Inertial confinement fusion (ICF) is currently one of the two main paths towards an energy source based on thermonuclear fusion. A promising ICF option is ion fast ignition (IFI), in which the ignition of nuclear fuel is initiated by an intense laser-driven ion beam. This paper presents the results of systematic numerical (particle-in-cell) studies of the properties of laser-driven carbon ion beams produced under conditions relevant for IFI, and the feasibility of achieving beam parameters required for fuel ignition is discussed. It was found that a 1 ps 200 kJ infrared laser driver is capable of producing ion beams with parameters required for IFI, even with a simple non-optimised target, but only at small distances (⩽0.1 mm) from the target. At such distances, the beam intensity and fluence exceeds 5 × 1021 W cm−2 and 2 GJ cm−2, respectively, while the beam energy approaches 30 kJ. The ion beam parameters can be significantly improved by carefully selecting the target thickness and shape. However, even with an optimised target, achieving the beam parameters required for IFI is possible only at distances from the target below 0.5 mm. The ion acceleration is accompanied by the emission of powerful (⩾50 PW) pulses of short-wavelength synchrotron radiation which are the source of significant ion energy losses and may pose a threat to the fusion infrastructure. In addition to ICF, the extremely intense ion beams demonstrated in the paper can be a unique research tool for research in nuclear physics, high energy-density physics or materials science.
慣性核融合（ICF）は、現在、熱核融合に基づくエネルギー源への2つの主要な経路の1つである。有望なICF方式の1つがイオン高速点火（IFI）であり、核融合燃料の点火が強力なレーザー駆動イオンビームによって開始される。本論文では、IFIに適した条件下でレーザー駆動炭素イオンビームの特性を系統的な数値（粒子インセル）シミュレーションにより調べた結果と、燃料点火に必要なビームパラメータを達成できる可能性について述べる。その結果、1 ps、200 kJの赤外線レーザードライバーは、単純な非最適化ターゲットであっても、ターゲットから短距離（≤0.1 mm）の範囲内でIFIに必要なパラメータを持つイオンビームを生成できることが判明した。この距離では、ビーム強度とフルエンスはそれぞれ5 × 10²¹ W cm⁻²および2 GJ cm⁻²を超え、ビームエネルギーは30 kJに近づく。ターゲットの厚さと形状を注意深く選択することで、イオンビームのパラメータを大幅に改善できる。しかし、最適化されたターゲットを用いても、IFIに必要なビームパラメータの達成はターゲットから0.5 mm未満の距離に限られる。イオン加速に伴い、短波長シンクロトロン放射の強力な（≥50 PW）パルスが発生し、これがイオンエネルギーの大きな損失源となり、核融合インフラストラクチャに脅威を与える可能性がある。ICFに加えて、本論文で実証された極めて強力なイオンビームは、核物理学、高エネルギー密度物理学、または材料科学における研究のための独自のツールとなり得る。