Gas-cluster targets for femtosecond laser interaction; Modeling and optimization

フェムト秒レーザーとの相互作用のためのクラスターターゲット; モデリングと最適化

Boldarev, A. S.*; Gasilov, V. A.*; Faenov, A. Y.*; 福田 祐仁; 山川 考一

Boldarev, A. S.*; Gasilov, V. A.*; Faenov, A. Y.*; Fukuda, Yuji; Yamakawa, Koichi

ガスジェット中でのクラスター生成過程に関する新しい数学モデルを開発した。このモデルでは、クラスターターゲットは連続ガス相と不連続クラスター相の2成分媒体として記述され、クラスターターゲットの時間空間分布に関するすべてのパラメータの記述が可能である。また、初めてノズルの詳細な構造を考慮に入れたモデルとなっている。大量の数値計算を実施し、従来モデルであるHagenaモデルとの比較を行い、このモデルの優位性を検証した。大量のマイクロメータサイズのクラスターを生成させるため、本モデルを用いて特殊な形状を有する3ステージノズルの設計を行った。このような特殊ノズルは、従来モデルでは設計不可能であった。この特殊ノズルを用いて生成させたマイクロメータサイズのクラスターと高強度レーザーとの相互作用実験を行った。これまでにない高輝度のkeV領域X線の発生、及び、X線発生量のさまざまな実験パラメータに対する依存性、からノズル設計の正当性を評価した。

A novel mathematical model for the investigations of a cluster formation process in a gas jet is presented, which enables us to obtain the detailed description of the spatial and temporal distributions of all cluster target parameters. In this model, a cluster target is considered as a two-phase medium, consisting of the continuous gas phase and the discrete condensed phase (clusters). The detailed nozzle geometry is also taken into account in this model. In order to confirm the advantage of the present model over a conventional model, a considerable amount of numerical computations has been carried out, and the results are compared with the data obtained from the Hagena's theory. Based on the developed modeling, a three-staged nozzle, which cannot be modeled using the conventional model, is designed for the purpose of producing sufficient amount of micron-sized clusters. Generation of unprecedented amount of keV X rays from the laser-cluster interaction experiments with this nozzle and their accurate intensity dependences onvarious experimental parameters support the adequateness of the nozzle design.