Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-19]
Numerical Analysis and Experiment for Laser Plasma Linac
H. Okuda1, N. Hafz1, R. G. Hemker1, K. Kinoshita1, T. Watanabe1, T. Kobayashi1, K. Nakamura1,
A. Fukasawa1, T. Ueda1, K. Yoshii1, K. Nakajima1,2,3 and M. Uesaka1
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Nuclear Engineering Research Laboratory, Graduate School of Engineering,
University of Tokyo, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki 319-1106, JAPAN2JAERI, Kansai Research Establishment, Kizu-chou, Sora-ku, Kyoto 619-0215, JAPAN3
High Energy Accelerator Organization, Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki 305-0801, JAPANAbstract
New 50 fs 12 TW laser system was installed at the NERL, University of Tokyo in 1999. One application of our laser
system is the electron and helium ion beam generation in the plasma wave excited by the laser plasma interaction. The
plasma wave is supposed to be excited up to the wavebreaking limit. Two-dimensional numerical simulation using PIC
code showed the generation of 12 fs (at FWHM) 25 MeV electrons from the background plasma electrons. The r.m.s.
emmitance was about 2.8πmm mrad and the total accelerated charge was more than 1 nC. A preliminary experiment
on focusing 1.1 TW laser pulses on a helium gas jet in air produced hundreds keV electrons. More precise calculations
and experiments are underway. The helium ion beams are also going to be generated and analyzed.

レーザープラズマライナックの数値解析と実験
1. 序論
東大院工原施では、1998 年にフェムト秒高速量短・高強度レーザーパルスが作り出せるようになり、子現象研究設備（フェムト秒極短電子パルスの生成、terawatts laser)と呼ばれる小型のレーザーが普及し、超短・高強度レーザーパルスを用いた実験が盛んに計測、放射線物理・化学への応用まで目的は多岐にわたる）が導入され、その設備の一環として 1999
年にフェムト秒テラワットレーザー装置

テ ー ブ ル ト ッ プ テ ラ ワ ッ ト レ ー ザ ー (table-top行われるようになった。[1]しかし、従来のレーザープラズマ加速では加速粒子として、ライナックから(12TW/50fs)が設置された。本研究の目的は、このフェムト秒テラワットレーザーを用いて、レーザの入射粒子を必要とし、装置全体の小型化が困難でーとプラズマの相互作用によって、プラズマ波をプラズマ電子を加速に用いるため、ライナックを必波の破砕限界(wavebreaking limit)以上にまで励起し、要とせず、装置の大幅な小型化が実現可能となる。

破砕によるエネルギーによって、プラズマ中の電子[2]を加速し、フェムト秒極短電子パルスを生成、計測することにある。また、電子加速の際に、電荷の2. 理論
極短・高強度レーザーパルスをガスジェットから不均衡から、プラズマイオンのクーロン爆発が起こ噴出される高圧ガスに集光すると、完全に電離したり、高エネルギーイオンも生成される。この高エネ高密度プラズマ(〜1019W/cm2)がレーザーパルスのルギーイオンを生成、計測することも本研究の目的先端部(leading edge)によって生成される。この高密である。この発生したイオンは高エネルギー粒子照度プラズマとレーザーパルスのピークにおけるポ射損傷実験への利用等が期待される。この一連の電ンデラモーティブ力の相互作用よって、軸方向の大子・イオン生成過程はレーザープラズマライナック

振幅プラズマ波が励起され、加速勾配 100GV/m、と呼ばれる。

振動数ωp=(4πn0e2/m)1/2 の航跡場を生成する (ここあった。しかし、本システムではガスプラズマ中のレーザーとプラズマの相互作用を用いた電子加で n0,e,m はそれぞれプラズマ密度、素電荷、電子の速は 1979 年に Tajima と Dawson によって、提唱さ質量である) 。プラズマ波の振幅が増加し続け、波れ、今日まで様々な実験検証・理論解析・数値解析の破砕限界を越え、プラズマ波が壊れると、波のエが行われている。特に 1989 年の Mourou らによるネルギーがプラズマ電子に移る。このエネルギー

Chirped Pulse Amplification 法が発明され、小型で超を受けた電子が高エネルギー電子として放出され−183−る。このとき、プラズマ波は非線型であり、非線型ーパルスを集光したときにプラズマから放出され性が強まるにつれ、プラズマの密度変化はインパル

た、電子の像（イメージングプレート）を示す。実ス列になり、航跡場は鋸刃状波になる。航跡場の大験は、真空トラブルのために空気中で行った。放出

きさはレーザー強度パラメータ a0=0.85×10-9λL[μされた電子のエネルギーは、イメージングプレート1/222m] I [W/cm ] を用いて表すと、eEz/mωPc = (γ -1)/γ,γ=1+a02 である (ここでλL, I , Ez, c はそれぞれ、の像の解析から 50keV 程度と見積もられた。次に図レーザーの波長、レーザーの強度、軸方向の航跡場

4 に CCD カメラを用いて、プラズマの空気中で撮影した像を示す。今後、実験では真空で、フルパワの大きさ、光速である) 。

ー(12TW)での実験を行うとともに、電子ビームの3. 数値解析
完全相対論化された 2 次元 Particle-in-cell コード

パルス幅計測についても、CTR や fluctuation methodによる測定も予定している。
また、気体ターゲットに限らず、固体ターゲット(2D-PIC)を用いて、数値解析を行った。メッシュ数、粒子数、ステップ回数はそれぞれ、2500×300、750,000、8000 で行った。プラズマ密度、プラズマ温度はそれぞれ、1.5×1019cm-3、1keV とし、プラズ

12TW50fs
Laser

CR39
Imaging
Plate

Gas-jetParabolic mirror

マイオンは静止していると仮定した。また、レーザーパルスはガウス分布でパルス幅 50fs (FWHM)、出力 12TW とした。数値解析の結果を図 1 に示す。
12fs(FWHM)、25MeV、1nC の電子パルスが得られた。[2]Fig. 1: The generation of 12 fs (FWHM), 25 MeV
electrons from the background plasma electrons by
numerical simulation using PIC code

Al-foilcompressor

Experimental chamber

Fig. 2: Schematic diagram of Laser-Plasma Linac at
NERL, Univ. of Tokyo

Fig. 3: Image of electrons emitted from plasma whenlaser of 1.1TW was focused on helium gas jet ofpressure 103 psi by Imaging plate

4. 実験
実験体系図を図 2 に示す。1TW〜12TW の強度をもったレ−ザーパルスが双曲線型ミラー(F=f/D=1.5)によって、耐高圧パルスガスジェットのノズル出口付近に集光された。ガスジェットのノズル口径は 2.5mm である。今回、予備実験として、電子検出にイメージングプレートを用いた。図 3 に、1000psi のヘリウムガスジェットに 1.1TW のレーザ

Fig. 4: An image taken in air for the plasma by
CCD camera

にレーザーを集光した場合も同様に固体表面にプラズマを形成し、レーザーとプラズマの相互作用により、イオンを生成する。そこで、図５のような実12TW 50fs
LASER

験体系を組み、レーザーパルス(5.5TW,50fs)を銅ターゲットに集光し、銅ターゲットから放出されるイParabolicmirror

CR39mirror

オンを CR39 プラスチックを用いて測定した。CR39は銅ターゲットから 370mm 離れたところに置かれ、実験チャンバー内は真空中に保たれた。レーザーパ

Cu target

ルスは 60 分間、銅ターゲットに照射された。図６、Experimental chamber

図７に銅ターゲットから放出した Cu イオンがCR39 に衝突し、エッチピッドを形成した様子を示す。CR39 はエッチピッドを強調するため、5N のcompressor

Fig. 5: Experimental setup of Cu ion
measurement from laser-plasma of Cu target.

NaOH に 12.5 時間つけられている。単位面積あたりのエッチピッドの数から、レーザーパルス１ショットあたり、〜103 個の Cu イオンが発生していると見積もられた。Cu イオンのエネルギーについては、現在解析中である。
5. 結論
レーザーとプラズマの相互作用を用いた、フェムト秒極短電子パルス生成の数値解析並びに予備実験を行った。数値解析から、12TW50fs レーザーから 12fs(FWHM), 最高 25MeV の電子ビームが生成されるという結果を得た。実験では、1.1TW50fs のFig. 6: Cu ion emitted from Cu plasma when laserof 5.5 TW was focused on Cu target by CR39.
There are some etch pits engraved by Cu ion.

レーザーを 1000psi の He ガスジェットに集光し、50~100keV の電子が発生していることを確認した。
また、5.5TW50fs のレーザーを Cu ターゲットに集光し、レーザー１ショットあたり、~1000 の Cu イオンが発生していることを確認した。
参考文献
参考文献
[1] M. Kando and K. Nakajima et al., proc. of Part. Acc.
Conf., (1999) 3702
[2] H. Nasr, K. Nakajima and M. Uesaka et al., Nucl.
Instr. and Meth. in Phys. Res. A, in press

Fig. 7: The enlarged photo of Fig. 6. The size ofa each etch pit was estimated at 10~20 μm.