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高強度のレーザー光による世界最大の電場発生を実証

 
重イオン加速器の飛躍的な小型化に期待

公開日:2020.07.16

 

研究成果 理学 工学

 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(理事長 平野俊夫。以下「量研」)量子ビーム科学部門関西光科学研究所(以下「関西研」)の西内満美子上席研究員(JSTさきがけ研究者を兼任)、ドーバー・ニコラス博士研究員、榊泰直上席研究員(九州大学大学院総合理工学研究院連携講座教授を兼任)、国立大学法人大阪大学(総長 西尾章治郎)レーザー科学研究所の畑昌育特任研究員、岩田夏弥特任講師(常勤)、千徳靖彦教授、国立大学法人九州大学(総長 久保千春)大学院総合理工学研究院の渡辺幸信教授らの研究グループは、量研関西研の超高強度レーザー装置「J-KAREN(ジェイ カレン)」を用い銀標的に照射することで、既存技術のイオン加速器の1千万倍に相当する1mあたり83兆Vの電場が発生することを実証し、銀イオンを瞬間的に光速の20%(一秒間に地球を一周半できる速さ)に加速することに成功しました。
 ピークパワーがペタワットに及ぶ超高強度のレーザー光を物質にあてることで、多価イオンを生成するのと同時に高エネルギーの加速を起こすレーザーイオン加速は、加速器の飛躍的な小型化につながる効率的な加速手法として注目されています。今回我々の研究チームは、J-KARENレーザーの世界最高品質の集光性能を上手く利用して、実験条件を最適化することにより、高強度のレーザー光による強烈な電場発生(世界最高値、雷雲の10億倍)、45価の銀イオン生成、及びこれまでで最大となる光速の20%までの加速を実証しました。さらに実験結果を詳細に解析した結果、高強度のレーザー光によるイオン生成や電場発生には、レーザーパルスの形状(パルスの立ち上がり方)が重要な役割を果たしていることを解明しました。この結果は、重元素の場合だけでなく低元素を対象としたレーザー加速に対しても有効であり、陽子線や低元素イオンの高エネルギー加速に向けた指標となることが分かりました。
 量研では、今回得られた知見を活用して量子メス(次世代小型高性能重粒子線がん治療装置)の早期実現を目指します。また、今後高強度レーザー装置が発展していくと、より重い元素を高エネルギーに加速することが出来るようになり、宇宙の謎に迫るような宇宙物理の研究や短寿命核種の生成などの原子核物理の実験研究が実験室レベルの施設で可能になると期待されます。

 本研究の一部は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業さきがけ「極相対論的光電磁場における重元素低主量子数電子の電離機構の解明」(研究者:西内 満美子)、および未来社会創造事業「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」の支援のもと行われました。

論文情報

Dynamics of laser-driven heavy-ion acceleration clarified by ion charge states ,Physical Review Research,
https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033081

研究に関するお問い合わせ先

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