松井隆太郎 エネルギー科学研究科助教、岸本泰明 同教授（現：名誉教授）、福田祐仁 量子科学技術研究開発機構上席研究員、神野智史 東京大学助教（現：日本原子力研究開発機構）らの共同研究グループは、水素クラスターと呼ばれる大きさがマイクロメートル（1ミリメートルの1000分の1）程度の球状の固体水素に超高強度のレーザーを照射することによって、メガ電子ボルトという高いエネルギー領域でエネルギーが揃った、純度100％の陽子ビーム（以下、レーザー駆動陽子ビームと呼ぶ）を繰り返し発生させることに成功しました。
これまでの金属やプラスチックの薄膜ターゲットを用いたレーザー駆动阳子ビーム発生研究では、ターゲット表面に付着している不纯物に由来する炭素イオンや酸素イオンもレーザー照射によって同时に発生するため、阳子のみを选択的に繰り返して発生させることが大きな课题でした。今回、阳子ビームの元となる水素そのもので作られた水素クラスターをターゲットとして用いることにより、纯度100％のメガ电子ボルトの阳子ビームを繰り返して発生させることに成功しました。また、水素クラスターの大きさを直径约0.3マイクロメートル程度にそろえることで、エネルギー変动を约11％に抑えた阳子ビームを発生させることができるようになりました。
本研究成果は、レーザー駆动阳子ビーム加速器の実现に向けて不可欠な要素となる、高纯度で高いエネルギー安定性を持つ阳子ビームの発生を可能にする基盘技术となります。今后、従来の加速器で発生する阳子ビームのパルス幅（バンチ长）に比べて1000分の1以上短いという特长を活かして、これまで未知だった放射线による材料损伤の瞬间を捉えて分析することにより、材料劣化のメカニズムを解明し、放射线の影响が强い宇宙や原子力环境に耐えうる新材料开発などに贡献することが期待されます。
本研究成果は、2022年10月12日に、「Scientific Reports」にオンライン掲載されました。
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Satoshi Jinno, Masato Kanasaki, Takafumi Asai, Ryutaro Matsui, Alexander S. Pirozhkov, Koichi Ogura, Akito Sagisaka, Yasuhiro Miyasaka, Nobuhiko Nakanii, Masaki Kando, Nobuko Kitagawa, Kunihiro Morishima, Satoshi Kodaira, Yasuaki Kishimoto, Tomoya Yamauchi, Mitsuru Uesaka, Hiromitsu Kiriyama, Yuji Fukuda (2022). Laser-driven multi-MeV high-purity proton acceleration via anisotropic ambipolar expansion of micron-scale hydrogen clusters. Scientific Reports, 12:16753.
