We present a theoretical study of heavy ion acceleration from ultrathin (20 nm) gold foil irradiated by high-intensity sub-picosecond lasers. Using two-dimensional particle-in-cell simulations, three laser systems are modeled that cover the range between femtosecond and picosecond pulses. By varying the laser pulse duration we observe a transition from radiation pressure acceleration (RPA) to the relativistic induced transparency (RIT) regime for heavy ions akin to light ions. The underlying physics of beam formation and acceleration is similar for light and heavy ions, however, nuances of the acceleration process make the heavy ions more challenging. A more detailed study involving variation of peak laser intensity I0 and pulse duration τFWHM revealed that the transition point from RPA to RIT regime depends on the peak laser intensity on target and occurs for pulse duration The most abundant gold ion and charge-to-mass ratio are Au51+ and q/M ≈ 1/4, respectively, half that of light ions. For ultrathin foils, on the order of one skin depth, we established a linear scaling of the maximum energy per nucleon (E/M)max with (q/M)max, which is more favorable than the quadratic one found previously. The numerical simulations predict heavy ion beams with very attractive properties for applications: high directionality (<10° half-angle), high fluxes (>1011 ions sr−1) and energy (>20 MeV/nucleon) from laser systems delivering >20 J of energy on target.
我々は、高強度サブピコ秒レーザーによって照射された超薄膜（20 nm）金フォイルからの重イオン加速に関する理論的研究を提示する。二次元粒子インセルシミュレーションを用いて、フェムト秒からピコ秒のパルス範囲をカバーする三つのレーザーシステムをモデル化する。レーザーパルス持続時間を変化させることにより、軽イオンと同様に重イオンにおいても、放射圧加速（RPA）から相対論的誘起透明性（RIT）領域への遷移を観察する。ビーム形成と加速の基礎となる物理は軽イオンと重イオンで類似しているが、加速過程の微妙な差異により、重イオンの方がより困難である。ピークレーザー強度I0とパルス持続時間τFWHMの変化を含むより詳細な研究により、RPAからRIT領域への遷移点はターゲット上のピークレーザー強度に依存し、パルス持続時間が特定の値で発生することが明らかになった。最も豊富な金イオンと電荷対質量比はそれぞれAu51+とq/M ≈ 1/4であり、これは軽イオンの半分である。約一つのスキン深さのオーダーである超薄膜に対して、我々は最大エネルギー毎核子 (E/M)max が (q/M)max と線形スケーリングすることを確立した。これは、以前に見出された二次関数的スケーリングよりも有利である。数値シミュレーションは、ターゲットに20 J以上のエネルギーを供給するレーザーシステムから、応用にとって非常に魅力的な特性を持つ重イオンビーム、すなわち高い指向性（半角10°未満）、高いフラックス（10¹¹イオン sr⁻¹以上）、および高いエネルギー（20 MeV/核子以上）を予測する。