High-energy ions from near-critical density plasmas via magnetic vortex acceleration

磁気渦加速による臨界密度近傍プラズマからの高エネルギーイオン発生

中村 龍史; Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; 神門 正城

Nakamura, Tatsufumi; Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; Kando, Masaki

超高強度レーザーが臨界密度近傍プラズマ中を伝播することで、磁気双極子渦構造が形成される。それが負の密度勾配を持つプラズマ中を運動する場合、前方及び側方に膨張する。この時、磁気圧により電子及びイオンが圧縮され、磁気渦の軸上にイオンの高密度領域(イオン面)が形成される。質量の小さな電子は磁気渦により駆動されイオン面より前方にも分布するため、イオン面前面には強い静電界が誘起される。この電界は磁気渦とともに前方に動き、その前方(上流側)にあるイオンは反射される。この結果、イオンは電場の速度の二倍程度まで加速される。この磁気渦加速のエネルギースケーリングを導出し、粒子シミュレーションにより検証した。

Ultraintense laser pulses propagating in near-critical density plasmas generate magnetic dipole vortex structures. In the region of decreasing plasma density, the vortex expands both in forward and lateral directions. The magnetic field pressure pushes electrons and ions to form a density jump along the vortex axis, and induces a longitudinal electric field. This structure moves together with the expanding dipole vortex. The background ions located ahead of the electric field are accelerated to high energies. The energy scaling of ions generated by this magnetic vortex acceleration mechanism is derived and corroborated using Particle-in-Cell (PIC) simulations.