レーザープラズマ電子加速

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作成： 2006/10/27 三浦永祐データ番号　　　：040331 レーザープラズマ電子加速目的　　　　　　：レーザープラズマ加速を用いた小型電子線加速器の開発放射線の種別　　：光子（入射）電子、イオン（検出）放射線源　　　　：レーザープラズマ加速装置（7 MeV ～ 1 GeV）フルエンス（率）：1レーザーパルスあたり2.5×10³ ～3.1×10⁹　(electrons）線量（率）　　　：不明利用施設名　　　：産総研、ラザフォード研、ローレンスバークレー研、レーザー応用研、電中研、東大、原子力機構などレーザープラズマ加速装置照射条件　　　　：真空中応用分野　　　　：小型加速器、ラジオグラフィ、照射効果概要　　　　　　：　高強度レーザーパルスが励起するプラズマ波の電場による粒子加速（レーザープラズマ加速）を利用した小型粒子加速器の研究が進められている。レーザープラズマ加速によって、最高エネルギーが数100 MeVに達する電子ビームが得られてきたが、そのエネルギー広がりは100%に近く、単色ビーム発生が大きな課題であった。近年、特定のエネルギーにピークを持つ準単色電子ビームの発生が報告され、レーザープラズマ加速による小型電子線加速器の実現に向けて大きな一歩が踏み出された。詳細説明　　　　：　レーザープラズマ加速（laser-driven plasma acceleration）の概念は1979年に提案された。（原論文１）レーザープラズマ加速の原理を図1に示す。高強度レーザーパルスはポンデロモーティブ力（ponderomotive force、動重力ともいいレーザー強度の空間勾配に起因する力で、高強度レーザーが作り出す輻射圧と見なせる）によりプラズマ中の電子を排斥しながら伝搬する。レーザーパルスの通過後、電子が疎となった中心部へ周辺の密の部分から電子が押し寄せ、今度は電子が密の中心部から周辺に電子が押し出されの繰り返しで、プラズマ振動つまり電子の疎密波であるプラズマ波が励起される。加速位相に捕捉された電子はプラズマ波の作り出す電場によって加速される。プラズマ波の作り出す電場は100 GV/mにも達し、現在の高周波加速器の加速電場の1000倍に相当する。同じエネルギーの電子を得るための加速距離を1000分の1にでき、加速器の小型化が可能になる。また、レーザープラズマ加速は、従来型加速器では不可能と考えられてきた未踏領域の高エネルギー粒子加速技術としても期待されている。図1　Schematic view of laser-driven plasma acceleration 　超短パルス超高強度レーザー技術の目覚ましい進展により、特に近年レーザープラズマ加速の研究が盛んになってきた。レーザーパワーの増大も相まって、繰り返し動作可能なレーザー装置を用いて、１レーザーパルスあたりの電子数が3.1×10¹⁰、最高エネルギーが200 MeVに達する電子ビームが得られてきた。（原論文２）被加速電子を外部から供給しなくとも、プラズマ中の電子を捕捉（自己捕捉）して加速できることも示された。しかし、得られてきた電子ビームは、低エネルギーから最高エネルギーまでの電子を含んでおり、そのエネルギー広がりは100％に近い。現在の加速器が特定のエネルギーを持つ単色ビームを発生する様に、レーザープラズマ加速器実現に向けて、単色ビーム発生が大きな課題の一つとされてきた。しかし、2004年になって日米英仏の4機関からほぼ同時に、特定のエネルギーにピークを持つ準単色電子ビームの発生が報告され（原論文３～６）、レーザープラズマ加速器実現に向けて大きな一歩が踏み出された。　日本では産総研で最初に準単色電子ビーム発生に成功している。高密度のガスジェットに波長800 nm、エネルギー100 mJ、パルス幅50 fsのレーザーパルスを照射し、電子密度が1.5×10²⁰ cm^-³のプラズマから加速距離0.5 mmで７MeVにピークを持つ準単色電子ビーム発生に成功している。（原論文３）その電子ビームのエネルギースペクトルを図２に示す。単色成分の電子数は1レーザーパルスあたり2.7×10⁴、発散角は42 mradと高い指向性を持つ。規格化エミッタンス0.7π mm mradは、現在の線型加速器からのビームに匹敵する。プラズマ波によるレーザー光の変調を観測し、電子がプラズマ波によって加速されていることも捉えている。また、電子ビームのエネルギースペクトル、電子数はプラズマの電子密度に依存し、準単色ビームは1.5×10²⁰ cm^-³近傍の密度領域でのみ発生することがわかった。プラズマ波の振幅、波形もプラズマの電子密度に依存し、電子ビームの電子数、エネルギースペクトルと相関があることも明らかにされている。（原論文７）図2　Electron energy spectrum of quasi-monoenergetic electron beam obtained by laser-driven plasma acceleration at AIST 　イギリスのラザフォード研（原論文４）、アメリカのバークレー研（原論文５）、フランスのレーザー応用研（原論文６）では、より高出力のレーザーパルス（エネルギー0.5～1 J、パルス幅30～55 fs、波長800 nm近傍）をガスジェットに照射して70～170 MeVにピークを持つ準単色電子ビームを得ている。レーザー応用研では、エネルギー170 MeV、1レーザーパルスあたりの電子数3×10⁹の準単色ビームが得られており、レーザーから単色成分へのエネルギー変換効率は10%と極めて高い。（原論文６）先の４機関に引き続いて、電中研（原論文8）、東大（原論文9）、原子力機構(原論文10)、台湾(原論文11)、ドイツ(原論文12)、スウェーデン(原論文13)の機関からも準単色電子ビーム発生が報告されている。これまでに報告されている準単色電子ビーム発生を表１に示す。様々な照射条件で準単色ビーム発生が観測されており、発生機構も異なっていると考えられるが、プラズマの電子密度とレーザーエネルギーの最適化によってピークエネルギーの制御可能であることが示唆されている。　これまではほとんどの場合で、レーザーを長さ数mmのガスジェットに照射しているため、ガスジェットの長さ以上に加速距離を長くできない。最近、バークレー研ではキャピラリー放電により長さ数cmのプラズマを生成し、その中をレーザーパルスを伝搬させて、エネルギー1 GeV、電子数1.9×10⁸の準単色電子ビーム発生に成功している。(原論文14) 表1　Present status of quasi-monoenergetic electron beam generation by laser-driven plasma acceleration Institute Characterisitc of quasi-monoenergetic electron beam Laser conditions Plasma conditions Reference Peak energy [MeV] Number of electrons per pulse Beam divergence [mrad] Wavelength [nm] Energy [mJ] Pulse duration [fs] Target Electron density [cm^-3] National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 7 2.7x10⁴ 42 800 100 50 Gas jet 1.5x10²⁰ 3 Rutherford Appleton Laboratory 70 1.4x10⁸ not measured 800 500 40 Gas jet 2x10¹⁹ 4 Lawrence Berkeley National Laboratory 86 2x10⁹ 3 800 500 55 Gas jet 4.5x10¹⁹ 5 Laboratoire d｀Optique Appliquée 170 3.1x10⁹ 10 820 1000 33 Gas jet 6x10¹⁸ 6 Central Research Institute of Electric Power Industry 26.7 2.5x10³ not measured 800 350 70 Gas jet 3.8x10¹⁸ 8 University of Tokyo 11.5 6.3x10⁷ 17 790 410 37 Gas jet 8x10¹⁹ 9 Japan Atomic Energy Agency 19.6 5x10⁶ 7.5 800 210 70 Gas jet 4.7x10¹⁹ 10 Institute of 　Atomic and Molecular Sciences 55 2x10⁹ not measured 810 230 45 Gas jet 4x10¹⁹ 11 Friedrich-Schiller-Universitat　 47 2x10⁶ 10 800 600 80 Gas jet 8x10¹⁹ 12 Lund Institute of Technology 150 not measured not measured 800 600 35 Gas jet 2x10¹⁹ 13 Lawrence Berkeley National Laboratory 1000 1.9x10⁸ 1.6 810 1600 40 Capillary discharge plasma 4.3x10¹⁸ 14 コメント　　　　：　これまで報告されている準単色電子ビームはプラズマ中の電子を自己捕捉し加速して得られているので、その発生を完全に制御できているわけではない。準単色ビーム発生の安定化、エネルギーの制御、エネルギー幅の狭帯域化等、今後の課題も少なくない。また、準単色ビームの発生機構については粒子シミュレーションに主に依存しているのが現状であり、必ずしも明らかにされているとは言えない。先に述べた課題を克服するには、発生機構詳細の解明も重要となっている。　レーザープラズマ加速では、加速電場を作り出すプラズマ波の波長が数～数100μm程度であるので、フェムト秒領域の極短電子線パルス発生が期待される。極短電子線パルス幅測定法の開発、逆コンプトン散乱による極短Ｘ線パルス発生やパルスラジオリシスへの応用等、利用研究も開始されている。原論文１ Data source 1： Laser Electron Accelerator T. Tajima, J.M. Dawson University of California, Los Angeles Phys. Rev. Lett., 43, 267-270 (1979) 原論文２ Data source 2： Electron Acceleration by a Wake Field Forced by an Intense Ultrashort Laser Pulse V. Malka, S. Fritzler, E. Lefebvre^*, M.-M. Aleonard^*^*, F. Burgy, J.-P.Chambaret, J.-F. Chemin^*^*, K. Krushelnick^*^*^*, G. Malka^*^*, S.P.D. Mangles^*^*^*, Z. Najmudin^*^*^*, M. Pittman, J.-P. Rousseau, J.-N. Scheurer^*^*, B. Walton^*^*^*, A.E. Dangor^*^*^* Laboratoire dOptique Appliquee, Ecole Polytechnique ^*CEA/DAM Ile-de-France ^*^*IN2P3-Universite Bordeaux I ^*^*^*Imperial College of Science, Technology, and Medicine, UK Science, 298, 1596-1600 (2002) 原論文３ Data source 3： Demonstration of quasi-monoenergetic electron-beam generation in laser-driven plasma acceleration E. Miura, K. Koyama, S. Kato, N. Saito, M. Adachi^*, Y. Kawada^*^*, T. Nakamura^*^*^*, M. Tanimoto^*^*^*^* National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) ^*Hiroshima University ^*^*University of Tsukuba ^*^*^*National Institute of Radiological Sciences ^*^*^*^*Meisei University Appl. Phys. Lett., 86, 251501 (2005) 原論文４ Data source 4： Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laser-plasma interactions S.P.D. Mangles, C.D. Murphy, Z. Najmudin, A.G.R. Thomas, J.L. Collier^*, A.E. Dangor, E.J. Divall^*, P.S. Foster^*, J.G. Gallacher^*^*, C.J. Hooker^*, D.A. Jaroszynski^*^*, A.J. Langley^*, W.B. Mori^*^*^*, P.A. Norreys^*, F.S. Tsung^*^*^*, R. Viskup^*^*, B.R. Walton, K. Krushelnick Imperial College of Science, Technology, and Medicine, UK ^*Rutherford Appleton Laboratory ^*^*University of Strathclyde ^*^*^*University of California Nature, 431, 535-538 (2004) 原論文５ Data source 5： High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding C.G.R. Geddes^*, Cs. Toth, J. van Tilborg^*^*, E. Esarey, C. B. Schroeder, D. Bruhwiler^*^*^*, C. Nieter^*^*^*, J. Cary^*^*^*,^*^*^*^*, W.P. Leemans Lawrence Berkeley National Laboratory ^*University of California, Berkeley ^*^*Technische Universiteit Eindhoven, Netherlands ^*^*^*Tech-X Corporation, USA ^*^*^*^*University of Colorado Nature, 431, 538-541 (2004) 原論文６ Data source 6： A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov^*, S. Kiselev^*, S. Gordienko^*, E. Lefebvre^*^*, J.-P. Rousseau, F. Burgy, V. Malka Laboratoire d_Optique Appliqu_e, Ecole Polytechnique ^*Heinrich-Heine-Universitat Duesseldorf ^*^*CEA/DAM Ile-de-France Nature, 431, 541-544 (2004) 原論文７ Data source 7：レーザープラズマ加速による単色電子ビーム発生三浦永祐、小山和義、加藤進産業技術総合研究所プラズマ・核融合学会誌, 81, 255-260 (2005) 原論文８ Data source 8： Quasi-monoenergetic electron beam generation during laser pulse interaction with very low density plasmas A. Yamazaki, H. Kotaki, I. Daito, M. Kando, S. V. Bulanov, T. Zh. Esirkepov, S. Kondo, S. Kanazawa, T. Homma, K. Nakajima, Y. Oishi^*, T. Nayuki^*, T. Fujii^*, K. Nemoto^* Advanced Photon Research Center, Japan Atomic Energy Research Institute ^*Central Research Institute of Electric Power Industry Phys. Plasmas, 12, 093101 (2005) 原論文９ Data source 9： Observation of strong correlation between quasimonoenergetic electron beam generation by laser wakefield and laser guiding inside a preplasma cavity T. Hosokai, K. Kinoshita, T. Ohkubo, A. Maekawa, M. Uesaka, A. Zhidkov^*, A. Yamazaki^*^*, H. Kotaki^*^*^*, M. Kando^*^*^*, K. Nakajima^*^*^*, S.V. Bulanov^*^*^*, P. Tomassini^*^*^*^*, A. Giulietti^*^*^*^*, D. Giulietti^*^*^*^* University of Tokyo ^*National Institute of Radiological Sciences ^*^*Institute for Chemical Research, Kyoto University ^*^*^*Advanced Photon Research Center, Japan Atomic Energy Agency ^*^*^*^*Intense Laser Irradiation Laboratory, IPCF Phys. Rev. E, 73, 036407 (2006) 原論文10 Data source 10： Transverse dynamics and energy tuning of fast electrons generated in sub-relativistic intensity laser pulse interaction with plasmas M. Mori, M. Kando, I. Daito, H. Kotaki, Y. Hayashi, A. Yamazaki, K. Ogura, A. Sagisaka, J. Koga, K. Nakajima, H. Daido, S.V. Bulanov, T. Kimura Advanced Photon Research Center, Japan Atomic Energy Agency Phys. Lett. A, 356, 146_151 (2006) 原論文11 Data source 11： Tomography of Injection and Acceleration of Monoenergetic Electrons in a Laser-Wakefield Accelerator C.-T. Hsieh, C.-M. Huang^*, C.-L. Chang, Y.-C. Ho,Y.-S. Chen^*, J.-Y. Lin^*, J. Wang^*^*,^*^*^*, S.-Y. Chen^*^* Institute of Atomic and Molecular Sciences, Academia Sinica Taiwan ^* National Chung Cheng University, Taiwan ^*^* National Central University, Taiwan ^*^*^* National Taiwan University, Taiwan Phys. Rev. Lett., 96, 095001 (2006) 原論文12 Data source 12： Generation of Quasimonoenergetic Electron Bunches with 80-fs Laser Pulses B. Hidding, K.-U. Amthor^*, B. Liesfeld^*,H. Schwoerer^*, S. Karsch^*^*, M. Geissler^*^*, L. Veisz^*^*, K. Schmid^*^*,^*^*^*, J. G. Gallacher^*^*^*^*, S.P. Jamison^*^*^*^*^*, D. Jaroszynski^*^*^*^*, G. Pretzler, R. Sauerbrey^* Heinrich-Heine-Universitat ^*Friedrich-Schiller-Universitat ^*^*Max-Planck-Institut fur Quantenoptik ^*^*^*Ludwig-Maximilians-Universita¨t Mu¨nchen ^*^*^*^*University of Strathclyde ^*^*^*^*^*University of Abertay Dundee Phys. Rev. Lett., 96, 105004 (2006) 原論文13 Data source 13： Laser-Wakefield Acceleration of Monoenergetic Electron Beams in the First Plasma-Wave Period S. P. D. Mangles, A. G. R. Thomas, M. C. Kaluza, O. Lundh^*, F. Lindau^*, A. Persson^*, F. S. Tsung^*^*, Z. Najmudin, W. B. Mori^*^*, C.-G. Wahlstrom^*, K. Krushelnick Imperial College of Science, Technology, and Medicine, UK ^*Lund Institute of Technology ^*^*University of California, Los Angeles Phys. Rev. Lett., 96, 215001 (2006) 原論文14 Data source 14： GeV electron beams from a centimetre-scale accelerator W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves^*, Cs. Toth, K. Nakamura^*^* , C. G. R. Geddes, E. Esarey, C. B. Schroeder, S.M.Hooker^* Lawrence Berkeley National Laboratory ^*University of Oxford ^*^*University of Tokyo Nature Physics, 2, 696-699 (2006) キーワード：レーザープラズマ加速、小型電子線加速器、高強度レーザーパルス、プラズマ、プラズマ波、準単色電子ビーム, 極短電子線パルス、極短Ｘ線パルス laser-driven plasma acceleration, compact electron accelerator, intense laser pulse, plasma, plasma wave, quasi-monoenergetic electron beam, ultrashort electron pulse, ultrahort x-ray pulse 分類コード：040102, 040106
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Institute	Characterisitc of quasi-monoenergetic electron beam			Laser conditions			Plasma conditions		Reference
Institute	Peak energy [MeV]	Number of electrons per pulse	Beam divergence [mrad]	Wavelength [nm]	Energy [mJ]	Pulse duration [fs]	Target	Electron density [cm^-3]	Reference
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology	7	2.7x10⁴	42	800	100	50	Gas jet	1.5x10²⁰	3
Rutherford Appleton Laboratory	70	1.4x10⁸	not measured	800	500	40	Gas jet	2x10¹⁹	4
Lawrence Berkeley National Laboratory	86	2x10⁹	3	800	500	55	Gas jet	4.5x10¹⁹	5
Laboratoire d｀Optique Appliquée	170	3.1x10⁹	10	820	1000	33	Gas jet	6x10¹⁸	6
Central Research Institute of Electric Power Industry	26.7	2.5x10³	not measured	800	350	70	Gas jet	3.8x10¹⁸	8
University of Tokyo	11.5	6.3x10⁷	17	790	410	37	Gas jet	8x10¹⁹	9
Japan Atomic Energy Agency	19.6	5x10⁶	7.5	800	210	70	Gas jet	4.7x10¹⁹	10
Institute of 　Atomic and Molecular Sciences	55	2x10⁹	not measured	810	230	45	Gas jet	4x10¹⁹	11
Friedrich-Schiller-Universitat	47	2x10⁶	10	800	600	80	Gas jet	8x10¹⁹	12
Lund Institute of Technology	150	not measured	not measured	800	600	35	Gas jet	2x10¹⁹	13
Lawrence Berkeley National Laboratory	1000	1.9x10⁸	1.6	810	1600	40	Capillary discharge plasma	4.3x10¹⁸	14