Projection images of a metal mesh produced by directional MeV electron beam together with directional proton beam, emitted simultaneously from a thin foil target irradiated by an ultrashort intense laser, are recorded on an imaging plate for the electron imaging and on a CR-39 nuclear track detector for the proton imaging. The directional electron beam means the portion of the electron beam which is emitted along the same direction (i.e., target normal direction) as the proton beam. The mesh patterns are projected to each detector by the electron beam and the proton beam originated from tiny virtual sources of ~20 µm and ~10 µm diameters, respectively. Based on the observed quality and magnification of the projection images, we estimate sizes and locations of the virtual sources for both beams and characterize their directionalities. To carry out physical interpretation of the directional electron beam qualitatively, we perform 2D particle-in-cell simulation which reproduces a directional escaping electron component, together with a non-directional dragged-back electron component, the latter mainly contributes to building a sheath electric field for proton acceleration. The experimental and simulation results reveal various possible applications of the simultaneous, synchronized electron and proton sources to radiography and pump-probe measurements with temporal resolution of ~ps and spatial resolution of a few tens of µm.
超短パルス高強度レーザーによって照射された薄膜ターゲットから同時に放出される指向性MeV電子ビームと指向性陽子ビームによって生成される金属メッシュの投影画像が、電子イメージング用のイメージングプレートと陽子イメージング用のCR-39核飛跡検出器に記録される。指向性電子ビームとは、陽子ビームと同じ方向（すなわちターゲット法線方向）に放出される電子ビームの部分を意味する。メッシュパターンは、それぞれ約20 µmおよび約10 µmの直径を持つ微小な仮想源から発生した電子ビームと陽子ビームによって各検出器に投影される。観測された投影画像の品質と倍率に基づいて、両ビームの仮想源のサイズと位置を推定し、それらの指向性を特徴付ける。指向性電子ビームの物理的解釈を定性的に行うために、2次元粒子セルシミュレーションを実行し、これは指向性のある逃散電子成分と、非指向性の引き戻し電子成分を再現し、後者は主に陽子加速のためのシース電場の形成に寄与する。実験結果とシミュレーション結果は、時間分解能約psおよび空間分解能数十µmを有するラジオグラフィーおよびポンプ・プローブ測定への、同時かつ同期した電子源と陽子源の様々な応用可能性を明らかにする。