To increase the fluence and maximum energy of laser-driven proton beams in view of potential applications such as isochoric heating of dense material or isotope production, it has been proposed to attach a helical coil normally to the rear side of the irradiated target. By driving the target discharge current pulse through the coil, this scheme allows a fraction of the proton beam to be selected in energy and to be focused and further accelerated. The previously published results are extended to higher laser pulse energies and longer coils. This leads to an increased number of guided protons and the generation of several proton bunches. Large scale particle-in-cell simulations with realistic boundary conditions reproduce well the experimental results. A detailed analysis of the numerical simulations and an analytical model demonstrate that the current propagation along a helical wire differs from the one of a linear or folded wire. In a helical wire, the current pulse is subject to velocity dispersion, which results in progressive modification of its spatial profile, and so in proton bunch trapping and focusing.
レーザー駆動陽子ビームのフルエンスと最大エネルギーを、高密度物質の等容加熱や同位体生成などの潜在的应用に向けて増大させるために、照射ターゲットの後面にヘリカルコイルを垂直に取り付けることが提案されている。ターゲットの放電電流パルスをコイルに通すことにより、この方式では陽子ビームの一部をエネルギー選択し、集束させ、さらに加速することが可能となる。既報の結果は、より高いレーザーパルスエネルギーとより長いコイルに対して拡張された。これにより、ガイドされる陽子の数が増加し、複数の陽子バンチが生成される。現実的な境界条件を用いた大規模パーティクルインセルシミュレーションは、実験結果を良好に再現する。数値シミュレーションの詳細な解析と解析モデルは、ヘリカルコイルに沿った電流伝播が直線状または折り返し状のワイヤの場合とは異なることを示している。ヘリカルコイル内では、電流パルスは速度分散の影響を受け、その結果、空間プロファイルが徐々に変化し、陽子バンチの捕捉と集束が生じる。