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論文

Spectral and dynamical features of the electron bunch accelerated by a short-pulse high intensity laser in an underdense plasma

Bulanov, S. V.; 山極 満; Esirkepov, T. Z.; Koga, J. K.; 神門 正城; 上島 豊; 斎藤 寛二; 若林 大輔*

Physics of Plasmas, 12(7), p.073103_1 - 073103_11, 2005/07

 被引用回数:27 パーセンタイル:29.42(Physics, Fluids & Plasmas)

有限の長さのプラズマ中を伝播する短パルス高強度レーザーと電子に関する理論的考察及び2次元Particle in Cellシミュレーションについて報告する。色々なプラズマ密度での中-高強度照射による高速電子のエネルギースペクトルと空間エミッタンスを解析した。プラズマの航跡場の波長よりもレーザーのパルス幅が長い領域では、航跡場で加速された電子はさらに電磁波によって加速されることがわかった。

論文

レーザー航跡場加速による準単色電子線発生について

Bulanov, S. V.; 田島 俊樹

加速器, 2(1), p.35 - 41, 2005/04

最近Nature2004年9月30日号に3つの実験においてレーザー航跡場加速による準単色電子線発生の実験結果が報告されるなど、レーザー加速の研究が質的に新しい段階にさしかかった。日米欧の実験の現状をサーベイしその理論的理解を提起する。これによりパラメータの選択の重要性が明らかになり、なぜ初期の実験で単色からほど遠いスペクトルになったかが理解される。

論文

Dose properties of a laser accelerated electron beam and prospects for clinical application

Kainz, K. K.*; Hogstrom, K. R.*; Antolak, J. A.*; Almond, P. R.*; Bloch, C. D.*; Chiu, C.*; Fomytskyi, M.*; Raischel, F.*; Downer, M.*; 田島 俊樹

Medical Physics, 31(7), p.2053 - 2067, 2004/07

 被引用回数:24 パーセンタイル:40.58(Radiology, Nuclear Medicine & Medical Imaging)

レーザー航跡場加速の技術が発展してきたので、その医学への応用が可能になりつつある。特に超小型の医療用加速器としての利用が考えられる。現行の実験条件でも丁度適切ながん電子治療装置を設計できる。その基本コンセプトを提示する。このさまざまな利用形態についても議論する。

論文

Direct measurement of coherent ultrahigh wakefields excited by intense ultrashort laser pulses in a gas-jet plasma

小瀧 秀行; 神門 正城; 桶田 隆継; 益田 伸一; Koga, J. K.; 近藤 修司; 金沢 修平; 横山 隆司*; 的場 徹; 中島 一久

Physics of Plasmas, 9(4), p.1392 - 1400, 2002/04

 被引用回数:42 パーセンタイル:18.48(Physics, Fluids & Plasmas)

高強度レーザーをガス中に集光すると、レーザーの動重力により電子振動(航跡場)が起こる。これは非常に強い電界をもっており、これにより荷電粒子の加速が可能である。これを加速器に応用することかできれば、現在の高周波加速器に比べコンパクトで高エネルギーの加速器を作ることが可能となる。この航跡場をコントロールするためには、この電界や位相の測定ができなければならない。さらに、高強度レーザーの伝播には、レーザーラインを真空にする必要があり、そのためプラズマ源はガスジェットによってつくる必要がある。まず最初、ガスジェットの密度分布の時間変化をマッハツェンダー干渉計を用いて測定した。この測定により、ガスの密度分布は、ガスジェットノズルからの距離が1.5mmの位置において、背圧10気圧のヘリウムの場合、ガス密度が3.5$$times$$10$$^{17}$$(プラズマ密度で7$$times$$10$$^{17}$$)になることがわかった。この結果より、周波数干渉計を用いて、ノズルからの位置を1.5mm,ガスジェットの背圧10気圧のときの、ガスジェット中に集光したレーザーによるプラズマ振動の測定を行い、ここから電界を求めた。20GeV/m以上の高電界の発生を確認した。この結果は、航跡場の線型理論に非常によく一致した。ガスジェットを用いての測定は世界で初めてのことである。ガスジェットのガス密度測定及びガスジェットでのプラズマウェーク測定について報告する。

論文

Numerical study of laser wake field generated by two colliding laser beams

永島 圭介; Koga, J. K.; 神門 正城

Physical Review E, 64(6), p.066403_1 - 066403_4, 2001/12

 被引用回数:11 パーセンタイル:47.57(Physics, Fluids & Plasmas)

対向する2つのレーザービームにより生成されたレーザー航跡場について数値計算により調べた。通常の単一の超短パルスレーザーを用いた場合のレーザー航跡場に比べると、対向する長パルスのレーザーがある場合には航跡場強度が桁違いに増大することがわかった。この場合、2つのレーザーの周波数にある程度の差が必要である。レーザー強度を増やすと比例して航跡場強度も増大し、プラズマ波の崩壊限界以下で飽和することを明らかにした。さらに、この飽和領域での航跡場の詳細について調べた。

論文

High energy electron acceleration by high peak power laser

小瀧 秀行; 神門 正城; 近藤 修司; 益田 伸一; 金沢 修平; 横山 隆司*; 的場 徹; 中島 一久

Proceedings of 13th Symposium on Accelerator Science and Technology, 3 Pages, 2001/00

高周波での加速をレーザーに変えることにより、加速勾配が100$$sim$$1000倍となり、レーザー加速は加速器小型化の可能性を秘めている。日本原子力研究所では、フォトカソードRFガンを電子源としたマイクロトロンを高品質電子ビーム源として使用し、これを100TW 20fsレーザーが加速する。効率よく加速を行うには、超短パルス電子ビーム,フェムト秒オーダーでの高精度の同期,レーザーの長距離伝播等を必要である。これらの要素技術及び組合せることによる高効率のレーザー加速,ガスジェットによるガス密度分布の測定や周波数干渉法によるレーザープラズマ航跡場の測定等、レーザー加速のための基礎実験について発表する。

論文

レーザー加速による高エネルギー電子加速

中島 一久; 出羽 英紀; 神門 正城; 細貝 知直; 小瀧 秀行

原子力eye, 46(6), p.62 - 63, 2000/06

加速器の多くは高周波加速方式を用いており、その加速電場は100MV/m程度に制限されている。近年のレーザーの進歩により、高強度レーザーをプラズマ中に集光し、電子プラズマ波を航跡として励起することが可能となった。この航跡の加速電場は、100GeV/mに達することが知られ、これを加速に用いれば加速器が1/100~1/1000に小型化される。ピーク出力2TW、パルス幅90fsのレーザーパルスを使用し、レーザー航跡場加速実験を行った。最高加速エネルギーゲイン250MeVに達する電子が観測され、レーザーによる高エネルギー粒子加速の可能性を示すことができた。レーザー航跡場加速は、非常に高い加速勾配をもつが、その加速距離の1mm程度以下に制限されるため粒子を有効に加速できない。この問題を解決するために、レーザーパルスのガイディングを行うプラズマ光導波路が提案されている。キャピラリーのプレプラズマを用いた高速Zピンチ放電方式を採用することにより、長寿命のプラズマ光導波路の開発に成功した。このプラズマ光導波路を用いて2TW,90fsのレーザーパルスを2cmにわたり伝播させる実験に、世界で最初に成功した。以上のような予備的な実験や研究成果に基づき平成11年に移転した新研究棟において、1GeV以上の電子加速の実証実験を計画している。このためのビーム入射器はフォトカソード高周波電子銃と150MeVマイクロトロンからなる装置で、超短パルス、ミクロンサイズの高品質電子ビームの生成をめざしビーム調整を行っている。

論文

Experimental results of laser wakefield acceleration using a femtosecond laser pulse

神門 正城; Ahn, H.; 出羽 英紀; 小瀧 秀行; 上田 徹*; 上坂 充*; 渡部 貴宏*; 中西 弘*; 小方 厚*; 中島 一久

Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, 38(8B), p.L967 - L969, 1999/08

 被引用回数:20 パーセンタイル:32.05(Physics, Applied)

われわれは世界で初めて、T$$^{3}$$レーザーと呼ばれる小型の超短・大出力レーザー(典型的なパラメータは、100fs,$$>$$2TW)によって作られるレーザー航跡場へ17MeV,1nc,10psの電子ビームのシングルパルスを同期させて入射して電子加速を行った。その結果、理論的に予想される最も高いエネルギー利得が得られる共鳴密度(4$$times$$10$$^{17}$$cm$$^{-3}$$)よりも高い密度において、100MeVを越えるエネルギー利得を得た。これは高密度領域では、イオン化フロントにおける密度勾配でレーザーが変調を受け、効果的に航跡場を励起しているためだと考えられる。

論文

Ultrashort electron beam generation from resonantly excited nonlinear laser wakefield

永島 圭介; 岸本 泰明; 宅間 宏*

Physical Review E, 59(1), p.1263 - 1266, 1999/01

 被引用回数:11 パーセンタイル:48.5(Physics, Fluids & Plasmas)

相対論的強度の短パルスレーザーを用いて共鳴励起非線形レーザー航跡場から極短パルスの電子ビームを生成する方法を提案した。薄いプラズマ領域から引き出される電子ビームの量は10c/m$$^{2}$$程度まで得られることがわかった。レーザー強度が高く、電磁場中での電子の振動エネルギーが静止質量の数十倍程度まで大きい場合には、プラズマ中で生成された航跡場は短時間で崩壊してしまい、時間的に密集した一塊の電子ビームが生成されることを見出した。この電子ビームのパルス幅はレーザーの波長より短く、およそ1fs程度となり、また、そのエネルギーは最高で数10MeVまで広がっていることを明らかにした。これらの研究は、2次元の粒子コードを用いたものである。また、こうした極短パルス電子ビームを利用して短パルスのX線発生が可能となる。

論文

Convective amplification of wake field due to self-modulation of a laser induced by field ionization

加藤 進*; 岸本 泰明; Koga, J. K.

Physics of Plasmas, 5(1), p.292 - 299, 1998/01

 被引用回数:24 パーセンタイル:35.44(Physics, Fluids & Plasmas)

トンネルイオン化を考慮した粒子シミュレーションを用いて、レーザー光が航跡場を励起するための条件[レーザーのパルス幅:L(laser)$$<$$=プラズマ波の波長:1(plasma)]を満足しない場合において、イオン化で自己変調を受けた高強度レーザー光によって、大振幅の航跡場が励起・増幅されることを見出した。イオン化による急速なプラズマ生成時の密度勾配と一緒にレーザーパルスが伝播することにより、パルスの先端が徐々に急峻になることで、この変調は特徴づけられる。その結果として、航跡場は伝播に伴って増幅され、大振幅となる。イオン化を伴うレーザー光の伝播では、大きさの大小はあるが、プラズマ波のこの増幅は常に起こる。

論文

Recent progress of laser wakefield acceleration experiments at KEK/U.Tokyo/JAERI

中島 一久; 中西 弘*; 小方 厚*; 原野 英樹*; 上田 徹*; 上坂 充*; 渡部 貴宏*; 吉井 康司*; 出羽 英紀; 細貝 知直; et al.

Proceedings of 6th European Particle Accelerator Conference (EPAC98) (CD-ROM), p.809 - 811, 1998/01

光量子科学センターレーザー加速研究グループは高エネルギー加速器研究機構、東京大学原子力工学施設と共同でテーブルトップテラワットレーザーを用いたレーザー航跡場加速実験を実施し、17MeVの電子ライナックからのビームをピーク出力2TWパルス幅90fsのレーザーパルスによる航跡場において200MeV以上まで加速することに成功した。またこれを裏付ける航跡場の直接測定矢レーザーパルスの自己チャネリングの観測にも成功しており加速実験結果と良い一致を示している。さらにレーザー加速実験の高度化のためのフォトカソード電子銃を用いた高品質電子源の開発、高精度エネルギー測定のためのエマルジョン検出器を用いたスペクトロメーターの開発、高強度レーザーパルスの長距離伝播のためのキャピラリー放電プラズマ導波路の開発についても述べ、今後のレーザー加速実験計画について発表する。

論文

Laser Wakefield Acceleration Experiments

小瀧 秀行; 中島 一久*; 神門 正城*; H.Ahn*; 出羽 英紀*; 近藤 修司; 酒井 文雄*; 渡部 貴宏*; 上田 徹*; 中西 弘*; et al.

Proc. of 11th Symp. on Accelerator Sci. and Technol., p.513 - 515, 1997/00

プラズマ中に超短・大出力レーザーパルスを集光させると、レーザーの強いポンデラモーティブ力によってプラズマ電子がはじかれ、レーザーパルスの後にプラズマ波が励起される(レーザー航跡場)。この電場は10GV/m~100GV/mにも及び、従来の高周波加速の100MV/mよりもかなり大きな加速勾配が実現できる。この強い電場で粒子加速を行えば、大型化の一途をたどる最先端の高エネルギー加速器の小型化に貢献できる可能性がある。我々はT$$^{3}$$レーザーと呼ばれる小型の超短・大出力レーザー(典型的なパラメータは、100fs,$$>$$2TW)と東大工学部原子力工学研究施設の電子線形加速器を同期させ、電子加速実験を行った。理論的に最も高いエネルギー利得が得られる共鳴密度(4$$times$$10$$^{17}$$cm$$^{-3}$$)よりも高い密度において、100MeVを越えるエネルギー利得を得た。我々が加速実験に先立って行ったレーザーの伝播実験では回折限界を越えた伝播を示唆する結果を得ており、この高エネルギー利得はレーザーパルスがGaussian beamと異なる伝播をプラズマ中でしていることで説明できる。

論文

Measurement of ultra high field propagation and the excited wakefield

出羽 英紀*; H.Ahn*; 神門 正成*; 小瀧 秀行; 中島 一久*; 小方 厚*

Superstrong Fields in Plasmas, p.526 - 531, 1997/00

大強度パルスレーザーの超高電場の伝搬を測定した。レーザー光の自己収束が観測され、これがレーザーのパワーとガス圧力に依存していることがわかった。またガス中にレーザーによって発生する航跡場の測定を行った。測定によって得られた航跡場の加速勾配は、電子の加速実験から得た値とよく一致している。2次元の航跡場測定によって、プラズマ中の航跡場の軸方向に生じていることがわかった。

口頭

レーザー航跡場における階層構造

神門 正城

no journal, , 

高強度・超短パルスレーザーをガス中に集光すると、ある条件を満たせばレーザーの後方にプラズマ波が励起される。この静電的なプラズマ波が作る電場を、水面を進む船が作る航跡になぞらえてレーザー航跡場(laser wake field)と呼んでいる。航跡場は線形領域航跡場の正体はプラズマ電子の粗密波すなわちラングミュア波であり、フェムト秒$$sim$$ピコ秒の時間スケールでは、イオンの運動を無視して解析的に求められている。2次元以上の分布は通常は粒子シミュレーション(Particle-in-cell: PIC)を用いて計算され、実験結果の解釈に使われている。航跡場は準線形領域では、電子加速などに利用され広く研究されている。レーザーの強度を上げた場合には、電子分布がカスプ状になるなどの特徴的な分布が出現する。講演では、この航跡場の計測、応用の現状と今後の展望を述べる。

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