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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:60 パーセンタイル:97.99(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

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:13.22(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。

口頭

レーザー駆動イオンビーム・オンラインイメージング解析用ZnS(Ag)蛍光膜の発光応答特性評価

金崎 真聡; 榊 泰直; 福田 祐仁; 余語 覚文; 神野 智史; 近藤 公伯; 赤城 卓*; 服部 篤人*; 松川 兼也*; 小田 啓二*; et al.

no journal, , 

レーザー駆動イオン加速では、さまざまな核種の高エネルギーイオンが発生するとともに、バックグラウンドノイズとなり得る電子線やX線などさまざまな放射線が同時に発生する。これらのノイズを低減し、イオンに対して高い感度を示し、オンラインで2次元的にイオンビームをイメージングできるZnS(Ag)蛍光薄膜の厚みの最適化をPHITSコードを用いて行った。また、シンクロトロンのイオンビームを照射し、その発光をCCDで捉え、入射粒子数に対する発光応答特性を評価した。

口頭

Design of a wide energy range stacked CR-39 detector diminishing contaminant photo-neutrons using Monte Carlo particle transport simulations

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

no journal, , 

CR-39飛跡検出器は電子線やX線との混成場においてもイオンのみを検出可能なためレーザー駆動イオン加速実験に幅広く用いられている。クラスターガスターゲットを使用したレーザー駆動イオン加速実験では、数十MeVのイオンとともに同様のエネルギーを有した電子線が発生する。高エネルギー電子線は媒質中において制動放射により光子を放出し、さらに、発生した光子は光核反応により光中性子を発生させる。CR-39に光中性子が入射した場合、CR-39内部に存在する原子との反応で反跳陽子や重イオンが飛跡を形成し、エッチングによりエッチピットとして現れる。CR-39を用いてイオン計測を行う場合、光中性子起因のエッチピットは十分なノイズになり得るため、高精度な計測を行うためには、その影響を十分に排除しなくてはならない。本研究では、モンテカルロ粒子輸送コードPHITSを利用して、光中性子の影響を最小限に抑えた状態で数百MeVのプロトンを計測可能な積層型CR-39の設計を行った。

口頭

レーザー駆動イオン加速実験における光中性子を考慮したイオン計測

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

no journal, , 

クラスターガスターゲットを用いたレーザー駆動イオン加速において、高エネルギーイオンのみではなく、100MeVを超える指向性の高い電子線も同時に発生する。このような高エネルギー電子線が実験装置を構成する物質中に入射した場合、制動放射によりエネルギーの高い光子を放出し、発生した光子は、物質中の原子核との光核反応により中性子を発生する。CR-39固体飛跡検出器は、電子線やX線など低LET放射線との混成場においてもイオンのみを選択的に検出可能なため、レーザー駆動イオンビーム診断に幅広く利用されているが、これら一連の反応を通じて発生する光中性子は、CR-39内部の水素原子を反跳することで間接的に飛跡を残し、CR-39上にエッチピットを形成するためバックグランドノイズとなる。高精度なイオンビーム診断のためには、光中性子によるエッチピット形成をできるだけ低減させる必要がある。そこで本研究では、モンテカルロシミュレーションを用い、CR-39に入射する光中性子数が最小に抑えられるよう、積層型検出器の設計と検出器設置場所の検討を行った。

口頭

レーザー駆動イオンビーム計測における光中性子の影響評価

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

no journal, , 

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実験において発生する高エネルギー電子は、実験装置を構成する物質中に入射した場合、制動放射により高エネルギー光子を放出した後、物質中の原子核との光核反応により中性子を発生する。レーザー駆動イオン加速実験でイオン計測に用いられているCR-39は、中性子によって内部の水素原子が反跳されることにより間接的に中性子を検出することが可能であるため、イオン加速により生成した陽子線のエッチピットと光中性子が間接的に作るエッチピットとの判別が難しくなる。そこで、モンテカルロシミュレーションを用いて、実験体系内の光中性子束がCR-39に与える影響を評価し、CR-39に入射する光中性子数が抑制されるよう、高エネルギー電子線用ビームダンプ、及び、イオン検出器の設置位置を検討した。

口頭

The Effect of photo-neutrons on diagnostics using CR-39 for laser-accelerated ion beam

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

no journal, , 

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実験では、高エネルギー電子線の発生が確認されており、1ショットあたりの電流値も大きい。このような電子に起因して発生する光中性子がCR-39に入射した場合、内部の水素原子を反跳することで間接的にエッチピットを形成してしまうため、バックグラウンドノイズとなり得る。CR-39に対する光中性子の影響を最小限に抑えるため、モンテカルロシミュレーションを用い、検出器の配置等を見直すことで、中性子によるバックグラウンドノイズがなくなる条件を見いだした。

口頭

Laser-driven proton generation from a thin-foil target with a high-intensity laser

匂坂 明人; 西内 満美子; Pirozhkov, A. S.; 小倉 浩一; 榊 泰直; 前田 祥太; Pikuz, T.; Faenov, A. Ya.*; 福田 祐仁; 余語 覚文; et al.

no journal, , 

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、高強度レーザーと薄膜ターゲットとの相互作用実験を行った。レーザーのパルス幅は、半値全幅で$$sim$$40fsであった。プリプラズマの生成は、干渉計を用いて調べた。レーザーの高コントラスト化により、プリプラズマを減らすことができた。陽子の最大エネルギーは、レーザーの高度化に伴い増加した。レーザー強度$$sim$$1$$times$$10$$^{21}$$W/cm$$^{2}$$において、陽子の最大エネルギーとして$$sim$$40MeVが得られた。

口頭

A Diagnosis method of laser-accelerated protons using CR-39 in a field contaminated by photo-neutrons

金崎 真聡; 福田 祐仁; 榊 泰直; 余語 覚文; 神野 智史; 西内 満美子; 松川 兼也*; 近藤 公伯; 小田 啓二*; 山内 知也*

no journal, , 

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実験では、数十MeV級のイオンの加速に伴い、最大で300MeV程度の高エネルギー電子線が発生する。このような高エネルギー電子は制動放射、光核反応という一連の反応過程を経ることで光中性子の発生源となる。光中性子はCR-39内部の陽子を反跳することで間接的に飛跡を残すため、レーザー駆動陽子線計測においてノイズとなり得る。本研究では、入射角に関連するエッチピット開口部の楕円率と入射エネルギーに関連するエッチピット中心部のグレースケールを組み合わせた新たな解析手法を提案し、光中性子環境下における陽子線計測を実現した。

口頭

高コントラスト超高強度短パルスレーザーJ-KARENによるレーザー駆動イオン加速実験

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

no journal, , 

レーザー駆動型のイオン線は、その類稀な特徴より医療応用をはじめとして多くの応用の分野から着目を浴びている。その中の一つとして、既存の加速器へのインジェクターがある。重イオンを高エネルギーまで加速する加速器の小型化には、できるだけ電荷質量比(Q/M)が高く、高電流密度を持つイオン源が必要不可欠となる。一方、原子力機構関西研においては、高コントラスト超高強度短パルスレーザーJ-KARENを用いてレーザー駆動イオン加速研究を行っている。レーザー自身の高い電場強度によってプラズマ中のイオンは高いQ/Mを実現し、かつ同時に高エネルギーにまで加速することが可能である。最適化を行えば、既存の加速器のイオン源のみならず初段の線形加速器までの置き換えが可能となる。本講演では、薄膜と超高強度短パルス高コントラストレーザーとの相互作用によって、高エネルギーイオンの加速に成功したことについて報告する。

口頭

超高強度超短パルスレーザーの薄膜照射で発生する電子スペクトル計測

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

no journal, , 

原子力機構では、超高強度超短パルスレーザーと薄膜を相互作用させて高エネルギーイオン発生の研究を行っている。装置の巨大化を抑えつつ発生イオンを高エネルギー化するためには、照射条件を最適化しなければならない。最適化するパラメータの決定には、イオンと同時に発生する電子や中性子、X線の情報から、プラズマ中の物理現象を知る必要がある。そこで本研究では、レーザープラズマ相互作用で発生した電子の温度を精度よく測るために、1-200MeVのブロードバンドなスペクトル検出器を開発した。検出器は、永久磁石と蛍光板およびCCDカメラで構成される。本発表では、まず、兵庫県立粒子線医療センターにて行った4・9・12・15MeVの準単色電子を用いての蛍光板発光特性の調査結果を報告する。次に、粒子輸送モンテカルロ計算コード「PHITS」を用いた計算機上での模擬実験により、データ解析手法を検証したので報告する。

口頭

レーザー駆動粒子線加速の中性子計測とその評価

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

no journal, , 

原子力機構が研究を進めているレーザー駆動イオン加速においては、高強度フェムト秒レーザーによって数十MeVのイオン加速という世界でトップクラスのイオン加速が可能な状況になっている。このエネルギー領域は、原子核反応が可能な領域であり、加速イオンを用いた小型原子核実験用レーザー加速器施設などの展開が大いに期待される。これまでに、アルミニウム薄膜($$sim$$1$$mu$$m厚)によるレーザー駆動イオン加速実験において、レーザー照射角度(45度, 6.5度入射)をパラメータとして実験しその時発生するイオンをCR39固体飛跡検出器、電子温度計測用電子スペクトロメータなどと共に、中性子をNE213液体シンチレータ, $$^{3}$$He中性子検出器,積算線量計等を用いて計測してきたが、その結果をシミュレーション解析し、物理的な現象解明を進めた上でその進捗を報告する。

口頭

Radiation properties of plasma irradiated by ultra-short laser pulses with intensities of 10$$^{21}$$ W/cm$$^{2}$$

Faenov, A.*; Hansen, S.*; Colgan, J.*; Abdallah, J.*; Pikuz, T.; Pikuz, S.*; Skobelev, I.*; 西内 満美子; 榊 泰直; 前田 祥太; et al.

no journal, , 

K-shell spectra of Al and Fe were excited by irradiation of thin foils with 30 fs laser pulses of J-KAREN laser facility with intensities up to 10$$^{21}$$ W/cm$$^{2}$$. Different dependences of measured spectra from the laser energy, different thicknesses of foils were investigated. Two independent models are used to provide a detail theoretical study of the role of the various configurations and processes in the formation of the observed spectra.

口頭

レーザー駆動型重イオン源の可能性

西内 満美子; 榊 泰直; 西尾 勝久; 佐甲 博之; Pikuz, T.; Faenov, A. Ya.*; Esirkepov, T. Z.; Pirozhkov, A. S.; 松川 兼也*; 前田 祥太; et al.

no journal, , 

クオーク物質研究や超重元素の合成過程の解明研究のために現状の大規模加速器施設の次世代計画が世界各国で進んでいる。高電荷・高エネルギーの重イオンをいかに高電流にするかが重要課題である。実際問題としては、いかに小型の装置を作るかが建設コスト削減の上で、またランニングコストを抑える上で重要である。したがってできるだけ加速器の初段において、高電荷質量比(Q/M)を持つビームを生成できるかが問題となってくる。しかし、既存の加速器技術におけるイオン源で達成できるQ/Mは現状$$<$$0.2程度にとどまっている。一方、原子力機構関西光科学研究所においては、高コントラスト超高強度短パルスレーザーJ-KARENを用いてレーザー駆動イオン加速研究を行っている。レーザー自身の高い電場強度によってプラズマ中のイオンは高いQ/Mを実現し、かつ同時に高エネルギーにまで加速することが可能である。最適化を行えば、既存の加速器のイオン源のみならず初段の線形加速器までの置き換えが可能であることを示唆する。本講演では、薄膜と超高強度短パルス高コントラストレーザーとの相互作用によって、高エネルギーイオンの加速に成功したことについて報告する。

口頭

薄膜ターゲットを用いたレーザー駆動陽子加速

匂坂 明人; 西内 満美子; Pirozhkov, A. S.; 小倉 浩一; 榊 泰直; 前田 祥太; Pikuz, T.; Faenov, A. Y.*; 福田 祐仁; 金崎 真聡; et al.

no journal, , 

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、高強度レーザーと薄膜ターゲットとの相互作用実験を行なった。レーザーのパルス幅は、半値全幅で$$sim$$40fsであった。レーザー反射方向に発生する高次高調波(2次$$sim$$4次)を、分光器によって測定した。レーザー強度$$sim$$1$$times$$10$$^{21}$$W/cm$$^{2}$$において、陽子の最大エネルギーとして$$sim$$40MeVが得られた。

口頭

レーザー駆動粒子線加速における電子温度計測手法の確立

榊 泰直; 西内 満美子; 前田 祥太; 石田 祥大*; 山下 智弘*; 片平 慶*; Pikuz, T.; Faenov, A.*; Esirkepov, T. Z.; Pirozhkov, A. S.; et al.

no journal, , 

原子力機構が研究を進めているレーザー駆動イオン加速においては、高強度フェムト秒レーザーによって数十MeVのイオン加速というや、アルミを高電荷状態にして10MeV/核子に加速するなど、世界でトップクラスのイオン加速が可能な状況になっている。レーザー駆動粒子線加速(陽子や重イオン)を効率的行うためには、その加速メカニズムに寄与するパラメータの一つである電子温度を、イオンの加速エネルギーと関連づけて解析する必要がある。我々は、現在利用している電子温度診断の手法を高度化し、多角的に計測することで精度の高い診断を行うことを目指している。その進捗について講演する。

口頭

High resolution X-ray spectroscopy of plasma irradiated by ultra-short laser pulses with intensities of 10$$^{21}$$ W/cm$$^{2}$$

Faenov, A.*; Hansen, S. B.*; Colgan, J.*; Abdallah, J.*; Pikuz, T.; Pikuz, S. A.*; Skobelev, I. Y.*; 西内 満美子; 榊 泰直; 前田 祥太; et al.

no journal, , 

We present new set of measurements of high spectrally resolved K-shell spectra of Al and Fe plasma obtained by thin foils irradiation using 40 fs laser pulses of J-KAREN laser facility with intensities up to 10$$^{21}$$ W/cm$$^{2}$$. Dependences of X-ray spectra from laser energy and thicknesses of foils were investigated. Measured power-law dependence of X-ray intensity vs laser beam intensity confirmed that at laser intensities higher than 10$$^{20}$$ W/cm$$^{2}$$ Radiation Dominated regime could be reached. Two independent models are used to provide a detail theoretical study of the various configurations and processes roles in the formation of the observed spectra. Modeling demonstrated strong influence of X-ray photo pumping from laser-produced plasma for intensity and structure of observed X-ray spectra.

口頭

Multi-charged heavy ion acceleration from the ultra-intense short pulse laser system interacting with the metal target

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

no journal, , 

クオーク物質研究や超重元素の合成過程の解明研究のために現状の大規模加速器施設の次世代計画が世界各国で進んでおり、日本の大強度陽子線加速器J-PARCでも高電流高エネルギーイオンの加速をするための議論が始まった。加速器側として、高電荷・高エネルギーの重イオンをいかに高電流にするかが重要課題である。実際問題としては、いかに小型の装置を作るか、が建設コスト削減の上で、またランニングコストを抑える上で重要である。したがってできるだけ加速器の初段において、高電荷質量比(Q/M)を持つビームを生成できるかがキーとなる。しかし、既存の加速器技術ではなかなか高Q/Mのイオンを初段で生成するのが難しい。一方、原子力機構関西光科学研究所においては、高コントラスト超高強度短パルスレーザーJ-KAREN自身の高い電場強度によってプラズマ中のイオンは高いQ/Mを実現し、かつ同時に高エネルギーにまで加速することに成功した。最適化を行えば、既存の加速器のイオン源のみならず初段の線形加速器までの置き換えが可能であることと示す結果である。

口頭

Laser-driven ion acceleration by high intensity short-pulse high-contrast laser system at JAEA

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

no journal, , 

レーザー駆動イオン加速型のイオン加速はいろいろな応用面があることで着目され地得るが、その中でも核物理研究のための小型の加速器へのインジェクターの応用が考えられる。これを念頭に置き、JAEA KPSIにある比較的小型で高コントラスト短パルスレーザーJ-KARENを用いることで、イオン加速実験を行った。オンターゲット10$$^{21}$$Wcm$$^{-2}$$, 200TW, $$<$$10J以下のエネルギーのパラメータを用いてプラズマミラーなしで43MeVの陽子線加速に成功している。またAlの加速を行ったところ、12MeV/uまでの加速に成功し、さらに加速されているイオンはほぼフルストリップに近い状態であることが分かった。これはレーザー駆動イオン線が重イオン加速器のコンパクトなインジェクターとして非常に有望であることを示す結果である。

口頭

Ion acceleration by the 10$$^{21}$$ Wcm$$^{-2}$$ intensity high contrast laser pulses interacting with the thin foil target

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

no journal, , 

レーザー駆動イオン加速型のイオン源はそのたぐいまれな特徴より、いろいろな応用面があることで着目されている。その中には核物理研究のための大型加速器施設への小型のインジェクターへの応用が考えられる。これを念頭に置き、JAEA KPSIにある比較的小型で高コントラスト短パルスレーザーJ-KARENを用いることで、イオン加速実験を行った。オンターゲット10$$^{21}$$Wcm$$^{-2}$$, 200TW, $$<$$10J以下のエネルギーのパラメータを用いてAlの薄膜ターゲットを照射した。Alは12MeV/uまでのエネルギーに加速され、さらに加速されているイオンはほぼフルストリップに近い状態であることが分かった。これはレーザー駆動イオン線が重イオン加速器のコンパクトなインジェクターとして非常に有望であることを示す結果であり、世界においてもトップレベルの成果である。

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