光在金属中前进！ 相对论效应开拓的激光离子加速的新世界—

刊登日期: 2023年3月16日更新

发表要点

• 成功地进行了使激光进入光无法进入的物质中并穿过的“相对论性透射现象”的实验。 用超高强度激光实现爱因斯坦提出的相对论现象。 通过基于“相对论性透射现象”的激光驱动产生的离子束的加速效率是以往的2倍，飞跃性地提高到了世界最高效率。 根据本成果，与以往型加速器相比，期待实现更紧凑且高效率的激光驱动型加速器。

概要

　国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构(理事长平野俊夫，以下称为“量研”。 )量子束科学部门关西光科学研究所(以下称为“关西研”。 )的西内满美子高级研究员、英国帝国学院伦敦的Nicholas Peter Dover研究员、德国德累斯顿亥姆霍兹研究所的Tim Ziegler博士研究员、Karl Zeil小组组长、Ulrich Schramm部长、 九州大学研究生院综合合理工学研究院客座教授榊泰直(量研高级研究员)等国际共同研究小组，成功实现了J-KAREN及Draco系统的高强度激光的相对论性透射现象，以比以往高2倍的效率产生了高能量离子。 一般来说，激光不可能透过金属等不透明物质。 但是，理论上可以预测，如果将超高强度激光照射到不透明物质上，激光将不会被表面吸收，而是会发生侵入、透过不透明物质中的“相对论性透过现象”。 我们用优化了时间波形的超高强度激光脉冲照射膜状物质，成功地引起了“相对论性透射现象”。 并且，随着该现象的发生，照射区域的所有膜状物质发生电离极化，观测到通过该极化，膜状物质内产生的离子块在1微米以下的短跨度内加速到光速的40%。 与以往方法中仅膜状物质表面的离子被加速相比，在这次的实验中，从膜状物质表面到背面的所有区域的离子被加速，结果得到了世界最高的加速效率(以往的2倍以上)。 本研究成果除了有望应用于未来重粒子线癌症治疗的小型高效激光驱动重离子加速器的实现之外，通过推进离子加速能量的高能量化，有望与宇宙诞生初期物质合成的过程等元素的起源·阐明联系起来。 本国际共同研究是在量研的国际研究倡议创始研究以及日本学术振兴会研究费补助金22H00121、21KK0049的支持下实施的。 本研究成果刊登在Springer公司发行的Nature姐妹杂志《Light: Science & Applications》上，时间为2023年3月13日(周一) (日本时间)。

补充资料

研究开发背景

　获得2018年诺贝尔物理学奖的杰拉尔·穆尔博士和唐纳斯特里克兰博士发明了一种产生超高强度和超短脉冲激光(以下称为“超高强度激光”)的方法——啁啾脉冲放大( CPA )法1 )。 通过使用超高强度激光，可以制造出在地面上被认为不可能实现的超高温、超高压状态的等离子体2 )。 该等离子体兼具加速高能量离子等带电粒子的特性，关西研究所的原所长田岛俊树博士等也提出了将其作为带电粒子新加速方法的应用。 这个新加速方法被称为激光驱动离子加速，以等离子体为介质，所以不会引起绝缘破坏，与现有的使用高频的线性加速器3 )相比，可以用1千万分之一左右的较短长度，将粒子加速到相同的能量。 也就是说，从原理上讲，与现有的加速器相比，每单位长度可以生成高1千万倍以上的加速电场4 )。 因此，通过使用该方法，可以开发出在维护管理上需要高成本、与需要大占地面积的以往的大型加速器具有同等程度规格的紧凑型新一代加速器。 以开发可期待该医学应用和对尖端科学做出巨大贡献的紧凑型新一代加速器为目标，在全世界范围内正在进行该粒子加速方法的研究开发。 在以往的激光驱动离子加速中，通过用超高强度激光照射膜状物质而生成的物质表面形成的等离子体的高强度电场，来加速离子5 )。 此时，普通的高强度激光无法进入膜状物质的内部，大部分被表面反射，用于离子加速的膜状物质内部吸收的激光能量只有极少量。 结果，只有存在于膜状物质表面的一部分离子被加速，无法实现高效的离子加速。

研究成果

　通常，如果用光或激光照射磨光的金属等，表面会发生反射，几乎不会被内部吸收(图1 )。 这是因为金属内部被称为自由电子的电子在稍微吸收能量的同时振动，防止光进入物质内部。 通常，即使是透光的玻璃等透明物质，如果照射强光的话，物质表面也会电离，产生可以自由移动的自由电子，所以和弱光入射到金属上时一样，光几乎都会被反射。 但是，理论上预测，如果极力提高激光的强度，则由于相对论的效果，光可以侵入到通常无法反射侵入的物质的内部(相对论透过现象(图2 ) )。 因此，我们研究小组通过控制照射膜状物质的超高强度激光，充分提高照射强度，实现了相对论性透射现象。 而且与此同时，通过巧妙操纵激光脉冲的时间波形，也能够高效地加速膜状物质内部生成的离子整体。

图1 :普通光的入射和反射

图2 :相对论透射现象和高能离子产生的简图

　实验使用了超高强度激光装置——量研关西研究所的J-KAREN系统以及德国德累斯顿亥姆霍兹研究所的Draco-PW系统。 这些系统除了在由高强度激光产生的主脉冲之前产生的激光的强度极低(时间对比度6 )之外，还产生上述相对论透射现象，具有能够实现高效率离子加速的高峰值强度，可以生成最适合离子加速的时间波形的激光脉冲。 图3显示了实验的概略图。在实验中，使用在激光前进方向及膜状物质的背面垂直方向上设置的汤姆逊抛物线分光器7 )及层叠型无线电变色薄膜8 )测量了被加速的离子的能量。 此外，还同时测量了来自膜状物质的激光反射光量、透射光量。 并且，调查了产生相对论透过现象，同时产生高能量氢离子的最佳厚度。 结果如图4所示。 图4上部的图表显示了膜状物质厚度下加速氢离子的能量最高值，下部的图表显示了激光的透射光量(透射能量)。 绿色是使用J-KAREN系统的实验结果，蓝色是使用Draco-PW系统的实验结果。 虚线表示多次击打时得到的氢离子的最高能量值，填充的区域表示与平均值的标准偏差的区域。

图3 :实验示意图 激光从图(纸面)的近前向里侧照射，高能离子在膜状物质的背面(纸面的里侧)生成。

　膜状物质厚度为1，000纳米( = 1微米)时，加速后的氢离子能量较低，且反射光强度较高，透射光几乎处于观测不到的状态。 在膜厚变薄的同时加速能量变高，厚度达到250纳米时，氢离子被加速为最高的能量。 此时测量的透射光量相对于投入膜状物质的激光能量(约10焦耳)为其1 % ( 0.1j )以下。 结果表明，膜状物质厚度为250纳米时，相对论透射现象几乎吸收了侵入膜状物质内部的所有激光能量，高效地形成了高强度电场，氢离子的能量达到了最高。 确认了如果膜厚进一步变薄，反射光的量会进一步减少，另一方面，相对论性透射现象引起的透射光的量增加，产生的离子的能量会降低。

图4 :表示改变膜状物质的厚度进行实验的结果，加速的氢离子的能量(上)、与膜状物质的相互作用后透过的激光的量(下)。 使用绿色为J-KAREN系统、蓝色为Draco-PW系统进行的实验结果。 上图中的虚线表示产生的氢离子的最高值。 用各种颜色涂抹的区域表示与平均值有一定标准偏差的区域。 红色虚线表示的是数值模拟结果。

　为了详细解析通过该超高强度激光照射在膜状物质上生成的高密度等离子体的相互作用结果引起的相对论透过现象和氢离子的加速机理，通过实际实验中使用的J-KAREN系统的使用激光脉冲形状的二维流体模拟9 )以及三维粒子合胞模拟10 )进行了计算。其结果，通过使用J-KAREN系统非常高对比度的激光脉冲，膜状物质在主脉冲之前被保持为不被低强度的激光破坏的状态，在随后到达的激光强度的峰值与膜状物质内部发生相互作用的时刻，发现会引起激光侵入到物质内部的“相对论性透射现象”。 此时，研究人员还发现，由于超高度激光与膜状物质的相互作用，电离照射区域内膜状物质中所有原子的同时产生的所有电子被光压吹走，作为膜状物质残留的离子团在自己制作的库仑电场中加速到光速的40% (图5 )。 此时，研究人员还发现，由于超高度激光与膜状物质的相互作用，电离照射区域内膜状物质中所有原子的同时产生的所有电子被光压吹走，作为膜状物质残留的离子团在自己制作的库仑电场中加速到光速的40% (图5 )。

图5 :激光脉冲时间波形优化和高能离子产生

　将离子产生所需的激光投入能量与产生的氢离子的最高能量之比作为离子产生效率的指标进行评价的结果如图6所示。 在本实验中，为了使膜状物质内部的高能离子产生的相互作用最大化，调整了激光脉冲的时间波形，使相对论性透射现象最优化，其结果是，与至今为止实施的国内外高能离子产生实验相比，离子产生的效率达到了约2倍(图6 )。

图6 :将世界超高强度激光得到的实验结果除以横轴为激光功率、纵轴为使用了得到的氢离子能量的激光系统能量得到的值作为离子产生的高效离子产生指标进行了评价的图表。

结果的影响

　此次验证的使用高强度激光相对论性透射现象的激光驱动离子加速的效率大幅提高，达到了世界最高效率，是以往的2倍。 另外，使用日本和德国各自的超高度激光系统得到了相同的实验结果，也显示了使用该相对论透射现象的高效离子加速机制的再现性。 从本结果来看，基于该原理的加速机制有助于使用超高级激光的高能离子的应用研究和激光驱动离子加速器的实用化，可以说对其进展做出了巨大的贡献。 例如，除了实现有望应用于重粒子线癌治疗11 )的小型高效激光驱动重离子加速器外，将来还将通过使用超高强度激光将短寿命的离子核素加速到高能量，在衰变前引起与原子核的碰撞， 通过制作只能在天体现象下发生的地球上无法生成的新核素，可以期待实现接近宇宙诞生初期元素组成起源的小型重离子加速器。

用语解说

1 ) CPA法: 激光能量放大方法的一种。 这是将放大前的激光脉冲的时间宽度延长到1000倍左右，在充分抑制峰值强度的情况下进行放大，然后再次缩短脉冲的时间宽度恢复原状，得到超高强度和极短脉冲的激光的方法。 2 )等离子体: 物质电离，分离为离子和电子的状态。 由正负带电粒子构成，它们一边相互作用一边集体运动的状态。 在自然界中，荧光灯的内部、氙灯、极光等也能看到。 在广泛的领域被应用、研究，在工业用中，应用于使用等离子体的微细加工、等离子体显示器等。 3 )加速器: 用于提高电荷粒子能量(加速)的装置。 加速时使用电场(参照事项)。 如果将带电荷的粒子放置在电场中，库仑力会加速，能量变高。 由于将多个电极排列在直线上，将带电粒子加速到高能量，因此为了加速到更高的能量，需要增大装置，为了屏蔽二次放射的电子射线和x射线，需要加厚防护壁，由此导致加速器整体巨大化的问题。4 )电场: 是指对电荷产生力的空间的性质。 激光照射生成的等离子体中的电场越大，对离子和电子施加的力就越大，飞出的离子的能量就越大。 5 )离子: 通过释放聚集在原子核周围的电子而带有正电荷的原子称为离子。 6 )时间对比: 用与峰值强度之比表示激光脉冲的时间波形的值。 一般情况下，峰值强度为1表示光噪声的强度有多高。 时间对比度越高，激光脉冲性能越高。 另外，根据光噪声的强度和峰值强度的时间差等条件，需要通过各种测量仪器测量时间对比率。 7 )汤姆森抛物面光谱仪: 使带电粒子通过静电场和静磁场中，根据质量和电荷数之比和能量使前进方向偏向，测量带电粒子的每个质量和电荷数之比的能量的方法。 能谱的形状为抛物线。 8 )层叠型无线电变色薄膜: 这是因受到带电粒子或x射线等放射线照射而变黑的薄膜上的检测器。 由于是在胶片上，所以通过照射放射线可以测量空间分布，通过将多张胶片重叠，可以根据各个胶片测量的放射线量得到放射线的能谱。 9 )流体模拟: 再现水和空气等流体运动的模拟。 通过数值求解描述流体运动的流体方程得到解。 用高强度激光照射物质时生成的等离子体可以作为流体处理。 10 ) PIC仿真: 物质由小粒子(原子、电子、离子等)聚集而成。 在考虑激光与物质的相互作用时，如果激光的能量超过某个阈值，则流体处理将变得不合适，需要处理各个粒子的运动和粒子之间的相互作用。 在那种情况下，用计算机数值求解记述各个粒子的运动和粒子之间的相互作用，以及激光和粒子的相互作用的被称为麦克斯韦方程式和运动方程式的方程式，再现实际发生的事情。 11 )重粒子线癌治疗: 是癌症放射治疗方法之一。 这是用加速器将碳离子加速到光速约70%的能量，聚焦照射到癌症病灶上，在不杀死周围正常细胞的情况下只杀死癌细胞的最先进的放射线治疗方法。

【刊登论文信息】

标题: enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultra intense laser facilities 作者信息: Nicholas P. Dover，Tim Ziegler，Stefan Assenbaum，Constantin Bernert，Stefan Bock，Florian-Emanuel Brack，Thomas e.com Marco Garten、Lennart Gaus、Ilja Goethel、George S. Hicks、Hiromitsu Kiriyama、Thomas Kluge、James K. Koga、Akira Kon、kotara kon Florian Kroll，Hazel F. Lowe，Josefine Metzkes-Ng，Tatsuhiko Miyatake，Zulfikar Najmudin，Thomas Pu¨schel，Martin Rehwald Hironao Sakaki，Hans-Peter Schlenvoigt，Keiichiro Shiokawa，Marvin E. P. Umlandt，Ulrich Schramm，Karl Zeil，and mamiko Nishi

论文URL:https://www.nature.com/articles/s 41377-023-01083-9