[論文レビュー] Laser-driven platform for generation and characterization of strong quasi-static magnetic fields

J. J. Santos, M. Bailly-Grandvaux+32 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2015

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、500 J、1 nsの高強度レーザーパルスを用いたコンデンサ・コイルターゲットにおいて、準静的磁界を最大800 Tまで生成するレーザー駆動プラットフォームを示している。Bドットプローブ、ファラデー回転、およびプロトン偏向法の3つの独立した診断法を用い、8.3%のレーザーから磁界へのエネルギー変換効率を達成し、再現性があり良好に特徴付けられた磁界を生成することで、高エネルギー密度状態における磁界研究のためのコンactで、完全に光学的な手法を実現した。

ABSTRACT

Quasi-static magnetic-fields up to $800\,$T are generated in the interaction of intense laser pulses ($500\,$J, $1\,$ns, $10^{17}\,$W/cm$^2$) with capacitor-coil targets of different materials. The reproducible magnetic-field peak and rise-time, consistent with the laser pulse duration, were accurately inferred from measurements with GHz-bandwidth inductor pickup coils (B-dot probes). Results from Faraday rotation of polarized optical laser light and deflectometry of energetic proton beams are consistent with the B-dot probe measurements at the early stages of the target charging, up to $t\approx 0.35\,$ns, and then are disturbed by radiation and plasma effects. The field has a dipole-like distribution over a characteristic volume of $1\,$mm$^3$, which is coherent with theoretical expectations. These results demonstrate a very efficient conversion of the laser energy into magnetic fields, thus establishing a robust laser-driven platform for reproducible, well characterized, generation of quasi-static magnetic fields at the kT-level, as well as for magnetization and accurate probing of high-energy-density samples driven by secondary powerful laser or particle beams.

研究の動機と目的

• レーザー駆動コンデンサ・コイルターゲットを用いて、kT領域の強い準静的磁界を生成するコンactで、完全に光学的なプラットフォームの開発。
• 複数の独立した診断法を用いて、磁界の時間的変化、空間的分布、およびピーク強度を正確に特徴付けること。
• レーザーパルスから磁界へのエネルギー変換効率を調査し、物質依存の差異を評価すること。
• 制御可能でアクセスしやすい幾何配置において、二次のレーザーまたは粒子ビームを用いて高エネルギー密度試料の磁化とプロービングを可能にすること。
• 先行研究の報告に矛盾する点を解消するため、複数の補完的技術を用いて磁界測定を検証し、プラズマおよび放射効果を補正すること。

提案手法

• 10^17 W/cm²の強度を持つ500 J、1 nsのレーザーパルスを、銅、ニッケル、アルミのコンデンサ・コイルターゲットに照射し、強い表面電流を駆動して準静的磁界を生成する。
• GHz帯域幅のBドットプローブを用いて、ナノ秒時間分解能で磁界の上昇時間とピーク強度を測定する。
• 安全な距離（数mm）に配置された二色性結晶を通過する偏光プローブレーザー光のファラデー回転を測定し、結晶応答および放射効果を補正して磁界強度を算出する。
• TNSAプロトンビームを用いたプロトン偏向法を適用し、偏向角から磁界強度を推定する。電界ポテンシャル効果を補正する。
• コイル幾何形状および電流ループの磁気的静的シミュレーションを実施し、遠方からの測定値からコイル中心への磁界値を外挿算する。
• Bドット、ファラデー、プロトンの3つの診断法を相互に検証し、0.35 ns以降に生じるプラズマおよび放射効果による制限を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー駆動コンデンサ・コイルターゲットを用いて、最大でどの程度の準静的磁界強度が達成可能であり、磁界生成はどの程度再現可能か？
• RQ2 異なるターゲット材料（Cu、Ni、Al）は、ピーク磁界およびエネルギー変換効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 0.35 ns以降に、プラズマおよび放射効果が磁界測定をどの程度歪めるか？
• RQ4 Bドット、ファラデー回転、プロトン偏向法の複数の独立した診断法は、ターゲットの充電初期段階で一貫した磁界測定を可能にするか？
• RQ5 磁界の空間的・時間的変化はどのようなものか？また、1 mm³体積における双極子型磁界の理論的期待値と比較するとどうなるか？

主な発見

• レーザー駆動コンデンサ・コイルターゲットは、1 nsのレーザーパルスと一致する上昇時間と持続時間を持つ、最大800 Tの準静的磁界を生成する。
• BドットプローブはGHz帯域幅を有し、レーザーパルスの持続時間と整合する再現性のある上昇時間とピーク強度を確認した。
• ファラデー回転およびプロトン偏向法の測定値は、t ≈ 0.35 nsまでBドットプローブと一致したが、以降にプラズマおよび放射効果が測定値を歪めた。
• 磁界は特徴的な体積約1 mm³において双極子型の分布を示し、理論的磁気的静的モデルと整合的であった。
• 銅では8.3%、ニッケルでは4.5%、アルミでは0.35%のエネルギー変換効率を達成し、物質依存の強い依存性が示された。これは、プラズマダイナミクスおよび短絡時間の差に起因すると考えられる。
• 約0.4 ns以降に、コイル周囲に負の静電ポテンシャルが形成された。これは電子の磁化に起因すると考えられ、磁界による偏向を相殺し、時間経過とともにプロトンの偏向が減少した。