[論文レビュー] Ion acceleration by an ultrashort laser pulse interacting with a near-critical-density gas jet

M. Ehret, C. Salgado-López+29 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2020

Planetary Science and Exploration参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、30-fs、3-Jの超短パルスレーザーを近臨界密度のガスジェットに焦点化することで、効率的なヘリウムイオン加速を実証した。イオンカットオフエネルギーは25 MeVを超えており、ピークイオン出力は10⁸ MeV⁻¹を超えた。実験では、レーザー駆動電場ショックにおけるショック誘発イオン加速を用い、ノズルの亀裂による密度変動にもかかわらず安定したスペクトルを達成した。

ABSTRACT

We demonstrate laser-driven Helium ion acceleration with cut-off energies above 25 MeV and peaked ion number above $10^8$ /MeV for 22(2) MeV projectiles from near-critical density gas jet targets. We employed shock gas jet nozzles at the high-repetition-rate (HRR) VEGA-2 laser system with 3 J in pulses of 30 fs focused down to intensities in the range between $9 imes10^{19}$ W/cm$^2$ and $1.2 imes10^{20}$ W/cm$^2$. We demonstrate acceleration spectra with minor shot-to-shot changes for small variations in the target gas density profile. Difference in gas profiles arise due to nozzles being exposed to a experimental environment, partially ablating and melting.

研究の動機と目的

• レーザーとプラズマ間のエネルギー結合を最適化すると予測される近臨界密度プラズマにおけるイオン加速メカニズムを調査すること。
• 高繰り返しレート、安定したイオンビーム生成を、超短パルスとガスジェットターゲットを用いて実証すること。
• ノズルの亀裂によるターゲット密度プロファイルの進化が、イオンビーム品質に与える影響を分析すること。
• 近臨界条件下での衝突なしショック加速（CSA）がイオンエネルギー増幅に果たす役割を検証すること。

提案手法

• 3 J、30-fsパルスを0.8 µm波長で発生させる高繰り返しレート（HRR）VEGA-2チタンサファイアレーザーシステムを用いた。
• F/4非対称パラボリックミラーを用いて、9×10¹⁹〜1.2×10²⁰ W/cm²の強度にレーザーパルスを焦点化した。
• レーザーイオン化により一時的かつ近臨界密度プラズマ（ne ≈ 1.7×10²¹ cm⁻³）を生成するショックガスジェットノズルを用いた。
• イオンスペクトルは、制御されたエッチングとZスキャン顕微鏡を用いたトラック深さおよび直径分析により、CR-39核トラック検出器で測定した。
• 粒子-場法（PIC）シミュレーションを用いて、レーザー-プラズマ相互作用をモデル化し、電荷分離およびショック形成の役割を検証した。
• ストライオスコピックイメージングおよびエッチングピットの直径進化追跡により、トラック形態からイオンエネルギーおよびフラクタル量を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高繰り返しレート運用下で、超短パルスを用いた近臨界密度ガスジェットにおけるヘリウムイオンの効率的加速は可能か？
• RQ2 レーザー駆動電場ショック形成は、近臨界状態におけるイオン加速にどのように寄与するか？
• RQ3 ノズル亀裂に起因するガスジェット密度プロファイルのショットごとの変化と、イオンスペクトルのショットごとのばらつきの相関はどの程度か？
• RQ4 加速されたイオンのエネルギー分布および出力は何か？ また、衝突なしショック加速の理論的予測と比較してどうか？

主な発見

• 25 MeVを超えるイオンカットオフエネルギーが測定され、ヘリウムイオンでは22(2) MeVに明確なピークが観察された。
• ピークイオン出力は1.1×10⁸ MeV⁻¹に達し、高いビーム品質と効率的なエネルギー結合を示した。
• ノズルの亀裂によるガスジェット密度プロファイルの変化が測定されたにもかかわらず、イオンスペクトルは最小限のショットごとのばらつきを示した。
• エッチングピットの直径進化およびZスキャン分析により、4–40 MeVのアルファ粒子および56–200 MeVの窒素イオンが確認され、主に4.5–6.7 MeVのアルファ粒子が寄与していた。
• PICシミュレーションは、近臨界状態における衝突なしショック加速（CSA）が主なイオン加速メカニズムであることを支持した。
• ノズルの劣化にもかかわらずイオンスペクトルの安定性が観察されたことから、実験的条件下でも加速プロセスの頑健性が示された。