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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

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

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

Effect of the laser contrast ratio within picosecond timescales on generating a high-quality electron beam by laser-plasma interaction

小瀧 秀行; 神門 正城; 大東 出; 亀島 敬*; 川瀬 啓悟*; Chen, L. M.*; 福田 祐仁; Koga, J. K.; 桐山 博光; 近藤 修司; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 50(6), p.066401_1 - 066401_3, 2011/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:93.46(Physics, Applied)

The laser contrast ratio within picosecond timescales is one of the important parameters for laser acceleration. For a high laser contrast ratio, a 140 MeV monoenergetic electron beam with a charge of 44 pC is obtained by using a 20 TW Ti:sapphire laser. For a low laser contrast ratio, a low quality electron beam or no electron beam is generated, because the pre-pulse blows out plasma electrons and puts the plasma into disorder before the main pulse interacts with the plasma. The laser contrast ratio should be high enough in order to generate a high quality electron beam with a large amount of charge.

論文

Measurement of relative biological effectiveness of protons in human cancer cells using a laser-driven quasimonoenergetic proton beamline

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; 桐山 博光; 岡田 大; 金沢 修平; et al.

Applied Physics Letters, 98(5), p.053701_1 - 053701_3, 2011/02

 被引用回数:60 パーセンタイル:6.57(Physics, Applied)

Human cancer cells are irradiated by laser-driven quasi-monoenergetic protons. Laser pulse intensities at the $$5times 10^{19}$$ W/cm$$^2$$ level provide the source and acceleration field for protons that are subsequently transported by four energy-selective dipole magnets. The transport line delivers 2.25 MeV protons with an energy spread of 0.66 MeV and a bunch duration of 20 ns. The survival fraction of in-vitro cells from a human salivary gland tumor is measured with a colony formation assay following proton irradiation at dose levels up to 8 Gy, for which the single bunch does rate is $$1 times 10^7$$ Gy/s and the effective dose rate is 0.2 Gy/s for 1-Hz repetition of irradiation. Relative biological effectiveness at the 10% survival fraction is measured to be $$1.20 pm 0.11$$ using protons with a linear energy transfer of 17.1 keV/$$mu$$m.

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

Laser ceramic materials for subpicosecond solid-state lasers using Nd$$^{3+}$$ -doped mixed scandium garnets

岡田 大; 田中 桃子; 桐山 博光; 中井 善基*; 越智 義浩; 杉山 僚; 大道 博行; 木村 豊秋*; 柳谷 高公*; 八木 秀喜*; et al.

Optics Letters, 35(18), p.3048 - 3050, 2010/09

 被引用回数:11 パーセンタイル:43.2(Optics)

We have successfully developed and demonstrated broadband emission Nd-doped mixed scandium garnets based on laser ceramic technology. The inhomogeneous broadening of Nd$$^{3+}$$ fluorescence lines results in a bandwidth above 5 nm that is significantly broader than that for Nd:YAG and enables subpicosecond mode-locked pulse durations. We have also found the emission cross-section of 7.8$$times$$10$$^{-20}$$ cm$$^{2}$$ to be adequate for efficient energy extraction and thermal conductivity of 4.7 W/mK from these new Nd-doped laser ceramics. The new laser ceramics are good candidates for laser host material in diode-pumped subpicosecond laser system with high efficiency and high repetition rate.

論文

高コントラスト・高ビーム品質・高強度レーザーの開発

桐山 博光; 森 道昭; 中井 善基*; 下村 拓也; 笹尾 一*; 田中 桃子; 越智 義浩; 田上 学*; 近藤 修司; 金沢 修平; et al.

レーザー研究, 38(9), p.669 - 675, 2010/09

高強度レーザーの時間・空間制御技術に関するレビューである。時間制御技術は主パルスと背景光の強度比を向上させる高コントラスト化であり、先駆けて開発した高エネルギーシード型低利得光パラメトリックチャープパルス増幅手法について紹介する。空間制御技術は高エネルギービームの空間強度均質化であり、回折光学素子を用いた手法について紹介する。これらの手法の特徴を詳細に紹介するとともに、これらの制御技術を用いて得られた時間・空間特性についても報告する。

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

レーザー駆動型粒子線装置のための陽子線プロトタイプ輸送系の開発

榊 泰直; 西内 満美子; 堀 利彦; Bolton, P.; 余語 覚文; 小倉 浩一; 匂坂 明人; Pirozhkov, A. S.; 織茂 聡; 近藤 公伯; et al.

Proceedings of 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (DVD-ROM), p.312 - 315, 2010/08

原子力機構・関西光科学研究所(関西研)では、文部科学省の「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成プロジェクト」に採択され、平成19年度より「レーザー駆動型粒子線治療装置」の実用化を目指している。このプロジェクトは、高強度・短パルスのレーザーによる、従来のRF加速よりも高い100GeV/mという電界勾配を利用した加速手法にて、既存のシンクロトロン型粒子線治療装置を小型化するというものである。そこでレーザー駆動型粒子線に対して、これまで単体性能試験が行われた位相回転空洞,PMQ及び偏向電磁石を組合せたプロトタイプビーム輸送系を開発し、PARMILAを用いて空間電荷効果評価を行い装置の標準設計手法の確立を目指した。

論文

Measured and simulated transport of 1.9 MeV laser-accelerated proton bunches through an integrated test beam line at 1 Hz

西内 満美子; 榊 泰直; 堀 利彦; Bolton, P.; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 余語 覚文; 森 道昭; 織茂 聡; Pirozhkov, A. S.; et al.

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 13(7), p.071304_1 - 071304_7, 2010/07

 被引用回数:24 パーセンタイル:15.39(Physics, Nuclear)

1.9MeVレーザー駆動陽子線のビームライン中に伝送した。ビームラインは、PMQ, RF cavity,monochrometerからなり、伝送の様子をPARMILAのシミュレーションによって再現した。このような試みは世界初のことである。ビームラインの最終端において、6nsのバンチ幅を道、5%のエネルギースプレッドを持つビームが10%の効率で検出された。この様子はPARMILAにより再現でき、PARMILAコードがレーザー駆動陽子線のビームラインの構築に使用できることを証明した。

論文

High-contrast (10$$^{10}$$), high-intensity (500 TW) J-KAREN laser system

桐山 博光; 森 道昭; 中井 善基; 下村 拓也; 笹尾 一; 田中 桃子; 越智 義浩; 田上 学*; 岡田 大; 近藤 修司; et al.

JAEA-Conf 2010-002, p.18 - 21, 2010/06

従来のチタンサファイアチャープパルス増幅器(CPA)と光パラメトリックチャープパルス増幅器(OPCPA)を組合せた高強度フェムト秒レーザーシステムの開発を行い、パルス圧縮前で30Jを超える高い増幅エネルギーを得た。再パルス圧縮することで約500TW級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。低利得のOPCPAを用いることにより、サブナノ秒の時間領域において10桁を超えるコントラスト、ナノ秒の時間領域において12桁程度の高いコントラストを得た。また、高エネルギー励起用グリーンレーザーの空間パターンを回折光学素子により制御し、ほぼ完全なフラットトップの空間プロファイルを得た。このシステムにより粒子加速などの高強度レーザーと物質との相互作用の実験的研究が進展するものと期待される。

論文

High temporal and spatial quality petawatt-class Ti:sapphire chirped-pulse amplification laser system

桐山 博光; 森 道昭; 中井 善基; 下村 拓也; 笹尾 一; 田上 学*; 金沢 修平; 若井 大介*; 笹尾 文崇*; 岡田 大; et al.

Optics Letters, 35(10), p.1497 - 1499, 2010/05

 被引用回数:79 パーセンタイル:2.85(Optics)

高強度チタンサファイアCPA(チャープパルス増幅)レーザーにおいて、30$$mu$$Jの高エネルギーシーダーを用いることにより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ることで、5$$times$$10$$^{-11}$$の高いコントラスト(主パルスに対する背景光び強度比)を達成した。また、大口径チタンサファイアレーザー増幅器に対して液体のクラッディングを初めて導入して寄生発振を抑制するとともに回折光学素子を用いた空間ビーム均質化を行いフィリングファクター(空間的なビームのピーク強度に対する平均強度)を80%程度にまで向上させることで、理論限界に近い増幅効率で30J以上の大出力を得た。

論文

Laser-driven proton accelerator for medical application

西内 満美子; 榊 泰直; 堀 利彦; Bolton, P.; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 余語 覚文; 森 道昭; 織茂 聡; Pirozhkov, A. S.; et al.

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.88 - 90, 2010/05

レーザー駆動陽子線の研究の発展により、加速器の小型化が期待されるようになってきている。ここでは、日本原子力研究開発機構、関西光科学研究所内のPMRCセンターにおけるレーザー駆動陽子線加速器開発の現状について述べる。われわれは、医療用のレーザー駆動陽子線加速器開発の一環として、レーザー駆動陽子線のトランスポートラインを構築し、伝送実験を行った。

論文

High-energy, high-efficiency second-harmonic generation from a Nd-doped laser with high-quality CsB$$_{3}$$O$$_{5}$$ crystal

鈴木 将之; 桐山 博光; 中井 善基*; 岡田 大; 大東 出; Bolton, P.; 大道 博行; 近藤 公伯; 河西 俊一; 影林 由郎*; et al.

Proceedings of Conference on Lasers and Electro-Optics and The Quantum Electronics and Laser Science Conference (CLEO/QELS 2010) (CD-ROM), 2 Pages, 2010/05

高エネルギーNd系レーザーの第二高調波(波長532nm)は、チタンサファイア結晶や光パラメトリック増幅の励起源として用いられる。そのためこれらの増幅器の出力は、この第二高調波の出力に依存し、さらにレーザー駆動粒子線発生実験において入力レーザーエネルギーが高ければ、得られる粒子線のエネルギーも高くなると考えられている。以上のことから、波長1$$mu$$m帯レーザーの高効率波長変換は、粒子発生の高エネルギー化に関して重要な研究テーマの一つである。今回、われわれはCsB$$_{3}$$O$$_{5}$$(CBO)結晶の高い非線形光学定数(1.00pm/V),ダメージ閾値(26GWcm$$^{-2}$$)にいち早く着目し、波長1$$mu$$mのレーザーパルスの波長変換を行った。励起レーザーは、出力2.0J,パルス幅10ns,繰り返し10HzのNd:YAGレーザーを用いた。その結果、入力レーザーエネルギー2.0Jに対して第二高調波の出力エネルギー1.2Jを得た。このとき変換効率は最大で60%を達成した。この変換効率は、CBO結晶を用いた過去の結果と比較して最大であった。本実験結果よりCBO結晶は第二高調波生成に非常に有効な結晶であることがわかった。

論文

High spatiotemporal-quality petawatt-class laser system

桐山 博光; 森 道昭; 中井 善基; 下村 拓也; 笹尾 一; 田中 桃子; 越智 義浩; 田上 学*; 岡田 大; 近藤 修司; et al.

Applied Optics, 49(11), p.2105 - 2115, 2010/04

 被引用回数:34 パーセンタイル:12.77(Optics)

近年の高強度レーザー発生技術の急速な進展により、ペタワット(PW)級のピーク出力を有するレーザー装置が開発され、粒子加速,高エネルギー物理等多くの研究に利用されようとしている。このようにレーザー装置の高強度化が進むとともに、実際の応用に向けての研究開発として、時間構造や空間構造の向上に移行しつつある。本論文では、高強度レーザーの時間制御技術として背景光抑制、及び空間制御技術としてビーム均質化を原子力機構で開発されたJ-KARENレーザーに適用した実験結果について報告する。

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