[論文レビュー] Characterization and performance of the Apollon Short-Focal-Area facility following its commissioning at 1 PW level

K. Burdonov, A. Fazzini+46 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、1 PWピークパワーで稼働するアポロノスレーザー施設のショートフォーカルアレイ（SFA）ビームラインの据え付け結果を提示している。10 J、24 fsパルスを高い空間的・時間的安定性で出力し、効率的なレーザー-ターゲット結合を実現した。強力な粒子加速と高強度の電磁脈動（EMP）生成が可能となり、国際的な先端施設と同等の性能を示した。

ABSTRACT

We present the results of the first commissioning phase of the ``short focal length'' area (SFA) of the Apollon laser facility (located in Saclay, France), which was performed with the first available laser beam (F2), scaled to a nominal power of one petawatt. Under the conditions that were tested, this beam delivered on target pulses of 10 J average energy and 24 fs duration. Several diagnostics were fielded to assess the performance of the facility. The on-target focal spot, its spatial stability, the temporal intensity profile prior to the main pulse, as well as the resulting density gradient formed at the irradiated side of solid targets, have been thoroughly characterized, with the goal of helping users design future experiments. Emissions of energetic electrons, ions, and electromagnetic radiation were recorded, showing good laser-to-target coupling efficiency and an overall performance comparable with that of similar international facilities. This will be followed in 2022 by a further commissioning stage at the multi-petawatt level.

研究の動機と目的

• 1 PWピークパワーでのアポロノスレーザー施設のショートフォーカルアレイ（SFA）ビームラインの据え付け後の性能を特徴づけること。
• 将来のユーザ実験を想定し、ターゲット上でのレーザー強度、焦点スポットの安定性、時間的プロファイルを評価すること。
• 高エネルギー電子、イオン、電磁放射線の測定を通じて、レーザー-ターゲット結合効率を評価すること。
• 将来の高強度レーザー-物質相互作用実験のための包括的な診断ベンチマークを提供すること。

提案手法

• アポロノスレーザーシステムのF2ビームラインを1 PWピークパワーで稼働させ、10 Jパルスを24 fsのパuls幅で出力し、6時間にわたり1.5% rmsの強度安定性を達成した。
• 52アクトレータを備えた適応光学を用いて、ストレール比約70%を達成し、高いビーム品質を確保した。
• 放射線感受性フィルムによるプロトン検出、スペクトロンプレートによるビーム反射像の撮影、空間分解能を有する焦点分散スペクトロメータを含む一連の診断装置を導入した。
• D-dotおよびB-dotセンサを用いて、高時間分解能で真空チャンバ内での電場および磁場を測定した。
• 高調波生成（HHG）診断により、固体ターゲットに照射されたレーザーのスペクトルを捉えた。
• GEANT4シミュレーションを用いて、中性子生成とシンチレーター応答をモデル化し、飛行時間検証を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 PWでのアポロノスSFAビームラインのターゲット上での強度と時間的プロファイルは何か？
• RQ2 長時間稼働において焦点スポットおよびレーザービームの安定性はいかほどか？
• RQ3 高エネルギー電子、イオン、電磁放射線の生成において、レーザー-ターゲット結合効率はどの程度か？
• RQ4 測定された電磁脈動（EMP）の特性は、シミュレーションおよび予想とどのように一致するか？
• RQ5 診断セットの性能は、レーザー・プラズマ相互作用の主要パrameterを的確に捉えられるか？

主な発見

• アポロノスSFAは、1 PWピークパワーで10 J、24 fsパルスを1.5% rms強度安定性（6時間）で出力し、安定稼働を確認した。
• 適応光学を用いてストレール比約70%を達成し、高いビーム品質と波面補正の有効性を示した。
• 放射線感受性フィルムにより、最大28 MeVのエネルギーを持つプロトンが検出され、固体ターゲットからの効率的なイオン加速が確認された。
• D-dotおよびB-dotプローブを用いたイン・スイット測定により、電磁脈動（EMP）が測定され、約1.5 µsに明確な信号ピークが観測された。これは中性子飛行時間シミュレーションと整合的であった。
• 高調波生成診断により、相対論的レーザー・プラズマ相互作用に一致する広帯域スペクトルが得られた。
• OTR像像により、ターゲット上でのレーザー焦点の空間プロファイルが確認されたが、f/6のイメージングパラボラの分解能制限により、スポットサイズが大きくなった。