Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 TUP53

レーザー駆動イオン加速機構における高品質イオンビーム生成
HIGH QUALITY ION BEAM GENERATION IN LASER-DRIVEN ION ACCELERATIONMECHANISM
宮武 立彦#, A,B), 小島 完興 B), 榊 泰直 A,B), ヂン タンフン B), 畑 昌育 B), 錦野 将元 B) , 西内 満美子 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)#,A,B)
Tatsuhiko Miyatake, Sadaoki Kojima B), Hironao Sakaki A,B), Thanh-Hung Dinh B), Masayasu Hata B), MasaharuNishikino B), Mamiko Nishiuchi B), Yukinobu Watanabe A), Yoshiyuki Iwata C), Toshiyuki Shirai C), Masaki Kando B),
Kiminori Kondo B)
A)
Kyushu UniversityB)
Kansai Institute for Photon Science (KPSI), National Institutes for Quantum Science and TechnologyC)
National Institute of Radiological Sciences (NIRS), National Institutes for Quantum Science and Technology

Abstract

The ion beam generated in a laser-driven ion acceleration mechanism has ultra-low emittance and short pulse
characteristics. This high beam quality is due to the characteristics of the acceleration mechanism. However, thecorrelation between the laser irradiation conditions and the beam quality of laser-accelerated ion beams is not wellunderstood. A highly accurate emittance measurement method is required to control the beam quality for thecharacterization experiment. In this study, we optimize the emittance measurement method using the slit method todiagnose the ultra-low emittance characteristics of laser-accelerated ion beams with high accuracy. The measurement
system was optimized using the Monte Carlo code PHITS, and these conditions were analyzed to obtain measurement
accuracy for extremely low emittance of laser-accelerated ion beams.

1.

はじめにレーザープラズマによるイオン加速機構として最もよく知られている TNSA（Target Normal Sheath Acceleration）
機構[1,2]では、超高強度レーザーを薄膜ターゲットに集光し、電子を相対論レベルまで加速させることで、ターゲット裏面に〜TV/m の電荷分離場勾配を発生させる。
この電界によって、ターゲット裏面のイオンは、数 µm という非常に短い距離で数 MeV の運動エネルギーにまで加速される。TNSA 機構で生成されるイオンビームは、既存の加速器によって生成されるイオンビームと比較して、エミッタンス、バンチ幅などの特性が極めて優れていると言われている。10 MeV の陽子ビーム加速において、横方向のエミッタンスが 0.004 mm-mrad という計測結果も得られており、これは既存の RF 加速器よりも 2 桁ほど優れた値である[3]。これらの特徴から、本加速機構は粒子加速器の小型化だけでなく、これまでの加速器では達成できないような超高品質なビーム供給を行うことで、FLASH治療、PIXE を含む物性実験などへの応用も期待される[4,5]。 上記のようなレーザー加速器の開発では、高品質なビーム生成が重要な研究要素の一つであるが、高品質なイオンビームを生成するためのレーザー照射条件の最適化は、十分に行われていない。
そこで、本研究では、一般的な横方向エミッタンス診断のために、スリットで取り出したビームレットの空間プロファイルから横方向の運動量広がりを求める、スリット法によってレーザー加速イオンビームのビーム特性診断を行った。レーザーで加速されたイオンは、イオンビームがマイクロメートルスケールの小さな線源で生成されるため、空間的なビームレットプロファイルが小さい。これまでの研究では、この空間プロファイルのわずかな変化を診断するために、マイクロメートルの空間分解能を持つ、ラジオクロミックフィルム(RCF)を用いた二次元線量計の計測システムを開発した[6]。この計測システムと最適化されたスリット計測法によって、レーザー加速イオンの高精度な計測手法の開発を行う。

2.

スリット法によるエミッタンス計測体系

レーザー加速イオンビームは、数 µm から数 10 µm の小さな発生源からイオンビームが発生し、かつ発散角を持って発生するために、位相空間分布は Fig. 1(a)のような発散型の分布を示す。このような位相空間分布を持つビームを計測する際、Fig. 1(a)の x’int 及び xmax の RMS 値を計測することにより、Eq. 1 で rms エミッタンスを見積もることが可能である。そのため、位相空間の x’int の RMS値をいかに精度よく計測することができるかが、エミッタンス値の計測精度を決定する。本研究では、加速器ビームのエミッタンス診断に一般的に用いられる、スリット法を採用し、計測体系の最適化を行うことで、エミッタンス計測精度を得られる方法に関して検討した。
Figure 1(b, c)に、レーザー加速イオンのエミッタンス・粒子数特性計測体系の概要を示す。Figure 1(b)のスリット計測では、位相空間の x’int を計測する。Figure 1(c)のプロファイル計測では、位相空間の xmax の RMS 値、及びプロファイルから得られるエネルギー毎の粒子数を計測する。

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𝜀𝜀𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 ≅ 𝑥𝑥 ′ 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑥𝑥𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚# miyatake.tatsuhiko@qst.go.jp- 449 -(1)Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 2: Relationship between the slit width and theemittance value obtained when diagnosing a beam with
𝜀𝜀𝑛𝑛,𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 ~0.01 π-mm-mrad by the slit method.

Figure 1: (a) Overview of the phase-space distribution
characteristics of laser-accelerated ion beams. (b) Slitmeasurement system. (c) Profile measurement system.

伴い、計測精度の向上がみられる。0.01 π-mm-mrad 程度の極めて小さなエミッタンスの運動量広がりを計測する際、10 µm 未満のスリット幅を選択することで誤差 5 %以内の精度を得られることが観測された。先行研究でレーザー加速プロトンの計測にペッパーポットを使用した実験[7]では、φ=150 µm が使用されていたが、本シミュレーションで 150 µm 幅のスリットを使用したところ、513%もエミッタンスを過大評価しており、低エミッタンスビームの診断にスリット幅の最適化が重要であることがわかる。

また、レーザー加速イオンは、連続的なエネルギー分布を有するため、検出器はエネルギー分解が可能な 2次元線量計を用いる必要がある。そこで、RCF を線量計に選定した。これは、照射された線量に応じて、有感層が着色されるフィルム型の線量計である。1~2 MeV 程度のプロトンビームの診断を想定するため、厚い保護層がなく、直接有感層に照射可能な Gafchromic HD-V2 を選定した。HD-V2 は 12 µm 厚の薄い有感層を有しており、HD-V2 手前のエネルギー選択フィルタの厚みを調整することによって、ブラッグピーク特性から、観測するエネルギーを制限することが可能である。フィルタごとに計測されるエネルギーは、モンテカルロコード PHITS によって計算し、エネルギー毎のビーム特性計測を可能にする。

4.

3.

参考文献

計測体系の最適化

計測体系の最適化には、任意の位相空間分布を入力し、輸送計算が可能なモンテカルロコード PHITS を用いた。最適化の条件は、1 MeV のプロトンビームにおいて、規格化 RMS エミッタンスが 0.01 π-mm-mrad 程度の時の幾何学的な計測誤差を 5 %以下に抑えることとし、解析を行った。スリット計測において、計測体系で最も精度に影響を与える条件は、スリット幅であることが分かった。このスリット幅を最適化することによって、位相空間分布における x’int の値を正しく評価することが可能になる。シミュレーションでは、ビームの発生点からスリットまでの位置を 10 mm とし、スリット幅は 5~300 µm の幅をそれぞれ与え、体系を構築した。イオンビームは、1 MeV のプロト
ン ビ ー ム を 、規 格 化 rms エ ミ ッ タ ンス 0.0115 π-mmmrad(rms 発散角=±25 mrad)で入力した。このシミュレー
ション結果から x’int を計算し、それぞれのスリット幅で得られるエミッタンスの値を評価した。
その結果、Fig. 2 に示されるように、スリット幅の縮小にまとめ

レーザー駆動イオン加速における、極めて小さなエミッタンス特性を高精度に診断するための手法として、スリット法を検討し、その計測体系の最適化を行った。ス
リット幅の最適化によって、0.01 π-mm-mrad 程度の規格化 rms エミッタンスを有するプロトンビームの計測精度は、誤差 5 %以下に抑えることが可能になる。

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。

[1] E. L. Clark et al., “ Measurements of energetic protontransport through magnetized plasma from intense laserinteractions with solids”, Phys. Rev. Lett. 85, 1654, (2000).
[2] R. A. Snavely et al., “Intense high-energy proton beams
from Petawatt-Laser irradiation of solids”, Phys. Rev. Lett.
85, 2945 (2000).
[3] T. E. Cowan et al., “Ultralow emittance, multi-MeV proton
beams from a laser virtual-cathode plasma accelerator”, Phys.
Rev. Lett. 92, 204801, (2004).
[4] F. Kroll et al., “Tumour irradiation in mice with a laseraccelerated proton beam”, Nat. Phys. 18(3), 316–322 (2022).
[5] M. Barberio and P. Antici, “Laser-PIXE using laseraccelerated proton beams”, Sci. Rep. 9(1), 6855 (2019).
[6] T. Miyatake et al., “Evaluation of the spatial resolution ofGafchromic™ HD-V2 radiochromic film characterized by
the modulation transfer function”, AIP Advances 13, 085303(2023).
[7] M. J. Wu et al., “Emittance measurement along transportbeam line for laser driven protons”, Phys. Rev. Accel. Beams
23, 031302 (2020)- 450 -