高強度レーザーとクラスター媒質との相互作用による電磁場構造の形成とイオン加速に関するシミュレーション研究

Simulation studies on the structure formation of fields and ion acceleration due to the interaction between high power lasers and clustered media

松井 隆太郎; 福田 祐仁; 川人 大希*; 岸本 泰明*

Matsui, Ryutaro; Fukuda, Yuji; Kawahito, Daiki*; Kishimoto, Yasuaki*

原子力機構関西光科学研究所で行われたイオン加速実験において、最大集光強度が10W/cmの高強度レーザーをクラスター媒質(COクラスターと背景水素ガスで構成)に照射することで、1.6MeVにまで加速された高エネルギー背景ガスイオンが得られた。本研究では、背景ガスイオンを加速する電磁場構造の形成過程を明らかにするため、実験を模擬したパラメータ領域で、相対論的電磁粒子コードEPIC3Dを用いて、二次元、および、三次元粒子シミュレーションを行った。その結果、レーザー照射されたクラスター媒質中では、クラスターのクーロン爆発電場に加え、背景ガスの圧縮面に形成される電場が背景ガスイオンを加速することを見いだした。また、実験結果とよく似た傾向を示すイオンのエネルギースペクトルが得られた。

In the experiment concerning ion acceleration, composed of CO clusters and background hydrogen gas, conducted at JAEA-KPSI, high energy background hydrogen ions, accelerated up to 1.6 MeV, have been observed. In order to examine the structure dynamics of fields which trigger to the acceleration of background gas ions, we have carried out a series of 2D and 3D numerical simulations using the particle based integrated code, EPIC3D, in the parameter regime relevant to the experiments. The simulation results shows that at the contact surface area, the asymmetric electric field of Coulomb explosion from cluster and the additional electric field from background gas are generated and these electric fields contribute to the acceleration of background gas ions. From energy spectra of ions, the simulation results well support experimental ones.