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

PASJ2023 WEP51

1 TW レーザー駆動自己変調航跡場加速による MeV 級電子源の開発
DEVELOPMENT OF MeV ELECTRON SOURCE BY 1 TW LASER DRIVEN SELFMODULATED LASER WAKE FIELD ACCELERATION
大塚崇光#, 西田大紀, ペレラドゥティカ, 片谷光祐, 鈴木優太, 湯上登
Takamitsu Otsuka#, Daiki Nishida, Perera Duthika, Kouki Kataya, Yuta Suzuki, Noboru Yugami
Graduate School of Regional Development and Creativity, Utsunomiya UniversityAbstract

We are investigating self-modulated laser wake field acceleration with the aim of developing a small MeV-classelectron source. Using a two-dimensional particle simulation code, we calculated a laser pulse propagating in a plasma
with an electron density of 1020 cm-3. We confirmed that a large electric field reaching several hundred GV/m is excitedby the self-modulating laser wake field. Since the accelerated electrons slip out of the acceleration phase after at 60 mm,
a thin gas target is required. The maximum energy of accelerated electrons is about 15 MeV, which is a thermal spectrumwith a large energy spread.
レーザー航跡場加速研究黎明期には、これらの条件を満たすレーザーシステムは開発過程にあり、プ高強度フェムト秒レーザーパルスがガス中を伝搬 ラズマ長に比べレーザーパルス長が長い条件下で実するとプラズマが生成され、電子の粗密波であるプ 験が行われた。この場合、レーザーパルスの包絡線ラズマ波によってレーザー進行方向及び垂直方向に がプラズマ波との相互作用によって、プラズマ長程電場が励起される。この電場を航跡場と呼び、この 度に変調を受けることによってレーザー航跡場の励電場を荷電粒子の加速に利用する加速手法をレー 起、成長が達成される。
近年、この自己変調レーザー航跡場と呼ばれる手ザー航跡場加速 (Laser wakefield Acceleration: LWFA)法を用いた研究がいくつか報告されている[2，3]。と呼び、その物理機構は 1979 年に T. Tajima 及びこの手法では高密度プラズマを用いるため、高い加J. M. Dawson によって報告された[1]。
Figure 1 はレーザー航跡場加速実験の概念図であ 速電場を励起できる一方で、脱位相長が短く、航跡る。一般にレーザー航跡場加速研究はプラズマと 場、電子入射の発生過程が複雑であり、その結果とレーザーパルスが共鳴するよう、プラズマ長とレー してビームが不安定になることが問題である。
本研究では、1 TW 級のレーザーによって駆動さザーパルス長が同程度になる条件で行われる。プラ
れる自己変調レーザー航跡場を調査し、安定な電子ズマ長は、プラズマの電子密度に依存し、50 fs 以下のレーザーパルスが用いられる実験が主流である。 源を開発することを目標としている。

1.

はじめにまた、1018 W/cm2 を超えるレーザー集光強度が必要となり、小規模実験室でこれらの条件を満たすレーザーシステムを運用することは容易ではない。

Figure 1: Schematic
acceleration.
___________________________________________

diagram# takamitsu@a.utsunomiya-u.ac.jp

of

laser

2.

2 次元粒子コードによるシミュレーション

二 次 元 粒 子 コ ー ド シ ミ ュ レ ー シ ョ ン (twodimensional particle-in-cell: 2D-PIC) [4] を用いて自己変調レーザー航跡場加速のシミュレーションを行った。Figure 2 は設定したシミュレーション空間の概念図である。計算空間内に初期電離した電子密度
1020 cm-3 、幅 130 ~ 300 mm の水素プラズマを設定した。設定した空間に波長 800 nm、レーザーエネ

wakefield
Figure 2: Schematic diagram of two-dimensional particlein-cell simulation.

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(a)

(b)
Figure 4: Electron energy spectra after propagatingdifferent plasma width.

Figure 3: Laser field (white line) and electron density
distribution in the plasma. (a) Initial condition, (b) in theplasma.
ルギー 120 mJ、レーザーパルス幅 120 fs (半値全幅)のレーザーパルスを入射させ、レーザープラズマ相互作用の計算を行なった。集光径は 10 mm であり集 光 強 度は約 1018 W/cm2 で あ る 。計 算 は 固定フレームではなく、レーザーの伝搬と共に計算フレームが移動する Moving frame を採用した。
Figure 3(a) の白の実線は、真空から一様なプラズマ中に入射するレーザー電場 (伝搬軸上の電場) であり、伝搬過程で Figure 3(b) の白の実線ように変調され、電子の粗密波が励起されていることがわかる。Figure 3(b) の 108 mm 付近で波が破砕し、航跡場に電子が入射している。

3.

プラズマの厚みと電子のスペクトル

Figure 4 はプラズマの厚みと発生する電子ビームスペクトルの関係である。135 及び 150 mm とそれ以上のプラズマの厚みでは、スペクトル構造が大きく異なる。
プラズマ密度 1020 cm-3 における脱位相長 (加速位相から電子がスリップする距離) は 60 mm 程度
で あ り 、 x = 100 mm 付 近 で 入 射 し た 電 子 は x =160 mm 付 近 で 脱 位 相 す る 。 従 っ て 、 135 及 び
150 mm の計算結果は、電子が脱位相するまでに加速が終了する最適な条件であるといえる。

4.

今後の展望

2D-PIC を用いて電子密度 1020 cm-3 のプラズマ中で生じる自己変調レーザー航跡場加速について計算した。熱的なスペクトルではあるが、電子が加速されることが確認され、脱位相が生じる 60 mm 程度で加速を終える必要があることが明らかとなった。

Figure 5: Experimental setup.
Figure 5 は実験装置である。今後は直径 150 mmの細管から噴出するガス流れの実験及び数値解析による評価と、このガス流れを標的としたレーザー航跡場加速実験を行う予定である。

謝辞
本 研 究 は 科 学 研 究 費 助 成 事 業 JP19K20597 、JP22K03565、JP22H01197、JP23K11701 の支援のもと行われました。深く感謝します。

参考文献[1] T. Tajima et al., “Laser Electron Accelerator”, Phys. Rev.
Lett. 61, 98 (1988).
[2] A. J. Goers et al., “Multi-MeV Electron Acceleration bySubterawatt Laser Pulses”, Phys. Rev. Lett. 115, 194802(2015).
[3] F. Salehi et al., “MeV electron acceleration at 1 kHz with<10 mJ laser pulses”, Opt. Lett. 42, 215 (2017).
[4] Y. Sentoku et al., “Numerical methods for particle
simulations at extreme densities and temperatures: Weightedparticles, relativistic collisions and reduced currents”, J.
Comput. Phys. 227, 6846 (2008).

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