Intense research is being conducted into sources of laser-accelerated ions and their application. Particular attention is now given to the low-density regime of laser ion acceleration. In this regime, volume effects are expected to dominate, while for solid foils, ion acceleration is directly related to the electron surface density and the number of accelerated ions is limited. Simulations therefore show that it is possible to reach high ion energies with a high number of accelerated ions and a high conversion efficiency. This scheme also leads to less debris than solid foils and is more adapted to high repetition lasers. Due to the difficulty in generating short and dense gas jets experimentally, we have decided to study this regime using very thin foils exploded by a longer, lower intensity pulse. As this regime scales well with laser energy, experiments were recently performed with a high laser energy (∼180 J) on the LLNL Titan laser. A secondary long pulse laser was used to control the density profile of the target. Preliminary analysis suggests that, in this high-energy regime, protons of high energies and with good beam quality were obtained when exploding the foil. We present new simulation results exploring the laser ion acceleration mechanism in laser and plasma conditions close to those of these experiments. These results demonstrate that low-density targets are a promising candidate for an efficient proton source. This source can be optimized by choosing appropriate plasma conditions.
レーザー加速イオンの源とその応用に関する研究が盛んに行われている。現在特に注目されているのは、レーザーイオン加速における低密度領域である。この領域では体積効果が支配的になると期待され、一方で固体フォイルでは、イオン加速は電子の表面密度に直接関連し、加速されるイオンの数は限られる。シミュレーションにより、高エネルギー・高粒子数のイオンを高変換効率で得ることが可能であることが示されている。この方式は、固体フォイルに比べてデブリが少なく、高繰り返しレーザーへの適合性も高い。しかし、短く高密度のガスジェットを実験的に生成することは困難であるため、我々はより長いパルスで低強度のレーザーを用いて非常に薄いフォイルを爆発させることで、この領域の研究を行うことにした。この方式はレーザーエネルギーに対して良好なスケーリングを示すことから、LLNL Titanレーザーを用いて高エネルギー（約180 J）の実験が最近実施された。この実験では、二次的な長パルスレーザーを用いてターゲットの密度プロファイルを制御した。予備的な解析により、この高エネルギー領域において、フォイルの爆発によって高エネルギーで良質な陽子ビームが得られることが示唆されている。我々は、これらの実験に近いレーザーおよびプラズマ条件におけるレーザーイオン加速機構を探求する新しいシミュレーション結果を提示する。これらの結果は、低密度ターゲットが効率的な陽子源として有望であることを実証している。この源は、適切なプラズマ条件を選択することによって最適化が可能である。