レーザープラズマの集束・捕獲による大強度重イオンビーム生成技術の開発

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レーザーイオン源は高融点金属を含む多様な元素のイオンビームを生成できるが、広い角度分布を持つ拡散プラズマのごく一部からビームを生成するため、プラズマの大部分がイオン源内で損失する。本研究ではこの問題を解決するため、プラズマ発生部からビーム加速部までの空間において磁場によりプラズマを集束・捕獲し輸送する技術を開発する。令和3年度はレーザーイオン源で生成するプラズマの特性を明らかにするため、生成イオンの密度・速度分布の測定を行うとともに、プラズマの角度分布を測定する装置の設計・製作を行った。１）プラズマ特性の測定：Nd:YAGレーザー（波長1064nm、パルス幅5～7ns、パルスエネルギー30mJ）をターゲット（炭素、銅、タンタル）に集光照射してプラズマを発生させ、プラズマ中のイオン電流をファラデーカップで、価数分布を静電アナライザーで測定することによって、ターゲット垂直方向に発生するイオンの価数ごとの密度及び速度分布を求めた。また、パワー密度を変えた測定から、1価イオンが～10^8W/cm^2で生成効率が最大となることがわかった。２）角度分布測定装置の設計・製作：レーザープラズマの3次元角度分布を測定するため、22.5度間隔で水平方向に円弧上に配置した25個のマルチファラデーカップユニットを鉛直方向で回転させる装置を設計し、マルチファラデーカップユニットを製作した。ファラデーカップは、既存のチェンバー内に多数並べることを可能とするため、粒子軌道計算により小型かつ検出漏れのない形状に設計した。