High-quality proton beams generated by laser-plasma interactions are of significant interest for applications ranging from tumor therapy to fast ignition in inertial confinement fusion. However, simultaneously achieving high energy coupling efficiency and beam collimation remains a challenge. In this work, we investigate the enhancement of proton acceleration via geometric confinement in near-critical density (NCD) plasma-filled micro-structured targets using two-dimensional particle-in-cell simulations. To optimize laser-to-particle energy transfer, we systematically compared various target configurations, such as rectangular tubes, hybrid funnels, and straight cones. Our results reveal that the acceleration performance is not governed simply by the overall geometric complexity of the target. Among the tested geometries, the straight-cone and projectile-shaped targets form the leading-performance group, both producing higher cutoff energies and high-energy conversion efficiencies than the rectangular and funnel-shaped targets. Their common advantage is the presence of cone-like confinement near the rear foil, which promotes hot-electron focusing and helps sustain the rear-side sheath field. The straight-cone target shows a modest advantage in cutoff energy and beam-core collimation under the present parameters, reaching a maximum proton cutoff energy of 181.7 MeV and a divergence of approximately at a laser intensity of W cm. This enhancement is attributed to the synergistic effect of relativistic laser self-focusing within the NCD plasma-filled channel and the spatial confinement of hot electrons by the cone-like geometry. Furthermore, we identify a double-peak structure in the temporal evolution of the electron energy, which supports the interpretation of sustained electron refluxing. This refluxing mechanism helps maintain a robust sheath field over an extended duration, contributing to the enhanced acceleration in the leading cone-like geometries. The proposed target concept may provide a useful design principle for generating high-flux, high-energy proton beams suitable for next-generation high-repetition-rate laser facilities.
レーザープラズマ相互作用によって生成される高品質陽子ビームは、腫瘍治療から慣性核融合における高速点火に至るまでの応用にとって大きな関心の対象である。しかしながら、高いエネルギー結合効率とビームのコリメーションを同時に達成することは依然として課題である。本研究では、二次元粒子インセルシミュレーションを用いて、近臨界密度（NCD）プラズマで満たされた微細構造ターゲット内の幾何学的閉じ込めによる陽子加速の向上を調査する。レーザーから粒子へのエネルギー伝達を最適化するために、矩形管、ハイブリッド漏斗、ストレート円錐などの様々なターゲット構成を系統的に比較した。我々の結果は、加速性能がターゲットの全体的な幾何学的複雑さによって単純に支配されるわけではないことを明らかにしている。試験した幾何形状の中で、ストレート円錐および発射体形状のターゲットが最高性能グループを形成し、その両方が矩形および漏斗形状のターゲットよりも高いカットオフエネルギーと高エネルギー変換効率を生み出す。それらの共通の利点は、後面フォイル近傍に円錐状の閉じ込めが存在することであり、これが高温電子の集束を促進し、後面シース場の維持を助ける。ストレート円錐ターゲットは、現在のパラメータの下でカットオフエネルギーとビームコアのコリメーションにおいて適度な優位性を示し、最大陽子カットオフエネルギー181.7 MeVと、レーザー強度 W cm における約 のダイバージェンスに達する。この向上は、NCDプラズマで満たされたチャネル内の相対論的レーザー自己集束と、円錐状の幾何形状による高温電子の空間的閉じ込めの相乗効果に起因する。さらに、電子エネルギーの時間発展において二重ピーク構造を特定し、これは持続的な電子リフラックスの解釈を支持する。このリフラックス機構は、長期間にわたって堅牢なシース場を維持するのに役立ち、主要な円錐状幾何形状における加速の向上に寄与する。提案するターゲット概念は、次世代の高繰り返し率レーザー施設に適した高フラックス、高エネルギー陽子ビームを生成するための有用な設計原理を提供する可能性がある。