量子線源への応用を目指した高強度レーザー駆動高温輻射プラズマ形成過程の解明

阐明用于量子束源的高强度激光驱动高温辐射等离子体的形成过程

基本信息

批准号：
22KJ2130
负责人：
杉本馨
金额：
$ 0.64万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

当該年度では当初予定していた通り、高強度レーザーで駆動される非平衡輻射プラズマの形成過程を明らかにするため、既存のＰａｒｔｉｃｌｅ－Ｉｎ－Ｃｅｌｌ（ＰＩＣ）コードＰＩＣＬＳの拡張を行った。具体的には、２つの高エネルギー光子同士が衝突することで電子陽電子対生成が引き起こされる線形Ｂｒｅｉｔ－Ｗｈｅｅｌｅｒ（ＢＷ）過程の数値アルゴリズムをコード内に組み込んだ。線形ＢＷ過程は多量の高エネルギー光子を伴う非平衡輻射プラズマの構造形成の理解には重要な現象であり、実験的な検証が続けられている。本研究は米国カリフォルニア大学サンディエゴ校のＡｒｅｆｉｅｖ准教授の研究グループとの共同研究として展開され、先方の先行研究の結果と照らし合わせながら、ＰＩＣコードを構築した。これによりガンマ線の消滅から陽電子の生成・加速までを自己無撞着にシミュレーションすることが可能となった。拡張したＰＩＣコードを用いて、線形ＢＷ過程の実験検証を念頭に置いた高強度レーザープラズマ相互作用のシミュレーションを行った。ターゲットとして臨界密度程度のカーボンプラズマを想定し、フェムト秒ペタワットレーザー光を照射した。レーザー光が伝搬する際に電子流が駆動されることでプラズマ中に磁場チャネルが自己生成される。この磁場に加速された電子がレーザー進行方向にガンマ線を輻射する。一方でレーザーフロントではレーザー光子圧によって電子とイオンの電荷分離が形成され、準静的縦電場が発生する。この電場によって、電子がレーザー進行方向とは逆向きに加速されその後レーザー光に反跳される。この時、レーザー進行方向とは逆向きに硬Ｘ線が放出される。上記のガンマ線と硬Ｘ線が衝突することで線形ＢＷ過程により陽電子が発生する。陽電子は準静的縦電場から定常的な加速を受けてＧｅＶのエネルギーにまで到達し、発散角が１０度程度の高い指向性を持つことが示された。

如最初计划的，现有的粒子中粒子（PIC）代码PICL在本财政年度进行了扩展，以阐明形成由高强度激光驱动的非平衡辐射等离子体的过程。具体而言，线性BREIT-WHEELER（BW）过程的数值算法，其中两个高能量光子彼此碰撞导致电子对electron Pober aentry的碰撞。线性BW过程对于理解具有大量高能量光子的非平衡辐射等离子体的结构很重要，并且实验验证仍在继续。这项研究是由加州大学圣地亚哥分校副教授Arefiev副教授的联合研究小组开发的，与另一方先前研究的结果相比，PIC代码的构建。这使得可以从伽玛射线的消失到正电子的产生和加速度来模拟自以为是的。扩展的PIC代码用于模拟高强度激光等离子体相互作用，并考虑线性BW过程的实验验证。假设临界密度为靶标的碳等离子体，则辐照飞秒的Petawatt Laser Light。当激光束传播时，电子流将被驱动，并且在等离子体中会自我生成磁场通道。该磁场加速的电子沿激光行进的方向辐射伽马射线。另一方面，在激光前，电子和离子之间的电荷分离是由激光光子压力形成的，形成了准静态纵向电场。该电场将电子沿与激光行进方向相反的方向加速，然后通过激光灯后退。目前，硬X射线朝与激光行程方向相反的方向发射。伽玛射线和硬X射线之间的碰撞导致正上环由线性BW过程产生。正电子从准静态纵向电场进行恒定加速并达到GEV的能量，表明它们具有高方向性，发散角约为10度。