[論文レビュー] Efficient Heating of Thin Cylindrical Targets by Broad Electromagnetic Beams II

Andrey Akhmeteli|ArXiv.org|Nov 17, 2006

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 3被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、特にカーボンナノチューブを対象として、広帯域の電磁波ビーム、特にフェムト秒レーザーパルスを用いた薄い円柱形標的に効率的な加熱を実現するための正確な条件を導出している。縦方向幾何におけるエネルギー吸収の1次元積分式を提示し、30 fs、50 GWのTi:Sapphireレーザーパルスを用いて、15 nmの直径、1 cmの長さのナノチューブを16%の効率で1 keVまで加熱できることを示しており、エネルギー密度は100 MJ/cm³を超える。

ABSTRACT

In Part I (physics/0405091), it was shown that it is possible to achieve efficient heating of cylindrical targets by electromagnetic beams with transverse dimensions that are several orders of magnitude greater than those of the cylinder. Part II contains derivation of the detailed conditions of efficient heating in the longitudinal geometry and establishes a broader domain of parameters providing efficient heating in the transverse geometry. One possible implementation using currently available technology is considered: a nanotube (length 1 cm, diameter 15 nm) may be heated in the transverse geometry by a 30 femtosecond pulse of a 50 GW Ti:Sapphire laser (wavelength 800 nm) to a temperature of 1 keV with heating efficiency of 16 per cent. The resulting energy density exceeds 100 MJ/cm3. An exact formula in the form of a one-dimensional integral is obtained for the amount of energy absorbed in the cylinder heated by a gaussian electromagnetic beam in the longitudinal geometry.

研究の動機と目的

• 広帯域電磁波ビームを用いた縦方向および横方向幾何における薄い円柱形標的の効率的加熱のための正確な条件を導出すること。
• 従来の研究と比較して、横方向幾何における高吸収効率のためのより広いパラメータ領域を確立すること。
• 現在のレーザー技術を用いて実験的に実現可能な、カーボンナノチューブの加熱のための実現可能性を示すこと。
• 縦方向幾何におけるエネルギー吸収の正確な解析的式を1次元積分として提供すること。
• こうした加熱されたナノチューブが極端な紫外線およびソフトX線放射のためのレーザー媒質として有効である可能性を評価すること。

提案手法

• ガウス型電磁波ビームが縦方向幾何において円柱を加熱する際のエネルギー吸収に関する正確な1次元積分式を導出する。
• ベッセル関数の漸近近似を用いて、誘電率および円柱半径の異なるパラメータ領域における吸収効率を分析する。
• 1波近似および場の円筒波への分解を用いて、ガウスビームと薄い円柱との相互作用をモデル化する。
• 電子-イオン衝突周波数およびプラズマ周波数を含む、複素誘電率 ε = 1 − ωₚ² / [ω(ω + iνₑᵢ)] を有するプラズマ円筒としてナノチューブをモデル化する。
• 横方向幾何を検討し、800 nmの30 fs、50 GWのTi:Sapphireレーザー（800 nm）が15 nmの直径、1 cmの長さのカーボンナノチューブを照射する状況を想定する。
• 全イオン化および等体積加熱を仮定して、イオン化および熱エネルギーの原子あたりの見積もりを用いて、エネルギー要件と加熱効率を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広帯域電磁波ビームで照射される薄い円柱形標的において、高吸収効率を実現するための正確なパラメータ条件は何か？
• RQ2 縦方向および横方向幾何において、円柱半径、誘電率、ビームウェストが加熱効率にどのように影響するか？
• RQ3 フェムト秒レーザーパルスを用いて、現在の技術で1本のカーボンナノチューブをkeV温度まで効率的に加熱できるか？
• RQ4 縦方向ビーム幾何におけるエネルギー吸収の正確な解析的式は何か？
• RQ5 効率的なレーザー加熱下で、ナノチューブが達成できるエネルギー密度および温度は何か？また、X線発生へのインパクトは何か？

主な発見

• 15 nmの直径、1 cmの長さのカーボンナノチューブは、30 fs、50 GWのTi:Sapphireレーザーパルスを用いて16%の加熱効率で1 keVの電子温度まで加熱可能である。
• ナノチューブ内でのエネルギー密度は100 MJ/cm³を超えており、極めて高い圧縮と加熱が生じていることを示している。
• 加熱効率は200 eVの低い電子温度では40%に達するが、10 keVでは1%に低下し、1 keV付近で最適な性能を示していることが示唆される。
• 縦方向幾何におけるエネルギー吸収の正確な1次元積分式が導出され、加熱効率の正確な予測が可能になった。
• 横方向幾何は縦方向の場合と比較して、より広いパラメータ範囲で効率的加熱が可能であり、実験的実現可能性が向上している。
• モデルはプラズマ的誘電率を仮定しており、非局所効果は無視しているが、軸対称性および円筒表面における法線方向電場の消滅からその妥当性が裏付けられている。