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超高強度レーザーの時間波形がイオン加速に与える影響に関して解説記事を執筆した

高強度（＞1021Wcm-2）短パルス（数十フェムト秒）のレーザーと金属固体薄膜（サブミクロン厚）を相互作用させることで、高温(～10 keV)固体金属プラズマが生成できるということが、最近、実験・理論・シミュレーション手法を用いて明らかとなってきた。本章では、量研関西研のJ-KAREN－Pレーザーの時間波形を精密に制御・計測し超高強度で銀のターゲットに照射し、高温固体金属プラズマを生成し、そこから加速されて飛び出した多価の銀イオンの価数・エネルギーをプラズマ中のダイナミクスを計測するプローブとして用い、プラズマ中における電離過程を調査した結果について示す。

量研関西研では,レーザー駆動イオン加速機構によって生じる炭素ビームの横方向エミッタンスを明らかにすることに取り組んでいる。同時加速される陽子ビームから炭素ビームを弁別することが困難であるために，炭素ビームの横方向エミッタンスが評価された例はない。現在, 四重極磁石による核種の磁場弁別とダブルスリット法とを組み合わせた炭素ビーム横方向エミッタンス診断系の開発を進めている。 本発表では, 数理的な考えを診断装置に組み込むことによる, 観測誤差の低減に関して報告する予定である。, 第69回応用物理学会春季学術講演会

近年，炭素イオンなどを用いた重イオンビームによるガン治療は成功を収めている．一般的に，直線もしくはシンクロトロン型の粒子加速器が高エネルギー重イオンビーム生成のために使用されるが，それらの加速器は広く医療機関に行き渡らせるにはサイズが大きすぎるという問題を持つ．そのためコンパクトな加速器の実現が求められている．レーザー粒子加速器は，未来の加速器の候補の一つである． 量子科学技術研究開発機構では，高い治療効果が明らかになっている重イオンがん治療装置の高性能化・小型化を目指す“量子メス”プロジェクトを進めている．この次世代の小型重イオンがん治療装置は，重イオンビームの鋭いブラッグピークと，少ない内部散乱による腫瘍への高い線量集中性を持っている．これによって正常組織へのダメージを少なく抑え，より多くのがんを極めて短期間で治療できることが期待され、手術に代わる可能性を秘めている． 現在提案されている第５世代重イオンがん治療装置（量子メス）は，イオン入射器・超伝導シンクロトロン・ビーム輸送系・超伝導回転ガントリーから構成されている．装置を小型化するためには，体積の大部分を占める入射器とシンクロトロンの小型化が不可欠である．レーザー駆動イオン加速は非常に大きな加速勾配を持つことからこの小型化の要求に応える技術として期待されている．既存のイオン入射器をレーザー駆動方式で置き換えるためには，小型のレーザーモジュールの開発とそれを用いたレーザー駆動による数MeV/uの炭素イオンの加速が必要である．そこで，三次元電磁粒子コードによって実験に即したシミュレーションを実施することにより，加速炭素イオンの定量評価を行った．また，加速に有利な６価の炭素イオンを生成するためのレーザー条件を理論的に求め，シミュレーションによる妥当性評価を行った．, 日本物理学会第77回年次大会

超高強度短パルスレーザーと固体薄膜との相互作用により高エネルギーイオンを発生させる手法は、加速器の小型化をはじめとした様々な方面への応用が期待されている。 応用に資するために、発生するイオンビームを制御することが必要不可欠であり、我々はイオン加速性能を最も左右するレーザーの時間波形に着目し、これを制御することで発生するイオンの制御を行うことに挑戦してきている。 制御のためのノブを探るため、独立なペタワット級レーザーJ-KAREN-P（QST関西研）とDraco-PW （ドイツヘルムホルツ研究所）を用い、レーザーの時間波形の精密な制御を行い、同じ材質のターゲット、及びクロスキャリブレーションされた計測機器を用いることで、双方のイオン加速結果を詳細に比較し、同様のイオン加速結果を一致させる条件を得た。この背景にあるイオン加速メカニズムを調査するため、数百ピコ秒前からのレーザー波形を組み込んだ流体シミュレーション及び3D Particle In Cellシミュレーションを行った。イオンの高エネルギー化の背景にある加速メカニズムは、レーザーパルスの相対論的透過現象がカギを握り、レーザーからプラズマへの高効率エネルギー変換が起こっていることが判明した。本講演ではこれらの詳細に関して報告する。, 第77回物理学会年次大会

多価重イオンでプローブする高強度短パルスレーザーによるプラズマ中のダイナミクスについてＪ-ＫＡＲＥＮレーザーを用いた実験結果およびシミュレーション結果について発表する, レーザープラズマ原子過程シミュレーションオンライン研究会

Energetic ion beams are generated from the plasma produced by the interaction between high intensity PW-class laser and solid density targets. Because of the unique features of the beam, it attracts many fields of applications, thus active research is carried out all over the world for aiming at the generation of better quality beam. Here we introduce one of the recent achievements in the laser-driven ion acceleration research, especially investigation of the mechanisms of the heavy ion acceleration and the attempt to establish the laser-driven carbon injector for the medical accelerator.

超高強度レーザーを重金属に照射することで、極限的な高電離・高エネルギー密度プラズマを生成することができるが、その物性は未解明である。本研究では、衝突・電離・輻射過程を組み込んだプラズマ粒子シミュレーションコードPICLSを用いて、J-KAREN-Pに相当するレーザーパルスを銀薄膜に照射した場合の加熱・電離過程および輻射特性を調べた。平均電離度約40価、電子温度約10 keVまで加熱された銀プラズマ(図(a))は、パルス照射後にX線を輻射しながらピコ秒の時間スケールで数100 eV以下まで冷却されることが明らかになった(図(b))。重金属プラズマの輻射体としての特性を明らかにした本成果は、高輝度X線源の開発研究や天文学への応用にも繋がる。, OPTO2021

超高強度レーザーを用いたイオン加速の研究に関して発表する, 2021年春の物理学会年会

量研・ 関西研では 、超電導シンクロトロンとレーザー駆動炭素インジェクターを組み合わせた重粒子線治療装置の量子メスの開発を進めている。この開発では、 TNSA 法 により、4MeV/ 核子の炭素を発生させ入射することを目標としているが、レーザー駆動加速イオンの特徴であるピコ秒領域の極短パルス大電流という炭素ビームが「ビーム輸送系を介して超伝導 シンクロトロン のアクセプタンスに入射できるのか」という点については十分な検討がされていない。そこで、ビーム診断系および輸送系コンポーネント（磁石、静電レンズ）通過時 に生じる磁場および電場（空間電荷効果以外の外力）による 非線形性の増大に関して計算できるように整備した。今回はそれらの 結果と、量子メス実験用プラットホームでペッパーポット式のエミッタンスモニタで求めた数十keV級低エネルギーのイオンビームのエミッタンス量の結果を比較検討したので報告する。, 日本物理学会第76回年次大会