[論文レビュー] Acceleration of collimated 45 MeV protons by collisionless shocks driven in low-density, large-scale gradient plasmas by a 10^20 W/cm^2, 1 micron wavelength laser

P. Antici, Elisabetta Boella+18 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2017

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 57被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、10^20 W/cm²、1 µm波長のレーザーを用いて照射された、mmスケールで低密度（約1%臨界密度）の標的で、新しい陽子加速メカニズム—低密度非衝突衝撃加速（LDCSA）—を実証した。このプロセスにより、6°半角の非常に収束した陽子ビームが生成され、最大45 ± 5 MeVのエネルギーを達成し、1 MeV/sr/Jあたり5×10⁹個の陽子フラックスを発生させた。これは、大規模な密度勾配内での非衝突衝撃とTNSAに類似たシールド場の組み合わせによって実現され、従来のTNSAやRPAと比較して、レーザーおよび標的の要件が緩和された、頑健な代替手法を提供する。

ABSTRACT

A new type of proton acceleration stemming from large-scale gradients, low-density targets, irradiated by an intense near-infrared laser is observed. The produced protons are characterized by high-energies (with a broad spectrum), are emitted in a very directional manner, and the process is associated to relaxed laser (no need for high-contrast) and target (no need for ultra-thin or expensive targets) constraints. As such, this process appears quite effective compared to the standard and commonly used Target Normal Sheath Acceleration technique (TNSA), or more exploratory mechanisms like Radiation Pressure Acceleration (RPA). The data are underpinned by 3D numerical simulations which suggest that in these conditions Low Density Collisionless Shock Acceleration (LDCSA) is at play, which combines an initial Collisionless Shock Acceleration (CSA) to a boost procured by a TNSA-like sheath field in the downward density ramp of the target, which leads to an overall broad spectrum. Experiments performed at 10^20 W/cm^2 laser intensity show that LDCSA can accelerate, from ~1% critical density, mm-scale targets, up to 5x10^9 protons/MeV/sr/J with energies up to 45(+/- 5) MeV in a collimated (~6$^\circ$ half-angle) manner.

研究の動機と目的

• 高強度レーザー照射下における低密度・大スケール勾配プラズマ内での陽子加速メカニズムの解明。
• 標準的なTNSAやRPA手法に課題を抱える既存の制限を克服する新しい加速領域の同定および特徴化。
• レーザー対比や標的品質に敏感でない、高エネルギー・収束陽子ビームの実現と、フラックスの向上。
• 3次元シミュレーションと実験データの照合を通じた物理的メカニズムの検証。

提案手法

• 中程度のレーザー対比で、10^20 W/cm²、1 µm波長のレーザーを用いて、mmスケールで低密度（約1%臨界密度）の標的を照射。
• 3次元粒子インセル（PIC）シミュレーションを用いて、プラズマのダイナミクスをモデル化し、支配的加速メカニズムを同定。
• 陽子エネルギースペクトルおよび方位分布の解析により、ビームの収束性とエネルギー分散を評価。
• 2段階加速プロセスの同定：初期段階で非衝突衝撃加速が発生し、その後密度勾配の下り坂部でシールド場が強化される。
• 実験結果とシミュレーションの比較により、LDCSAメカニズムの妥当性を確認。
• 1 MeV/sr/Jあたりの陽子出力（プロトン/MeV/sr/J）を定量的に評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高薄または高対比レーザーを必要としない低密度・大スケール標的において、陽子加速を効率的に実現できるか。
• RQ2 このような標的において観測された収束性と高エネルギーの陽子を引き起こす物理的メカニズムは何か。
• RQ3 密度勾配内での非衝突衝撃とシールド場の組み合わせが、標準的なTNSAと比較してどのように陽子加速を向上させるか。
• RQ4 LDCSAメカニズムは、既存手法と比較して、陽子フラックスおよびビーム品質をどの程度向上させるか。

主な発見

• 実験的に、最大45 ± 5 MeVの陽子ビームが観測され、低密度標的における顕著なエネルギー増幅が確認された。
• 陽子ビームは半角約6°の強い収束性を示し、高い指向性を示している。
• 1 MeV/sr/Jあたり5×10⁹個の陽子フラックスが達成され、高い効率と明るさを示した。
• 加速メカニズムは、低密度非衝突衝撃加速（LDCSA）として同定され、密度勾配内での初期段階の非衝突衝撃加速と、TNSAに類似たシールド場の強化が組み合わされたものであった。
• 3次元シミュレーションにより、LDCSAメカニズムが陽子ビームの高エネルギーおよび収束性を説明できることを確認した。
• TNSAやRPAとは異なり、中程度のレーザー対比および標準的なmmスケール標的でも効果的に動作するため、実験的制約が緩和された。