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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

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

高強度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は、低エネルギー成分としてクラスターのクーロン爆発によって加速されるクラスターを構成するイオンと、その電場によって加速される背景ガスイオン、また、高エネルギー成分として高速電子に起因する磁気双極子渦の運動によってレーザー進行方向に加速されるイオンに大きく分類される。本研究では、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。また、実験を模擬した数値シミュレーションでは、実験と似た傾向の結果が得られており、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が明らかとなった。

In the laser-driven ion acceleration using cluster-gas target, the acceleration mechanism consists of different processes such as, (a) acceleration of ions due to Coulomb explosion of individual clusters, (b) compression and acceleration of background gas ions due to the Coulomb explosion of clusters, (c) magnetic vortex generation and associated pinching near the rear surface, and (d) sheath acceleration at the interface between the medium and vacuum. To understand the synergetic interplay between the Coulomb explosion of clusters and the background gas dynamics, we have conducted ion acceleration experiments using CO$$_2$$ clusters embedded in background H$$_2$$ gas with the J-KAREN laser at JAEA-KPSI. By a careful analysis of CR-39, 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 $$sim$$1.5 MeV and $$sim$$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).

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