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。

在本财年，按照原计划，我们扩展了现有的粒子在细胞（PIC）代码PICLS，以阐明高强度激光驱动的非平衡辐射等离子体的形成过程。具体来说，该代码结合了线性 Breit-Wheeler (BW) 过程的数值算法，在该过程中两个高能光子碰撞生成电子-正电子对。线性BW过程是理解大量高能光子非平衡辐射等离子体结构形成的重要现象，实验验证仍在继续。这项研究是与美国加州大学圣地亚哥分校副教授 Arefiev 的研究小组合作进行的，通过比较该合作伙伴之前的研究结果构建了 PIC 代码。这使得自洽地模拟从伽马射线湮灭到正电子的产生和加速的一切成为可能。使用扩展的 PIC 代码，我们对高强度激光-等离子体相互作用进行了模拟，着眼于线性 BW 过程的实验验证。我们假设具有临界密度的碳等离子体作为目标，并用飞秒拍瓦激光照射它。当激光束传播时，通过驱动电子流，在等离子体中自生成磁场通道。被该磁场加速的电子沿激光传播的方向辐射伽马射线。另一方面，在激光前沿，电子和离子之间的电荷分离是由激光光子压力形成的，产生准静态纵向电场。该电场沿与激光行进方向相反的方向加速电子，然后它们被激光束反弹。此时，向与激光行进方向相反的方向发射硬X射线。当伽马射线和硬 X 射线碰撞时，通过线性 BW 过程产生正电子。结果表明，正电子通过准静态纵向电场的恒定加速达到GeV能量，并且具有发散角约10度的高方向性。