規模クラスのレーザー装置を用いた場合の約10倍の加速エネルギーを得ることに成功した。

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