Two-dimensional particle-in-cell simulations are used to explore laser-driven collisionless shock acceleration of ions in a multi-species plasma. Simple plasma slab simulations consisting of electrons, protons, and fully ionized carbon are used, varying the carbon ionization state, the relative fraction of ions, and the ratio of downstream to upstream plasma density. We find that two shocks can simultaneously propagate with different velocities defined by the dominant ion species reflected by each shock. The appearance of two shocks allows for ions to be accelerated twice, but can also cause trapping and heating of ions. We modify the current collisionless electrostatic shock theory where ions are treated as a single fluid to include a second ion fluid. This fluid model is unable to calculate the Mach number at which both ions will reflect, therefore we propose a kinetic model that may better model multi-species shocks. Scans are also performed in simulations with a laser pulse and realistic density profile that show reduced proton peak energies with the inclusion of carbon ions. Double shocks are only seen in simulations with steep density profiles, demonstrating the experimental importance of tailored density profiles.
二次元粒子インセルシミュレーションを用いて、多種イオンを含むプラズマにおけるレーザー駆動無衝突衝撃波によるイオン加速を探求する。電子、陽子、および完全電離炭素からなる単純なプラズマスラブシミュレーションを用いて、炭素の電離状態、イオンの相対的な割合、および下流と上流のプラズマ密度比を変化させる。2つの衝撃波が同時に伝播し得ることが見出され、それぞれの速度は各衝撃波によって反射される主要なイオン種によって決定される。2つの衝撃波の出現により、イオンは2回加速され得るが、イオンの捕捉と加熱も引き起こし得る。現在の無衝突静電衝撃波理論を、イオンを単一の流体として扱うものから、第二のイオン流体を含むように修正する。この流体モデルでは、両方のイオン種が反射されるマッハ数を計算することはできないため、多種イオン衝撃波をより適切にモデル化できる運動論モデルを提案する。また、レーザーパルスと現実的な密度プロファイルを用いたシミュレーションでもスキャンが実行され、炭素イオンの存在により陽子のピークエネルギーが低下することが示される。二重衝撃波は急峻な密度プロファイルを持つシミュレーションでのみ観察され、調整された密度プロファイルの実験的重要性を実証している。