Herein, we propose a scheme based on collision-less shock acceleration (CSA) involving the use of composite targets comprising a micro-structured foil and a pre-polarized gas for obtaining high-energy polarized proton beams. Femtosecond laser pulses irradiate a microwire-array (MWA) target and efficiently heat the dense plasma, which moves toward the dilute plasma. Shocks are then introduced in the pre-polarized gas to accelerate upstream spin-polarized protons to relativistic velocities. Based on particle-in-cell simulations with added spin dynamics, protons with energies of 30–300 MeV are produced, and the polarization rate of protons in the high-energy region exceeds 90%. The simulations demonstrate an evident increase in the temperature and number of hot electrons owing to the presence of MWA structures, which increase both the longitudinal electric field strength associated with the shock and the energy of the reflected protons. During CSA, the bipolar magnetic field driven by hot-electron currents demonstrates a weak effect on the polarization level of the accelerated protons, resulting in a high polarization rate. The relationship between the energy of the polarized proton beam and the hot-electron temperature enables an optimization of the micro-structured target and other target components to enhance proton quality via the CSA process.
本稿では、高エネルギー偏極陽子ビームを得るための、微細構造フォイルと予備偏極ガスからなる複合ターゲットを用いた無衝突衝撃波加速（CSA）に基づくスキームを提案する。フェムト秒レーザーパルスがマイクロワイヤーアレイ（MWA）ターゲットを照射し、高密度プラズマを効率的に加熱して、低密度プラズマに向かって移動する。その後、予備偏極ガス中に衝撃波が導入され、上流のスピン偏極陽子を相対論的速度まで加速する。スピン動力学を組み込んだ粒子セルシミュレーションにより、30〜300 MeVの陽子が生成され、高エネルギー領域における陽子の偏極率は90%を超えることが示された。シミュレーションは、MWA構造の存在により、衝撃波に伴う縦方向電場強度と反射陽子のエネルギーが増大し、高温電子の温度と数が顕著に増加することを実証している。CSA中において、高温電子電流によって駆動される双極子磁場は、加速された陽子の偏極率に対して弱い影響しか及ぼさず、その結果、高い偏極率が維持される。偏極陽子ビームのエネルギーと高温電子温度の関係は、CSAプロセスによる陽子品質向上のための微細構造ターゲットおよびその他のターゲット構成要素の最適化を可能にする。