The Precise energy spectra measurement of laser-accelerated MeV/n-class high-Z ions and protons using CR-39 detectors

金崎 真聡; 神野 智史*   ; 榊 泰直; 近藤 公伯; 小田 啓二*; 山内 知也*; 福田 祐仁

Kanasaki, Masato; Jinno, Satoshi*; Sakaki, Hironao; Kondo, Kiminori; Oda, Keiji*; Yamauchi, Tomoya*; Fukuda, Yuji

本研究では、背景ガスイオンの加速メカニズムを明らかにすることを主な目的とし、クラスターを構成するイオンと背景ガスイオンのエネルギースペクトルをそれぞれ評価した。高強度レーザーJ-KAREN(1J, 40fs)を、Hを背景ガスとするCOクラスターに集光しイオン加速実験を行い、計測体系を工夫することで、背景ガスイオンであるプロトンとクラスターを構成するC及びOイオンを完全に分離した計測に成功した。得られたエネルギースペクトルを評価したところ、プロトンは、高エネルギー側に裾を引く形でなだらかに個数が減少するのに対し、C及びOイオンについては1MeV/u付近で急激に個数が減少するという特性が明らかとなった。実験を模擬した粒子コードシミュレーションは、それぞれのイオンについて、実験結果とよく似た形状のエネルギースペクトルを示しており、クラスターがクーロン爆発する際に生成される電場によって背景ガスイオンが圧縮され、加速されるというメカニズムが明らかとなった。クラスターのクーロン爆発による背景ガスイオンの加速は、レーザープラズマ中の衝撃波発生機構とも関連していると考えられ、この観点からも興味深い現象である。

In order 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 (250 nm in dia.) embedded in background H gas with the J-KAREN laser (1 J, 40 fs, 10 contrast) at JAEA-KPSI. By a careful analysis of etch pit positions on CR-39 and their structures including the etch pit growth behavior analysis with the multi-step etching technique, energy spectra for protons from the background gas and carbon/oxygen ions from the clusters are obtained separately. The maximum energies of protons and carbon/oxygen ions are determined as 1.6 MeV and 1.1 MeV/u, respectively. Based on the experimental results, the acceleration mechanism of the 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.