レーザーとクラスターの相互作用を用いたテーブルトップパルス中性子源に関する研究

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本年度は、特に中性子発生と密接な関係のある、レーザークラスター相互作用による高速プロトン発生について研究を進めた。プロトンを含む被加速イオンのエネルギーは阪大の西原らのモデル(クーロン爆発モデル)から、クラスター径の2乗に比例し、ピーク出力100TW級のレーザーシステムと組み合わせることでMeV級の高速イオンが発生可能であることが示されている。当然、このMeV級の重水素イオンを発生させる事ができれば、現状のイオン温度(〜8keV)から2桁程度核融合反応レートを向上させることができ、その結果中性子の高輝度や、さらに核変換等の旧来のテーブルトップレーザーを用いた放射線発生からさらに踏み込んだ研究が期待できると考えられる。しかし、特に水素において巨大クラスターの生成は、技術的に難しい問題がある。これは、クラスター形成に気体の断熱膨張を用いる為で、沸点・凝固点が非常に低い水素では液体窒素等でガスを予備冷却した場合でも高々10nmのクラスターしか生成できない技術的な問題を有している。本年度の研究は、水素化合物を用いることでこの沸点・凝固点が低い問題をクリアし、100ナノメートル級の巨大クラスターを生成させ、高輝度中性子源の開発に向けた高速プロトン発生についてその実証と物理機構の解明に向けて研究を進めた。その結果、100TWレーザー照射実験を通じ、最大100keVを越える高速プロトンを検出し、水素化合物を用いる有用性を明らかにするとともに、さらに平均プラズマ密度を高めることでさらに高いエネルギーが期待できる事を明らかにした。