Ion acceleration based on the interaction between high power laser and cluster medium

高強度レーザーとクラスター媒質との相互作用によるイオン加速

福田 祐仁; 松井 隆太郎*; 岩田 夏弥*; 岸本 泰明

Fukuda, Yuji; Matsui, Ryutaro*; Iwata, Natsuyo*; Kishimoto, Yasuaki

クラスターターゲットを用いたイオン加速のメカニズムを明らかにすることを目的に、原子・衝突緩和過程を取り入れた粒子コード(EPIC3D)を用いて、ヘリウム背景ガス中での炭素クラスター媒質と 高強度レーザーとの相互作用シミュレーションを行い、クラスター媒質中でのレーザーの伝播・吸収特性、粒子加速特性の詳細について解析した。その結果、(1)クーロン爆発による炭素イオンの加速、(2)クーロン爆発電場による背景ヘリウムイオンの圧縮・加速、媒質裏面近傍に形成される、(3)磁気渦、および、(4)シーズ電場による加速、などが多段的・相乗的に起こり、その結果、裏面から指向性を持った高エネルギーイオンが生成されることが示された。

In order to investigate the underlying physical mechanism of high power laser interaction with cluster medium, we have performed simulations using EPIC3D (Extended Particle based Integrated Code), which includes key atomic processes and relaxation processes self-consistently in fully relativistic three dimensional configuration, and systematically investigated the interaction processes of medium of carbon clusters embedded in helium gas. We found that the synergetic interplay of different mechanisms such as (1) acceleration of ions due to Coulomb explosion of individual carbon clusters, (2) compression and acceleration of background helium gas due to the Coulomb explosion of clusters, (3) magnetic vortex generation and associated pinching near the rare surface, and (4) sheath acceleration at the interface between the medium and vacuum, could play an important role in realizing the particle acceleration observed in the experiments.