This paper reports on a systematic investigation of the ultrashort pulse laser driven acceleration of protons from thin targets of finite size, so-called reduced mass targets (RMTs). Reproducible series of targets, manufactured with lithographic techniques, and varying in size, thickness, and mounting geometry, were irradiated with ultrashort (30 fs) laser pulses of intensities of about 8 × 1020 W cm−2. A robust maximum energy enhancement of almost a factor of two was found when comparing gold RMTs to reference irradiations of plain gold foils of the same thickness. Furthermore, a change of the thickness of these targets has less influence on the measured maximum proton energy when compared to standard foils, which, based on detailed particle-in-cell simulations, can be explained by the influence of the RMT geometry on the electron sheath. The performance gain was, however, restricted to lateral target sizes of greater than 50 µm, which can be attributed to edge and mounting structure influences.
本論文は、有限サイズの薄いターゲット、いわゆる低質量ターゲット（RMT）からの超短パルスレーザー駆動陽子加速に関する系統的調査について報告する。リソグラフィ技術を用いて作製され、サイズ、厚さ、およびマウント形状が異なる再現性のある一連のターゲットに対し、強度約8×10²⁰ W cm⁻²の超短パルス（30 fs）レーザーを照射した。同じ厚さの標準的な平面金フォイルへの参照照射と比較したところ、金RMTでは最大陽子エネルギーがほぼ2倍に向上するという顕著な結果が得られた。さらに、RMTの厚さの変化は、標準フォイルの場合と比較して、測定された最大陽子エネルギーへの影響が小さいことが明らかになった。これは、詳細な粒子インセルシミュレーションに基づき、RMTの幾何学的形状が電子シースに及ぼす影響によって説明できる。しかしながら、このエネルギー向上効果は、横方向サイズが50 μmを超えるターゲットに限定され、それ以下のサイズでは、エッジ効果やマウント構造の影響に帰属される制約が観測された。