Heavy-ion beams, each with current in the kiloampere range and particle energy in the giga-electronvolt range, must be focused onto a millimetre-size spot to provide the power required for ignition of high-gain targets for inertial confinement fusion. However, the focal spot size is always enlarged by chromatic aberration generated by the thermal spread of the beam ions in the direction of beam propagation. Enlarged focal spot degrades the target performance. For high-current beams, the conventional remedy for chromatic aberration using sextupole magnets has been shown to be ineffective. If novel correction schemes can be found, then the spot size can be reduced to below that previously believed possible. Smaller spots can mean lower energy targets so that the heavy-ion fusion (HIF) scenario can look more attractive. Success in laser cooling of ion beams in storage rings has inspired us to explore the feasibility of applying laser cooling for HIF, and the recirculator configuration proposed for HIF appears to be well suited for this purpose. However, using particle-in-cell simulations and theoretical arguments, we demonstrate in this paper that although laser cooling of heavy-ion beams is feasible in principle, the rapid velocity-space diffusion of ions in the bump-in-tail distribution, set up by the cooling lasers, limits the velocity-space compressibility of the thermal spread along the beam. Consequently, laser cooling is impractical for high-current, heavy-ion beams for the proposed recirculator configuration. Nevertheless, if the recirculator architecture or the target requirement can reduce the beam current, then the cooling scheme described here would be useful. This scheme may also be applicable to the RF linac and storage ring approach to HIF.
慣性核融合による高利得ターゲットの点火に必要なパワーを供給するために、それぞれキロアンペア領域の電流とギガ電子ボルト領域の粒子エネルギーを持つ重イオンビームは、ミリメートルサイズのスポットに集束されなければならない。しかしながら、焦点スポットサイズは、ビーム伝播方向におけるビームイオンの熱的広がりによって生じる色収差によって常に拡大される。拡大された焦点スポットは、ターゲット性能を低下させる。高電流ビームに対しては、六極磁石を用いた色収差に対する従来の対策は効果がないことが示されている。もし新規の補正方式が見出されれば、スポットサイズは従来可能と考えられていた値以下に縮小できる。より小さなスポットはより低エネルギーのターゲットを意味し得るため、重イオン核融合（HIF）シナリオはより魅力的に見える可能性がある。蓄積リングにおけるイオンビームのレーザー冷却の成功は、HIFへのレーザー冷却の適用可能性を探求する動機を与えており、HIFに対して提案されているリサーキュレーター構成は、この目的に非常に適していると思われる。しかしながら、本論文では、粒子セルシミュレーションと理論的議論を用いて、重イオンビームのレーザー冷却が原理的には実現可能であるものの、冷却レーザーによって形成されるバンプ・オン・テール分布におけるイオンの急速な速度空間拡散が、ビームに沿った熱的広がりの速度空間における圧縮性を制限することを実証する。結果として、提案されたリサーキュレーター構成に対して、レーザー冷却は高電流の重イオンビームには非現実的である。それにもかかわらず、もしリサーキュレーターのアーキテクチャまたはターゲット要件がビーム電流を低減できるならば、ここで説明した冷却方式は有用となるだろう。この方式は、HIFに対するRFリニアックおよび蓄積リングアプローチにも適用可能である可能性がある。