The effects of a short plasma density scale length on laser-driven proton acceleration from foil targets is investigated by heating and driving expansion of a large area of the target rear surface. The maximum proton energy, proton flux and the divergence of the proton beam are all measured to decrease with increasing extent of the plasma expansion. Even for a small plasma scale length of the order of the laser wavelength (∼1 µm), a significant effect on the generated proton beam is evident; a substantial decrease in the number of protons over a wide spectral range is measured. A combination of radiation-hydrodynamic and particle-in-cell simulations provide insight into the underlying physics. The results provide new understanding of the importance of even a small plasma density gradient, with implications for applications that require efficient laser energy conversion to ions, such as proton-driven fast-ignition of compressed fusion fuel.
短いプラズマ密度スケール長が、フォイルターゲットからのレーザー駆動陽子加速に及ぼす影響を、ターゲット背面の広い領域を加熱・膨張させることによって調査した。最大陽子エネルギー、陽子フラックス、および陽子ビームの発散は、すべてプラズマ膨張の程度が増すにつれて減少することが測定された。レーザー波長程度（約1 µm）の小さなプラズマスケール長であっても、生成される陽子ビームに有意な影響が及ぶことが明らかであり、広いスペクトル範囲にわたって陽子数の顕著な減少が測定された。放射流体力学シミュレーションと粒子インセルシミュレーションの組み合わせにより、その背後にある物理の洞察が得られた。これらの結果は、圧縮された核融合燃料の陽子駆動高速点火など、レーザーエネルギーからイオンへの効率的な変換を必要とする応用にとって、小さなプラズマ密度勾配の重要性に関する新たな理解をもたらすものである。