This paper presents a theoretical and numerical optimization of gamma-quanta sources generated by bremsstrahlung from laser-accelerated electrons in near-critical density plasma. The generation of gamma-quanta is considered across three distinct energy ranges relevant to different applications: 100 keV-1 MeV for radiography, 1–10 MeV for electron–positron pair production, and 10–100 MeV for giant dipole resonance and photonuclear reactions. Using analytical models validated against Geant4 simulations, we investigate the optimal converter material and thickness, as well as electron beam parameters, for two key laser facilities: the PHELIX laser (subpicosecond, intensities up to 1021 W cm−2) and the planned XCELS laser (femtosecond, intensities up to 1023 W cm−2). The optimization considers three complementary figures of merit: the total photon count Nγ, the source size Rγ and the effective brightness Y, with the latter two being critical for applications requiring minimal source size and divergence such as radiography and positron annihilation spectroscopy. Our results provide practical guidance for designing laser-driven gamma-quanta sources tailored to specific applications, demonstrating that near-critical density plasma targets can simultaneously deliver high-charge, high-energy electron beams suitable for efficient gamma-quanta production across all considered energy ranges.
本論文は，近臨界密度プラズマ中でレーザー加速された電子からの制動放射によって生成されるガンマ量子源の理論的および数値的最適化を提示する。ガンマ量子の生成は，異なる応用に関連する三つの異なるエネルギー範囲，すなわち放射線撮影用の100 keV-1 MeV，電子・陽電子対生成用の1–10 MeV，および巨大双極子共鳴と光核反応用の10–100 MeVにわたって考察される。Geant4シミュレーションに対して検証された解析モデルを用いて，二つの主要なレーザー施設，すなわちPHELIXレーザー（サブピコ秒，最大1021 W cm−2の強度）と計画中のXCELSレーザー（フェムト秒，最大1023 W cm−2の強度）について，最適な変換体材料と厚さ，ならびに電子ビームパラメータを調査する。最適化は，全光子数Nγ，源サイズRγ，実効輝度Yという三つの相補的な性能指数を考慮する。後者の二つは，放射線撮影や陽電子消滅分光法など，最小の源サイズと発散を必要とする応用にとって重要である。本研究の結果は，特定の応用に適合したレーザー駆動ガンマ量子源の設計に関する実用的指針を提供し，近臨界密度プラズマ標的が，検討したすべてのエネルギー範囲にわたって効率的なガンマ量子生成に適した高電荷・高エネルギー電子ビームを同時に供給できることを示す。