Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 FROB08

レーザー駆動イオン加速機構におけるビームエミッタンス評価
PARAMETER EVALUATION OF AN ION BEAM EMITTANCE IN LASER-DRIVEN ION
ACCELERATION MECHANISM
宮武 立彦 A,B), 小島 完興 B), 榊 泰直 A,B), 竹本 伊吹 A,B), 近藤 康太郎 B), 西内 満美子 B), ヂン タンフン B),
畑 昌育 B), 錦野 将元 B) , 渡辺 幸信 A), 岩田 佳之 C), 白井 敏之 C), 神門 正城 B), 近藤 公伯 B)
Tatsuhiko Miyatake #,A,B), Sadaoki Kojima B), Hironao Sakaki A,B), Ibuki Takemoto A,B), Kotaro Kondo B),
Mamiko Nishiuchi B), Thanh-Hung Dinh B), Masayasu Hata B), Masaharu Nishikino B), Yoshiyuki Iwata C),
Toshiyuki Shirai C), Masaki Kando B), Kiminori Kondo B), Yukinobu Watanabe A)
A)
Kyushu UniversityB)
Kansai Photon Science Institute (KPSI), National Institutes for Quantum and Radiological Science and TechnologyC)
National Institute of Radiological Sciences (NIRS), National Institutes for Quantum and Radiological Science andTechnologyAbstract
The TNSA mechanism can produce ion beams with low emittance and high peak current due to the characteristics ofits acceleration mechanism. Therefore, this ion beam is being studied as a novel accelerator for applications such as PIXE
analysis and FLASH therapy. We study how to control the beam quality with the laser-plasma interaction. Here, we
performed laser-plasma simulations using a 2D Particle-in-Cell code to analyze transverse emittance, current andbrightness. In this simulation, we studied the effects of laser spot size and target thickness variation on its beam quality.
The results confirmed that the target thickness of the interaction contributes to the beam brightness under various laser
spot conditions.の変化に応じて，イオンビームの品質がどのような相関をもつかについて，理解されていない。つまり，応用目的
レーザー駆動イオン加速機構 [1-3]は，その発生機 に応じたビームを生成するためのレーザー照射条件や，構が持つ加速勾配の高さ(~TV/m)やビーム品質の高さ， ビーム品質を制御するための手法に関しては，ほとんど短パルス性など，既存の加速器と異なる特徴を持つため， 議論が進んでいない。
そこで我々は，2D Particle-in-Cell(PIC)コードを用いて加速器の小型化をはじめとする，応用に向けた研究がTNSAによるイオン加速過程をシミュレーションすること進められている。中でも，低エミッタンス性や短パルス性により，様々なレーザー照射パラメータが持つビーム品といったビーム品質に関する特徴は，粒子線治療の照射方法の一つである FLASH [4]や，PIXE 分析などの物 質との相関を体系的に把握し，それらの結果を実験的に性実験 [5, 6]において求められる，局所的な線量集中 示していくことを目的とし，研究を開始した。本発表では，性を高めることに適しており，近年研究が進められている。 2D PIC シミュレーションによって得られた結果に関して議
こ の レ ー ザ ー イ オ ン 加 速 手 法 の 一 つ で あ る Target 論を行う。
Normal Sheath Acceleration (TNSA) 機 構 は ， ≧Particle-in-Cell シミュレーション
1018 W/cm2 で高強度レーザーを固体薄膜に照射するこ 2.とで，ターゲット表面の電子を相対論速度まで加速し，薄イオンビームを発生させるうえで，理想的なビームはエ膜裏面において電荷分離電場(~TV/m)を生成させる。 ミッタンスがゼロとなることであるが，実際のビームはレーそして，この電場によって，イオン化した水素，炭素，酸 ザーとプラズマの相互作用の過程で発生するノンゼロの素などが MeV 級のエネルギーに加速される。レーザー エミッタンスを持っている。そのため，エミッタンスやビープラズマ加速器を実現するためには，この TNSA によっ ム電流といったビーム品質を制御するためには，レーて発生するビーム特性を把握することが不可欠であるた ザープラズマ相互作用の過程を PIC シミュレーションにめ，加速されたイオンのビーム品質はこれまでにいくつ て計算し，ビーム品質に影響を与える要因を解明する必かの手法で評価され，横方向エミッタンスは 10 MeV の 要がある。ここでは，Fig. 1 に示すように，相互作用ター
プロトンにおいて，既存の RF 加速器の値を 2 桁程度下 ゲットの厚さとレーザーのスポットサイズという 2 つの要因
回る 0.004 mm-mrad (normalized RMS value) [7]というよ に着目しビーム品質との相関を評価する。シミュレーショ
うに非常に層流性が高いことが理解されている [8, 9]。ま ンには，2 次元 PIC コード EPOCH version 4.17.10 [11]をた，レーザー加速におけるビームエミッタンス成長の物 用いた。解析の簡略化のため，シミュレーション条件は理的起源に関して言及された論文 [10]などもある。
無衝突を仮定している。シミュレーションボックスの寸法
ところで，レーザー加速器という応用を考える場合に は 80 μm×80 μm（x 方向 × y 方向），セルサイズはは加速されたイオンビームの制御が必要となるが，レー 0.042 λL×0.042 λL（λL はレーザー波長）である。x-y 平面
ザーの集光条件や固体薄膜ターゲットなどの照射条件 の直線偏光レーザーは，シミュレーションボックスの左境

1.

はじめに

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界から入射し，x 軸に沿った正方向に伝搬する。レー
ザーの空間強度分布は単一のガウス分布とし，レーザー中心を y=0 μm とした。パルスの時間プロファイルは，
FWHM で 80 fs のガウス分布で与えられた。ターゲットはポリイミドと裏面側に付着した不純物層（厚さ 20 nm）の 2層という条件にて，数 µm 級のポリイミド層は炭素とプロトンの数比が 2：1，不純物層は純粋なプロトン層と仮定した。仮定した。両ターゲット層の電子密度は ne = 40nc としており，ここで，電子臨界密度 nc = ε0meω2/e2 とし，ε0は真空誘電率，ω はレーザー周波数，me と e はそれぞれ電子質量と電荷である。レーザープリパルスの影響を考慮し，レーザーの入射面には指数関数的な密度分布とスケール長 L = 4 λL のプリフォームドプラズマを設定した。
本シミュレーション条件において，レーザースポット径 Figure 2: Energy spectrum of proton beam when laser spotを 5 µm，レーザー集光強度を 6.5 x 1018 W/cm2，ターゲッ size: 5 µm (FWHM), laser energy: 130 mJ and target
ト厚を 5 µm としたときのレーザー照射後 1000 fs 経過時 thickness: 5 µm.
点でのプロトンビームのエネルギースペクトルを Fig. 2 に示す。プロトンビームの最大エネルギーは 5 MeV 程度と ミッタンスの二乗で割ったものを式(2)の輝度 Bsim として任なっているが，診断にはビーム品質を観測するうえで十 意に定義する。
分な粒子数が得られるプラトーなエネルギー領域
𝐵!"# = 𝐼!"# /𝜀!"#$% &(2)(2 MeV±5 %)を用いた。解析するイオンビームの発散角
ただし，これらのパラメータはシミュレーション上で定義さは±50 mrad 以内とする。この制限を設ける理由は，実験れた物理量であり，実験的に測定される値と定量的に比的にこれらのビームを輸送する場合において，較可能な値ではないことに注意する。以下では，ター
quadrupole magnet で輸送可能な発散角が 20-50 mrad
ゲットの厚みとレーザーの照射スポット径をスキャンした程度であることが予測されるためである[9]。
場合の，ビーム品質の比較に関する解析結果について我々のアプローチは，シミュレーション上でのレーザー議論する。
照射条件ごとの横方向エミッタンス，電流，輝度を定義し，そのビーム品質が示す傾向を観測することである。ビー
3. シミュレーション結果及びディスカッション
ム品質の解析は，レーザー照射後 1000 fs 経過時点での結 果 を 基 に 行 わ れ る 。 規 格 化 RMS エ ミ ッ タ ン ス 3.1 位相空間分布によるビーム品質の評価
εSim,Norm,RMS は，横方向空間 y と角度 y’によって求まる式
PIC シミュレーション結果から求まる位相空間分布を(1)を用いて計算される。
用いて，ターゲットの厚み，レーザースポット径の変化による楕円分布の変化について議論する。
𝜀!"#$% = 𝛾𝛽%⟨𝑦 & ⟩⟨𝑦′& ⟩ − ⟨𝑦𝑦′⟩&(1)
まず，ターゲット厚み依存性に関して評価した結果をここで，<>は平均値を表す。ビーム電流は Isim とし，シミュ Fig. 3(a-b)に示す。この時のレーザースポット径は 5 µm
レーション上で発生するチャージ量をビームパルス幅で (FWHM)，レーザーエネルギーは 130 mJ，その集光強割った値を示す。ターゲット厚が 3 µm と 12 µm 厚におけ 度は 6.5 x 1018 W/cm2 であり，ターゲット厚を 3, 12 µm とるビームパルス幅を比較したところ，どちらも 100 fs 程度 した時の位相空間分布の結果を示している。Figure 3(aであり，その差は数%以内であった。この差は電流値に b)の分布を比較すると，12 µm 厚のターゲットの場合に与える影響が小さいので，パルス幅は均一であると仮定 位相空間の持つ角度広がりが大きく，空間方向の幅も大した。ビーム輝度は，ビーム電流をエミッタンスの二乗で きくなっていることが確認できる。横方向エミッタンスとは，割った値を指し，本論文では，シミュレーション電流をエ この位相空間面積であるため，この時の集光条件においては，厚みが小さい照射条件においてエミッタンスのyPhase SpaceThin Foil Target
小さなビームが生成されることが分かる。
y’x
次に，レーザー照射スポット径の大きさを比較した時
yの位相空間分布をFig. 3(c-d)に示す。この時のターゲッ
Ion
BeamLaser(Proton)ト厚は5µmで一定であり，スポット径は3.5, 10 µm の結Φ果を比較している。また，集光強度を 6.5 x 1018 W/cm2 で一定に保つためにレーザーエネルギーはスポット径に応dじて調節されている。Figure 3(c-d)の位相空間分布の結Beam Quality analysis
果から，等しい集光強度でレーザースポット径を変化さ
Irradiation Parameter• Emittance
せた場合，大きなスポット径の照射では，y’方向への角・Target thickness: dCorrelation • Current
度分布広がりと y 方向への空間広がりが見られ，エミッタ• Brightness
・Laser spot size: Φンスに変化が表れていることが分かり，大きなスポット径の場合にエミッタンスが大きくなるような傾向がみられた。
Figure 1: Overview of the calculation scheme.

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3.2(a)

輝度マップによるビーム品質の評価

等しい集光強度で照射される場合の，ターゲット厚とレーザースポット径の持つビーム品質に対する影響を比較するため，2 つの条件をスキャンした時の輝度分布を観測した。Figure 4 は，ビーム輝度の大きさを赤から青のカラーマップで示しており，横軸を横方向エミッタンス，縦軸をビーム電流とする。ターゲットの厚みは，3, 5, 6,7.5, 12 µm の時の結果をそれぞれ比較しており，レー
ザースポット径はそれぞれ 3.5, 5.0, 7.5, 10.0 µm の結果を示す。ターゲット厚の変化に着目し等しいレーザースポット径の結果を線で結んだ Fig. 4 の結果によると，レー
ザースポット径が比較的小さな照射条件下において，3.1 節で得られた結果と同様にエミッタンスは厚みの上昇に従って大きく増加することが観測され，より薄いターゲットにおいて低エミッタンスなビームが得やすい傾向が観測された。一方で，ビーム電流の変化は，ターゲット厚の変化に対して比較的緩やかな変化を示した。例えば，レーザースポット径 5 µm の時のターゲット厚 3 µm と12 µm の結果を比較すると，12 µm のエミッタンス値は3 µm と比較して 202.0 %増加している一方で，電流値は15.6 %しか減少しない。これらの結果から輝度の変化を観測すると，ターゲット厚 3 µm の時のビーム輝度は，12 µm の結果と比較して 1 桁以上増加した。また，スポット径の大きな照射では，ターゲットが薄くなるに従い，ビーム電流が増加していく傾向が観測された。これらの結果から，全体的に薄いターゲットの照射において高輝度なビームを発生させる傾向が観測された。
次に，Fig. 4 のスポット径の変化に着目すると，スポット径の増加に伴いエミッタンス，電流値がともに上昇傾向を示すために，スポット径は輝度の変化への寄与が比較的小さいという結果が得られた。例としてターゲット厚が5.0 µm の時のスポットサイズ 3.5 µm と 10.0 µm の結果を比較すると，10.0 µm では，3.5 µm に比べてエミッタン
スが 80.7 %，電流値が 363.4 %増加するが，ビーム輝度は 42.1 %しか増加していない。様々なターゲット厚において同様の傾向が得られていることから，等しい集光強度での照射において，レーザースポット径の変化がビー
ム輝度に与える変化は，比較的小さいことがわかる。な(b)

(c)

(d)

d= 3.0 um
d= 5.0 um
d= 7.5 um
d= 12.0 um
φ= 3.5 um
φ = 5.0 um
φ = 6.0 um
φ = 7.5 um
φ =10.0 um

Figure 3: Transverse phase space profile of y-y'. Theenergy of protons to be observed is 2 MeV with ±5 %dispersion. (a-b) show results for target thickness of 3 and12 µm, respectively, (c-d) show results for laser spot sizesof 3.5 and 10.0 µm. A color bar shows a simulation particle
number, and the color intensity is normalized from purple
to yellow for each map.

Figure 4: The distribution of brightness with red to blue
color map. The horizontal axis is the normalized rms
emittance and the vertical axis is the beam current in thesimulation.

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お，これらのような違いが生まれる物理的メカニズムは，電場分布や電子フィラメンテーション，方位磁場など様々な影響から発生することが考えられるため，詳細な物理解析を行う必要がある。
また，本シミュレーション体系は衝突効果を考慮しておらず，二次元であり，ターゲット及び不純物層の粒子密度も固体密度に対して小さい。また，解析対象のプロトンのエネルギーは，加速のピークエネルギーよりも比較的低いエネルギーのプラトーなエネルギースペクトルの領域を選択しており，ピークエネルギー付近では異なる傾向を示す可能性も考えられる。

4.

終わりに

我々は，レーザー加速イオンのビーム品質を制御可能にすることを目的として，2D Particle-in-Cell シミュレーションを用いてレーザー照射パラメータとビーム品質の持つ相関について研究した。我々は連続的にビーム輸送が可能な発散角内のビームのみに焦点を当て，シミュレーション上で定義された横方向エミッタンス，電流及び輝度を用いてビーム品質を評価した。その結果，ターゲットの厚みがビーム輝度を制御するのに有効なパラメータであることを示した。また，レーザースポットサイズが電流値の増大に有効なパラメータであることを示した。
今後は，より詳細なシミュレーション解析を行うとともに，実験的にこれらの傾向が得られるかどうかを調査し，レーザー照射条件の最適化，レーザー駆動イオン加速器の実現に向けた研究を進めていく。

謝辞
本研究は，JST，未来社会創造事業，JPMJMI17A1の支援を受けて実施された。本研究は，JSPS 科研費
JP21J22132 の助成を受けたものである。

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