A Long-life Cryogenic Laser Ion Source for Next Generation Heavy Ion Therapy Accelerators

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2022年度は、前年度に開発した原理実証用のクライオ標的レーザーイオン源試験装置を用いて、CO2ガスを昇華させて形成した固体標的へのレーザー照射実験を重点的に実施した。昇華層の厚さや形成速度をパラメータにして、レーザー照射により生成されたプラズマの特性、特に含まれる炭素イオンの生成量や価数分布の変化、クライドヘッド基板への影響等について詳細に調べた。CO2昇華層の厚さが増すと、昇華層のレーザーアブレーションに伴い発生する衝撃波によって破砕される氷結層の面積が増大すること、特に厚さが100μm程度を超えると、重力の作用も相まって、クライオヘッド表面の広範囲にわたって昇華層の欠損が生じることが分かった。昇華層が500μmよりも厚くなると、昇華層の表面のみがアブレーションされ、氷結層の破砕が生じない場合があることも明らかになった。また、昇華層の形成速度を早めると、同じ厚さの昇華層でもレーザー照射による破砕のされ方に違いが出ることも分かった。CO2ガスの供給流量を大きくして、短時間で形成した昇華層は比較的衝撃に対して脆い傾向が見られた。一方、レーザー照射による基板の損傷（クレーター）については、昇華層の厚さを増すと徐々に大きくなるが、50μm程度を超えると逆に軽減できることが分かった。この結果はレーザーピーニング効果が基板損傷において重要な役割を果たしていることを示唆している。現状は、熱伝導性の観点から、銅基板を使用しているが、より硬度の高いタンタルやタングステン等を基板として用いることで、ピーニング効果による基板損傷を低減できる見込みが得られた。