重水素イオンを加速可能な 「ブーストクーロン爆発」の発見 ~レーザー駆動中性子源や医療用放射性同位体の生成応用に期待~

2026-07-03 大阪大学,量子科学技術研究開発機構

大阪大学と量子科学技術研究開発機構(QST)の研究グループは、大強度レーザーを重水層を有する金属薄膜に照射することで、「ブーストクーロン爆発」と名付けた新しいイオン加速機構を発見した。従来のターゲットノーマルシース加速やクーロン爆発とは異なり、レーザーの入射波と金属表面で反射した波の干渉によって電子が局所的に排除され、残された重水素イオンがクーロン斥力でレーザー照射面側へ集中的に加速される。実験では、最大約50MeVの準単色重水素イオンを発生させることに成功し、低エネルギー成分が極めて少なく、発散角も10度以下という優れた特性を示した。粒子シミュレーションにより加速機構を解析し、干渉波が高効率加速の鍵であることを明らかにした。本手法は、レーザー駆動中性子源における準単色中性子パルスの生成や、^64Cuなど医療用放射性同位体の製造、核融合研究への応用が期待される。また、他元素への展開も可能であり、新たなレーザーイオン加速技術として幅広い利用が見込まれる。

重水素イオンを加速可能な 「ブーストクーロン爆発」の発見 ~レーザー駆動中性子源や医療用放射性同位体の生成応用に期待~

図1.ターゲットノーマルシース加速

<関連情報>

反射ピコ秒レーザーパルスによるブーストされたクーロン爆発を介した準単色重水素加速 Quasi-monoenergetic deuteron acceleration via boosted coulomb explosion by reflected picosecond laser pulse

Tianyun Wei,Zechen Lan,Yasunobu Arikawa,Yanjun Gu,Takehito Hayakawa,Alessio Morace,Ryuya Yamada,Kohei Yamanoi,Koichi Honda,Masaki Kando,Nobuhiko Nakanii,Seyed Reza Mirfayzi,Sergei Vladimirovich Bulanov & Akifumi Yogo
Nature Communications  Published:29 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-73196-9

Abstract

Generation of quasi-monoenergetic ions by intense laser is one of long-standing goals in laser-plasma physics. However, existing laser-driven ion acceleration schemes often produce broad energy spectra and limited control over ion species. Here we propose the acceleration mechanism, boosted Coulomb explosion, initiated by a standing wave, which is formed in a pre-expanded plasma by the interference between a continuously incoming main laser pulse and the pulse reflected by a solid target, where the pre-expanded plasma is formed from a thin layer on the solid target by a relatively strong pre-pulse. This mechanism produces a persistent Coulomb field on the target front side with field strengths on the order of TV/m for picoseconds. We experimentally demonstrate generation of quasi-monoenergetic deuterons up to 50 MeV using an in-situ D2O-deposited target. Our results show that the peak energy can be tuned by the laser pulse duration.

2004放射線利用
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