Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

Experiments on Laser-Plasma Acceleration at Nuclear Professional School,
the University of Tokyo
A. Yamazaki1,A), A. MaekawaA), K. KoyamaA), M. UesakaA), T. HosokaiB), A. ZhidkovC)
A)
Nuclear Professional School, the University of Tokyo
2-22 Shirakata - Shirane, Tokai, Naka, Ibaraki 319-1188, Japan
B)
Research Laboratory for Nuclear Reactors, Tokyo Institute of Technology
2-12-1 O-okayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8550, JapanC)
Central Research Institute of Electric Power Industry
2-11-1, Iwado-kita, Komae, Tokyo 201-8511, Japan
Abstract
We are developing a laser plasma cathode, which is expected to enable us to realize a compact high-quality electronaccelerator. A quasi-monoenergetic electron spectrum can be generated through ultraintense laser-plasma interaction. We
investigated the correlation between the laser-plasma interaction and the generated electron properties via single shotmeasurement. We found that a preformed laser channel plays an important role to achieve the monoenergetic spectrum.
In order to control the laser plasma interaction for the laser plasma cathode, it is importance to control the laser prepulse
and preplasmas. We developed an experimental setup to control preplasma effects by an artificial prepulse. We alsostudied the effect of external magnetic field on plasma behavior in a gas target.

東京大学原子力専攻におけるレーザープラズマ加速実験
１．はじめにレーザープラズマ加速では超短パルスレーザーの超高強度場とプラズマとの相互作用によって非常に大きな加速勾配が達成される。その利用範囲は高エネルギー加速器から医療用小型加速器、プラズマ物理、実験室天文学と幅広い。レーザープラズマ加速のうち、背景プラズマの一部を加速位相に捕獲する事で取り出す方式をレーザープラズマカソードと呼ぶ。レーザープラズマカソードから発生する電子ビームのバンチ長は、レーザーの超短パルスとプラズマ波の高周波により数十フェムト秒の短パルスになる事がシミュレーションなどから予想されている。
我々の研究室ではこれまで12TW・50fsレーザーを用いたレーザープラズマ相互作用の研究とレーザープラズマカソードからの電子発生およびプリパルス依存性などを報告してきた[1-4]。プリパルスの照射によって発生し過熱されたプリプラズマの急激な膨張によって衝撃波が駆動され、急峻な密度勾配が生成される。そのようなプラズマ密度分布にメインパルスが入射すると、メインパルスによって誘起されたレーザー航跡場はその密度勾配で破砕を起こす。それによって一部の電子がその先の航跡場における加速位相に入射され加速を受ける。我々はそのような、プリパルスを含めたレーザー・プラズマ相互作用と電子加速との関連を調べている。また、レーザープラズマカソードからのフェムト秒電子バンチを計測するため、コヒーレント遷移放射を用いたバンチ長の評価を行っている。さらに、安定な電1子発生を目指し、プレプラズマ制御のための人工プレパルス実験体系の構築、ガス標的中での外部磁場効果の調査を行った。

２．単色電子発生
本実験で使用するレーザーのパラメーターは、波長790 nm、パルス幅37 fs、最大ピークパワー17 TWである。レーザーパルスはメインパルスの前にプリパルスを持つ。再生増幅器からの自然増幅光によるナノ秒時間幅を持つプレパルスのメインパルスに対する比（コントラスト）は5 × 10-7程度である。再生増幅器の切り出しもれによる、3.7 ns前に存在するプリパルスのコントラストは1 × 10-4程度である。このプリパルスの制御が生成されるプリプラズマ条件に大きな影響を与える。レーザーの偏光は、光路内のレベルシフトによって水平偏光と鉛直偏光を切り換える事ができる。電子発生・プラズマ計測用実験
体系図を図１に示す。レーザーパルスの一部（約0.5%）はビームスプリッターで切り出されてプラズマ診断用のプローブパルスとして使用される。レーザーのメインパルスは軸外し放物面鏡（f=178mm ）によってガスジェット上に集光される。ガスジェッ
トは口径1.2mm 4mm 、マッハ数5の無衝撃波超音速スリットノズルと高速ガスバルブから構成される。
プローブパルスはメインパルスと垂直な方向からガスジェット上を通過する。プローブパルスとメインパルスの時間差はプローブパルス行路上に設けられた時間遅延行路によって変える事が可能である。そE-mail: yamazaki@nuclear.jp-794-Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

(a)

Laser
Gasjet 1.1mm

(b)

Laser
Gasjet 1.1mm

図３ ：レ ーザ ープ ラズ マの シャ ドウ グラ フと トム ソ ン 散 乱 。 (a)100%エ ネ ル ギ ー 広 が り の 場 合 。
(b)準 単 色 エ ネ ル ギ ー 分 布 が 発 生 す る 場 合

図１：レーザープラズマカソード実験体系の後プローブパルスは結像用のレンズを通ってCCD
カメラ上に導かれる。発生した電子ビームはレーザーメインパルス下流に設置された蛍光スクリーン（DRZ）に照射される。電子分布に対応したスクリーンからの発光は画像増幅器付きCCDカメラによって観測される。電子エネルギースペクトルを取得する際は、ガスジェットと蛍光スクリーンの間に偏向磁石を設置する。これらの計測は一発ごとに同時計測される。ガスジェット後に偏向磁石を設置する事で電子エネルギースペクトルを取得する事ができる。図２は実験で取得されたレーザープラズマカ
ソードから発生した電子のエネルギースペクトルである。実験条件は、ガス密度4 × 1019 cm-3、レーザーパワー11 TW、集光強度2 × 1019 W/cm2である。図２(a)にあるように、この条件では主にエネルギー分散100%の結果が得られるが、図２(b)のような準単色エネルギー分布が発生する場合もしばしば存在した。
その場合のエネルギーピーク位置は約11.5 MeVであった。エネルギー分布はショットごとにばらつくが、得られた最小のエネルギー広がりではΔE/Eは10%(FWHM)であった。
このような単色電子発生の起源を調べるために、プラズマのシャドウグラフと同時にレーザーのトム
ソン散乱光を測定した。この時のレーザーメインパルスの偏光方向はプローブパルスの進行方向に垂直である。従って、メインパルスがプラズマによってトムソン散乱された光はプローブパルスと同方向に発せられる。図３はシャドウグラフと重ね合わされたトムソン散乱の発光分布を示している。プローブの到達時間はメインパルス通過後5.2 ps である。ガス密度、レーザーパワー、プリパルス条件は先と同様である。これらの像は対応するエネルギースペクトルと共に1ショットごとに同時計測される。図３(a)および(b)は、 図２におけるエ ネルギー広が り100%のケース(a)および準単色エネルギー分布のケース(b)にそれぞれ対応する。準単色エネルギー分布を持つ場合には、レーザー集光点付近約300 µmの長さに渡って、レーザー進行軸方向に沿って線状の発光が見られた。その線状の発発光を拡大して見てみると、その分布は周期的に並んだ発光点から構成されている事が分かる。これは、メインパルスがプラズマ中で周期的に集束と発散を繰り返しているためであると考えられる。このようなレーザーパルスの集束・発散は、適度な分布を持ったプラズマ密度チャンネル内で発生する事が数値シミュレーションから分かっている。また、プラズマ波の破砕とプラズマ波への電子入射がそのレーザー集光点において発生する事が期待される。

３．人工プリパルス
真空容器内のガス標的上にメインパルスの約10%のエネルギーを持った人工プレパルスが集光される。
人工プレパルスの時間幅は約300ps(FWHM)である。
これによってメインパルスの到達前（0 ~ 2ns前）にプレプラズマを生成することができる。プローブ
パルスと人工プレパルスは波長分離ミラーによって分離される。
図４にシャドウグラフを用いて観測したプレプラズマの様子を示す。人工パルスの集光位置に応じて人工プレパルスによるプラズマが生成されていることが分かる。上図では上流側（左側）ガスジェット端部の円形のプラズマが人工プレパルスによるプレプラズマである。その下流の線状の分布はメインパルスが持つプレパルスによるプレプラズマである。

図 ２ ： 電 子 エ ネ ル ギ ー ス ペ ク ト ル 。 (a)100%エ ネル ギ ー 広 が り 。 (b)準 単 色 エ ネ ル ギ ー 分 布

図４：シャドウグラフによるプレプラズマの観測-795-eProceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

B ＝0 .2 0 T

EEIntensity

B ＝060 mm-30

参考文献[1] T. Hosokai, et al., Phys. Rev. E 6 7 (2003) 036407.
[2] T. Hosokai, et al., Phys. Plasmas 1 1 (2004) L57.
[3] T. Ohkubo, et al., Phys. Plasmas 1 3 (2006) 033110.
[4] K. Kinoshita, et al., Jpn. J. Apl. Phys. 4 5 (2006) 2757.
[5] T. Hosokai, et al., Phys. Rev. Lett. 9 7, 075004 (2006)

3.6 mm(FWHM)
030 [mm]

図５：電子発生分布の磁場効果

人工パルスの集光位置を変えることでプレプラズマの生成位置を変えることができる。

４．外部磁場効果
また、プリプラズマの拡散を外部磁場印加によって制御する実験を行った。ガス標的にメインレーザー進行方向軸に沿った外部磁場を印加する。発生した電子の分布を下流に設置された蛍光スクリーンで観測する。磁場をオンオフすることで磁場の影響を調べる。図５はスクリーン上での電子発生分布である。磁場(B=0)においては発散が約60mmと広がっている。磁場(B=0.2T)においてはスクリーン上での電子分布は3.6mmと指向性が劇的に向上する。また、この際の電子発生はショットごとのばらつきが抑制され、安定化される[5]。また、現在はより強い外部磁場印加によりチャネル状のプリプラズマを形成する事を目指し、1Tの磁場発生が可能な磁気回路の設計、製作を行っている。

５．まとめ
電子エネルギー計測とトムソン散乱の同時計測により、単色電子発生とレーザーチャンネルの相関を見出した。周期的な発光分布はチャンネル内におけるレーザーの集束・発散を示唆している。ヘリウム
ガス密度4 × 1019 cm-3、レーザー集光強度2 × 1019
W/cm2 に お い て エ ネ ル ギ ー ピ ー ク 11.5
MeV(ΔE/E10%(FWHM))を得た。
レーザープラズマ相互作用のためのプレプラズマ条件を制御するために、人工プレパルスを付与する実験体系の構築と外部磁場印加の影響の調査を行った。また、外部磁場印加によって、電子ビームの電荷量の向上、エネルギーの向上、指向性の向上などが確認された。特に指向性、安定性については飛躍的に向上した。今後は、製作中の磁気回路を用いた外部磁場印加実験により準単色電子発生を目指す。
また平行して、放電型キャピラリーを用いた２段階加速による準単色電子発生も試みる。

-796-