阪大ら,グラフェンでレーザーイオン加速を実現

大阪大学,量子科学技術研究開発機構(QST),神戸大学,台湾国立中央大学は,両面が自由表面の大面積グラフェン(large-area suspended graphene:LSG) を世界最薄のターゲットとして用い,高エネルギーイオン加速を初めて実現した(ニュースリリース)。

従来型の加速器は,高エネルギーまで荷電粒子を加速しようとすると,加速距離を大きくする必要があった。そこで,プラズマを用いる事で加速電場の上限を取り払い,従来型の加速器よりも何桁も高い電場でコンパクトな加速器を目指した研究が行なわれている。

高強度レーザーの実現による薄膜を用いたレーザーイオン加速は広く使われており,ターゲットが薄いほどイオンが高エネルギーになることが知られている。しかし,薄いターゲットほど脆くなるため,高強度レーザーに付随するプレパルスと呼ばれるピーク強度の前にターゲットに到達するノイズ成分によってターゲットが破壊されるという課題があった。

このため,プラズマミラーを用いてプレパルスを除去する必要があるが,プラズマミラーはショット毎に取り替えるため,高コストで技術的にも複雑になる。

そこで研究グループは,グラフェンを穴あき基盤にマウントし,両面が自由表面のLSGを独自開発した。グラフェンはほぼ透明な光学特性を持っており,レーザーのプレパルスの熱によるターゲットの溶解を防ぐことができる。

また,最も薄く,最も丈夫な物質であり,これまでのどのターゲットよりもプレパルスに対する耐性があると考えられるという。さらに,グラフェンを複数枚重ねることで,ナノメートルの精度で厚みを制御できる。安価で大量生産が可能なことも,応用面で非常に重要となる。

研究では,この多層LSGをプラズマミラー無しの条件下で,国内最高強度を誇るJ-KARENレーザーで照射し,高エネルギーのイオン加速を実現した。イオン計測では,トムソンパラボラと固体飛跡検出器という2つの独立な手法を用いて,計測の信頼性を高めた。

特に,プラズマミラー無しの条件で,2nm厚の2層LSGを用いた高エネルギーイオンの生成は,これまでで最も薄いターゲットでありLSGの驚異的なプレパルス耐性を示した。さらに,研究では非相対論的な強度から相対論的な超高強度まで,またプレパルスの小さい場合から大きい場合まで,様々な条件下で安定して高エネルギーイオンを生成しており,LSGの頑丈さを強く裏付けている。

研究グループはこの成果により,粒子線がん治療や核融合,さらに核物理研究などに用いられるコンパクトで効率の良いイオン加速器への応用が期待されるとしている。

その他関連ニュース

  • 広島大,クロム酸化物とグラフェンの接合界面観測 2022年07月01日
  • 阪大ら,レーザーで宇宙のエネルギー変換を再現 2022年07月01日
  • 東大ら,2次元物質の電子構造の直接観測に成功 2022年06月30日
  • 北大,量子光学で水のイオン伝導度を一桁以上向上 2022年06月27日
  • 名大ら,炭素でできたメビウスの輪を合成 2022年05月20日
  • 公大ら,レーザー加工を用いた風雨センサーを開発 2022年05月13日
  • KEKら,レーザーで隕石衝突を再現しXFELで観測 2022年05月10日
  • 熊本大,一分子レベルのボトムアップで構造を制御 2022年04月26日