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Ion acceleration in subcritical density plasma via interaction of intense laser pulse with cluster-gas target

高強度レーザーパルスとクラスターターゲットとの相互作用で生成したサブ臨界密度プラズマ中におけるイオン加速

福田 祐仁; Faenov, A.*; 反保 元伸; Pikuz, T.*; 中村 龍史; 神門 正城; 林 由紀雄; 余語 覚文; 榊 泰直; 亀島 敬*; 川瀬 啓悟; Pirozhkov, A. S.; 小倉 浩一; 森 道昭; Esirkepov, T. Z.; Koga, J. K.; Boldarev, A. S.*; Gasilov, V. A.*; Magunov, A. I.*; 山内 知也*; 兒玉 了祐*; Bolton, P.; 近藤 公伯; 河西 俊一; 加藤 義章; 田島 俊樹; 大道 博行; Bulanov, S. V.

Fukuda, Yuji; Faenov, A.*; Tampo, Motonobu; Pikuz, T.*; Nakamura, Tatsufumi; Kando, Masaki; Hayashi, Yukio; Yogo, Akifumi; Sakaki, Hironao; Kameshima, Takashi*; Kawase, Keigo; Pirozhkov, A. S.; Ogura, Koichi; Mori, Michiaki; Esirkepov, T. Z.; Koga, J. K.; Boldarev, A. S.*; Gasilov, V. A.*; Magunov, A. I.*; Yamauchi, Tomoya*; Kodama, Ryosuke*; Bolton, P.; Kondo, Kiminori; Kawanishi, Shunichi; Kato, Yoshiaki; Tajima, Toshiki; Daido, Hiroyuki; Bulanov, S. V.

本研究では、サブ臨界密度プラズマを生成させるために、世界に先駆けて、クラスターを含むガスターゲットをイオン加速研究に導入し、核子あたりの最大エネルギーが10$$sim$$20MeV/nという、従来の同規模クラスのレーザー装置を用いた場合の約10倍の加速エネルギーを得ることに成功した。クラスターターゲットは、連続供給が可能であるうえに、この手法により生成したイオンの発散角は、従来手法よりも小さく、医療利用へ向けたビーム伝送・照射系の設計にも適していることが明らかとなった。

We present substantial enhancement of the accelerated ion energies up to 10-20 MeV per nucleon by utilizing the unique properties of the cluster-gas target irradiated with 40-fs laser pulses of only 150 mJ energy, corresponding to approximately tenfold increase in the ion energies compared to previous experiments using thin foil targets. A particle-in-cell simulation infers that the high energy ions are generated at the rear side of the target due to the formation of a strong dipole vortex structure in sub-critical density plasmas. The demonstrated method can be important in the development of efficient laser ion accelerators for hadron therapy and other applications.

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