Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Phase rotation scheme of the ions accelerated by an intense femtosecond laser
S.Nakamura1, A.Noda, Y.Iwashita, T.Shirai, A.Yamazaki, M.Tanabe, H.Tongu, M.Ikegami, S.Fujimoto, T.Mihara,S.Sakabe M.Hashida, S.Shimizu
Advanced Research Center for Beam Science, Institute of Chemical Research, Kyoto University
Gokasho, Uji, Kyoto, 611-0011
Abstract
A phase rotation scheme is investigated for the ion beam that is emitted from foil target irradiated by a high repetition(10Hz) high power(~10TW) short-pulse(~50fs) laser. By application of an RF electric field synchronized with the laser
pulse, the ion beams in the energy range of ±5 % is expected to be compressed into the range within ±1 % of our goal.
The experiment to demonstrate the feasibility of the phase rotation scheme is planed. However, protons with thesufficient energy couldn’t be produced.

高強度短パルスレーザー起源イオンの位相回転によるエネルギー圧縮
１．はじめに出力が数TWから数10TWでパルス幅が1psから数10fsの高強度短パルスレーザーを数10m程度に集光し、物質に照射したときに、最大エネルギーが数MeV/uから数10MeV/uの高エネルギーイオンが発生することがわかっている。我々も、これまで、京都大学、東京大学、関西研究所の共同実験において、東京大学大学院工学系研究科附属原子力工学研究施
設の高強度(3TW)超短パルス(50fs)レーザーを18m
182(FWHM)に集光し(照射強度610 W/cm )、金属薄膜に垂直に照射した際、数10keVから1MeV程度の陽子が発生することを確認している [1] 。その実験において、イオンの発生方向はレーザー進行方向に対しておよそ±5°以内に集中しており、またエネルギーが大きくなるにつれて個数は指数関数的に減少している。
我々は、このイオンを従来の加速器に入射することで加速器の低エネルギー部分を省略し、加速器の小型化を達成することを目指している。その際、十分なビーム強度を達成するため、目標エネルギーを中心とするイオンにレーザーと同期したRF電場を印加し、加減速させることで位相回転を行い、±5%のエネルギー幅のイオンを±1%以下に圧縮する試み
6+を進めている。最終的には2MeV/uのC イオンを910 /s生成することが目標であるが、現段階では原理実証として、陽子に対してこの操作を行い、目標エネルギーを中心にエネルギー圧縮することを目指している。
今回、位相回転の実証実験を行うために、大阪大学レーザーエネルギー学研究センター(旧レーザー核融合研究センター)のT6–laserを使用し、250keVの陽子を生成することを目指したが、マシンタイム中に達成することができなかった。

繰り返し周波数は10Hzである。実験期間中のパルスあたりのエネルギーは約110mJ、パルス幅は約130fsであった。このレーザーを焦点距離165mmの軸はずし放物面鏡によって14045mに集光し(集光強度162210 W/cm ) 、 厚 さ 2.5m の マ イ ラ ー (C10H8O4)n に90±1°の入射角で照射した。以下、ターゲットに対してレーザーが進む方向を“前方”、反対側を“後方”とする。
ターゲットから前方に1.2mの位置に位相回転用RF Cavityを設置し、その後ろにイオン検出器としてSakabe型Thomson parabolaイオン分析器 [2](TP)にマイクロチャネルプレート(MCP)を取り付けたものを設置した。ターゲットからTPのピンホールまでの距
離は1.6m、ピンホールからMCPまでの距離は58cmである。RF Cavityのビーム軸は直径50mmあり、これをレーザー進行方向に対して±1mmの精度で合わせ、また、直径0.3mmのTPのピンホールをレーザー進行方向に対して±0.5mmの精度で合わせた。TPの4
磁場は40 ~ 1000G、電場は0 ~ 410 V/mの範囲で変化させて測定を行った。

３．実験結果レーザーが最も集光されている位置にターゲットを設置したときに、高エネルギーのイオンが発生するとは限らない[3] ため、ターゲットの位置を前後に移動させながら約80ショットの積算照射を行った。
最も高エネルギーのイオンが検出されたのはレーザーの集光点から前方に0.6mmの位置であった。この位置でのMCPの信号を図１に示す。検出されたイオンは、TPの電場と磁場から求めた理論曲線から、陽子、炭素の4価から1価、酸素の2価と1価であることがわかる。陽子の最大エネルギーは45keVで、そのほ かの 炭 素 と 酸 素 イ オ ン の 最 大 エ ネ ル ギ ー は 数
keV/u以下であった。原点から遠い方で理論曲線とMCPの信号とがずれているのは、イオンが低エネル
２．実験セットアップ
T6-laserは中心波長800nmのTi:Sapphireレーザーで、 ギーであるため、TPの電極や磁極の漏れ電場、漏1E-mail: nakamura@kyticr.kuicr.kyoto-u.ac.jp394

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れ磁場の影響を大きく受けているためだと考えられ細な角度分布は測定できておらず、レーザー進行方る。
向とそこから約20度ごとの角度分布からおよそ±5°
今回の実験では、レーザーをターゲットのきれい以内という結果が導かれた。今回の実験結果はイオな面に照射した時にはイオンは検出されず、一度照ンの角度分布が±1°以下であることを間接的に示し射した後の面に照射した時にイオンが検出された。ている。同一のレーザーを用いたイオン発生実験でターゲットは2.5mと薄いため、一度レーザーを照は、照射強度1.21018W/cm2を達成した際に、１MeV射すると穴が開き、その周辺はレーザー進行方向に以上の陽子の角度分布が2.6mradという結果が示さ対してランダムに大きく傾いている。照射強度がれている[4]。
17210 W/cm のオーダーでは、イオンの発生方向はレーザー軸方向ではなく、ターゲット面の法線方向だと４．まとめいう報告があり、今回の実験の照射強度でも同様の今後、レーザーをより小さく集光させることで照傾向を示すと考えられる。この実験ではレーザーを射強度の改善を行い、位相回転の実証実験を行うたターゲットに垂直に照射することで、レーザー軸とめに必要な250keVの陽子を生成することを目指す。
ターゲットの法線方向とを合わせているため、イオそれとともに、ターゲット面の調整機構の導入と、ンの角度分布がDq = (レーザー進行方向に対するター レーザー進行方向の詳細な角度分布の測定を行ってゲットの設置誤差) + (レーザー進行方向に対するTPいく。のピンホールの設置誤差)以上であれば、一度目の照射で生成されたイオンがTPで検出される。この
参考文献
実験において(レーザー進行方向に対するターゲッ[1] K.Matsukado, et al., “Energetic Protons from a Few-Micronトの設置誤差) = ±1°、(レーザー進行方向に対するMetallic Foil Evaporated by an Intense Laser Pulse”,
3
TP の ピ ン ホ ー ル の 設 置 誤 差 ) = ±0.5/1.610 =Phys. Rev. Lett., 91, 215001, (2003)
4±3.110 radであるから、Dq1°である。今回の実[2] S.Sakabe, et al., “Modified Thomson parabola ion
spectrometer of wide dynamic range”, Rev. Sci. Instrum.,験で、レーザー進行方向にランダムに傾いている二51, 1314, (1980)
度目の照射においてのみ、イオンを検出できたのは、生成されたイオンの角度分布が±1°以下であるため、 [3] Y.Wada, et al., “Ion Production Enhancement by RearFocusing and Prepulse in Ultrashort-Pulse Laser
ターゲット面の法線方向がレーザー進行方向と±1°Interaction with Foil Targets”, Jpn. J. Appl. Phys., 43,
以下で偶然に重なった時しか、イオンがTPに到達
L996, (2004)できない事を示している。
[4] S.Okihara, et al., “Energetic Proton Generation in a ThinPlastic Foil Irradiated by Intense Femtosecond Lasers”, J.
これまでの実験において、レーザー進行方向の詳
Nucl. Sci. Tech., 39, 1, (2002)

図１：MCPによって検出したイオンのパラボラ。
陽子の最大エネルギーは約45keV で 、 そ の 他 の イ オ ン は 数
keV/u以下である。低エネルギー側にカットオフがあるのはMCPの感度面による。
原点付近にみえる同心円状の信号はピンホールを抜けてきたX
線、又はプラズマの発光によるもので、最も強い中心付近はMCPの直前に厚さ5mmの鉛板を設置している。

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