[論文レビュー] Ion Acceleration—Target Normal Sheath Acceleration

M. Roth, Marius Schollmeier|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Laser-induced spectroscopy and plasma参考文献 1被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、超強力レーザー・プラズマ相互作用におけるイオン加速の主要メカニズムとして、ターゲット正規方向シースト加速（TNSA）を提示している。相対論的レーザーによって生成された高温電子が薄いフィルムの裏面に強いシースト電場を形成し、高品質なビームを垂直に加速する。主な結果として、30 MeVを超えるプロトンビームと1ショットあたり10^9を超える中性子生成量が達成され、核利用用途向けにコンパクトで高フラックスの中性子源が実現可能である。

ABSTRACT

Energetic ions have been observed since the very first laser-plasma experiments. Their origin was found to be the charge separation of electrons heated by the laser, which transfers energy to the ions accelerated in the field. The advent of ultra-intense lasers with pulse lengths in the femtosecond regime resulted in the discovery of very energetic ions with characteristics quite different from those driven by long-pulse lasers. Discovered in the late 1990s, these ion beams have become the focus of intense research worldwide, because of their unique properties and high particle numbers. Based on their nonisotropic, beam-like behaviour, which is always perpendicular to the emitting surface, the acceleration mechanism is called target normal sheath acceleration (TNSA).We address the physics of the mechanism and its dependence on laser and target parameters. Techniques to explore and diagnose the beams, to make them useful for applications, are also addressed.

研究の動機と目的

• 超強力レーザー・プラズマ相互作用におけるターゲット正規方向シースト加速（TNSA）の物理的メカニズムを説明すること。
• レーザーおよびターゲットパラメータ（強度、パルス幅、フィルム厚さなど）がイオンビーム特性に与える依存関係を分析すること。
• 実用的応用のためのイオンおよび中性子ビーム生成における診断技術とビーム最適化手法を検討すること。
• TNSAを基盤とするレーザー駆動中性子源の、高フラックス・短パルス核利用用途への実現可能性を評価すること。
• 中性子生成量とスペクトル制御を最大化する二段階ターゲット系の設計を支援すること。

提案手法

• 粒子-場（PIC）シミュレーションを用いて、薄いフィルムターゲットにおける高温電子生成と電荷分離をモデル化し、TNSAを記述する。
• ポンドモーティブポテンシャルスケーリングを適用：$ T_{\text{hot}} \approx U_{\text{pond}} \approx 1\,\text{MeV} \times (I\lambda^2/10^{19}\,\text{W} \cdot \mu\text{m}^2/\text{cm}^2)^{1/2} $ により、レーザー強度と電子温度を関連付ける。
• 高温電子の数およびエネルギー分布を推定するため、電子エネルギー変換効率 $ \eta = 1.2 \times 10^{-15} I^{0.74} $ を用いる。
• GEANT4コードを用いて、二次ターゲットにおけるプロトンおよびデュテロン誘発反応による中性子生成をシミュレートし、実験的スペクトルを入力とする。
• 二段階ターゲットの設計：第一段階でTNSAによるイオンビームを生成し、第二段階で同素体ターゲット（例：Li、Be、B、V、Cu、CD2）を用いて最適化された中性子生成量を得る。
• 活性化検出器（例：銀、レディオクロミックフィルム）を用いて中性子生成量とスペクトルを測定し、シミュレーション結果と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー強度およびターゲット厚さは、TNSAで加速されたイオンビームのエネルギーおよび発散角にどのように影響を与えるか？
• RQ2 プリプラズマ形成およびレーザー対比度は、TNSAにおける電子注入とビーム品質を制限する要因として果たす役割は何か？
• RQ3 TNSA駆動系における主な中性子生成メカニズムは何か？また、それらは投射体エネルギーおよびターゲット材料にどのように依存するか？
• RQ4 二段階ターゲット設計は、実用的応用における中性子生成量とスペクトル制御を顕著に向上させ得るか？
• RQ5 GEANT4と実際のレーザーデータを用いたシミュレーションにおける中性子スペクトルおよび生成量は、実験測定値とどの程度一致するか？

主な発見

• 100 TWを超えるレーザーを用いて、最大30 MeVのプロトンビームが生成され、コンパクトで高エネルギーのイオン源の実現可能性が示された。
• PHELIXレーザー施設において、1ショットあたり10^9を超える中性子生成量が達成され、FRANZのような加速器駆動源を5桁も上回った。
• リチウムフルオライド（LiF）は金属リチウムよりも顕著に高い中性子生成量を示した。これは質量密度が高いため（2.64 g/cm³ 対 0.53 g/cm³）反応確率が向上したためである。
• リチウムおよびケイ素におけるプロトン誘発反応のシミュレートされた中性子スペクトルは、1–10 MeVの範囲で高いフラックスを示し、核変換および核材料研究に適している。
• 天然含有比のリチウム、ケイ素、ホウ素、バナジウムにおけるプロトン誘発反応で、最も高い中性子生成効率が観測された。
• 銅ターゲットにおけるシミュレートされた中性子生成量と実験測定値の間に良好な一致が得られ、今後の最適化に向けたGEANT4ベースのシミュレーションフレームワークの妥当性が裏付けられた。