High-quality protons have many potential applications in tumor therapy, proton radiography, fast ignition and nuclear physics. Over recent decades, significant progress has been made in generating such proton beams with lasers. However, it is still challenging to achieve a compact proton beam with an energy of hundreds of MeV under the laser intensities currently available. Here, we propose a novel scheme to produce above-100 MeV protons in nonuniform near-critical-density (NCD) plasmas driven by a Laguerre–Gaussian (LG) laser pulse. When a linearly-polarized LG laser pulse with the intensity of ∼1020 W cm−2 enters the NCD plasmas with a trapezoidal density profile, a donut-like double-channel structure with an electron column on the axis is produced behind the laser pulse, together with a unique, strong magnetic field. At the end of the density plateau, the magnetic field begins to expand in both longitudinal and transverse directions. The magnetic pressure force displaces the electrons with regard to the protons, resulting in a quasi-static electric field . This electrostatic field can remain robust and be sustaintained for a long time since the magnetic field decreases very slowly, i.e. . Thus, the protons can be accelerated by the longitudinal electrostatic field and confined by the generated transverse focusing field. Three dimensional particle-in-cell simulations confirmed that a well-defined above-100 MeV proton beam with a cut-off energy at least 3.5 times larger than that of the normal Gaussian laser could be obtained, making the proton beams a potential source for tumor therapy in the future.
高品質陽子は、腫瘍治療、陽子ラジオグラフィー、高速点火、核物理学において多くの潜在的な応用可能性を有する。ここ数十年で、レーザーを用いたこのような陽子ビームの生成において大きな進歩が見られた。しかしながら、現在利用可能なレーザー強度の下で、数百MeVのエネルギーを持つコンパクトな陽子ビームを実現することは依然として困難である。本論文では、ラゲール・ガウス（LG）レーザーパルスによって駆動される非一様な臨界密度近傍（NCD）プラズマ中で、100MeVを超える陽子を生成する新しいスキームを提案する。強度が約10²⁰ W·cm⁻²の直線偏光LGレーザーパルスが、台形密度分布を持つNCDプラズマに入射すると、レーザーパルス後方に、軸上に電子カラムを伴うドーナツ状の二重チャネル構造が生成され、それと同時に、独特の強磁場も形成される。密度プラトー領域の終端において、この磁場は縦方向と横方向の両方に膨張し始める。磁気圧力により電子が陽子に対して変位し、その結果、準静電場が生じる。この静電場は、磁場の減衰が非常に遅いため、長期間にわたって維持され得る。これにより、陽子は縦方向の静電場によって加速され、生成された横方向の収束場によって閉じ込められる。三次元粒子インセル（PIC）シミュレーションにより、通常のガウスレーザーを用いた場合と比較して、遮断エネルギーが少なくとも3.5倍高い、明確に定義された100MeVを超える陽子ビームが得られることが確認された。これにより、将来の腫瘍治療における陽子ビームの潜在的な線源としての可能性が示される。