Experimental and theoretical studies on acceleration of background gas ions induced by Coulomb explosion of clusters

クラスターのクーロン爆発によって引き起こされる背景ガスイオンの加速に関する実験的・理論的研究

福田 祐仁; 金崎 真聡; 神野 智史*   ; 榊 泰直; 西内 満美子; Faenov, A.*; Pikuz, T.*; 桐山 博光; 神門 正城; 近藤 公伯; 小田 啓二*; 山内 知也*; 森島 邦博*; 渡辺 幸信; Scullion, C.*; Smyth, A.*; Alonso, A.*; Doria, D.*; Borghesi, M.*; 松井 隆太郎; 岸本 泰明

Fukuda, Yuji; Kanasaki, Masato; Jinno, Satoshi*; Sakaki, Hironao; Nishiuchi, Mamiko; Faenov, A.*; Pikuz, T.*; Kiriyama, Hiromitsu; Kando, Masaki; Kondo, Kiminori; Oda, Keiji*; Yamauchi, Tomoya*; Morishima, Kunihiro*; Watanabe, Yukinobu; Scullion, C.*; Smyth, A.*; Alonso, A.*; Doria, D.*; Borghesi, M.*; Matsui, Ryutaro; Kishimoto, Yasuaki

本研究では、関西光科学研究所J-KARENレーザーとクラスターターゲットとの相互作用によって加速されるイオンのうち、これまでほとんど調べられてこなかった低エネルギー成分のイオンについて、クラスターを構成するイオンと背景ガスイオンの同時弁別計測を行った。その結果、最大で1.1MeV程度のクラスターを構成する炭素イオンと最大で1.5MeV程度の背景ガスイオンであるプロトンが加速されていることが明らかとなった。実験を模擬した粒子コードシミュレーションは、実験結果をほぼ定量的に説明する結果となっており、クラスターのクーロン爆発による電場が背景ガスイオンの加速に寄与していることを示す結果が得られた。

In this study, to understand the synergetic interplay between the Coulomb explosion of clusters and the background gas dynamics, we have conducted ion acceleration experiments using CO clusters embedded in background H gas with the J-KAREN laser at JAEA-KPSI. As a result, energy spectra for protons (from background gas) and carbon/oxygen ions (from clusters) are obtained separately for the first time. We found that the maximum energies of protons and carbon/oxygen ions are 1.5 MeV and 1.1 MeV/u, respectively. Based on the experimental results, the acceleration mechanism of background gas ions induced by Coulomb explosion of clusters is discussed with the help from numerical simulations which employ a particle-in-cell (PIC) method including relaxation and ionization processes of plasma particles (EPIC3D).