High-current fast electrons at the mega-ampere level provide a unique way to generate high-energy density states of matter, which are related to many applications. However, the large divergence angle of fast electrons typically over 50 degrees is a significant disadvantage. The guiding effect of the self-generated azimuthal magnetic fields on fast electron current is found to be very limited due to the cone-shaped spatial structure of the fields. In this work, we present a new understanding of the collimation conditions of fast electrons under such a magnetic field structure. It is shown that the transverse peak position of the magnetic field layer plays a more crucial role in collimating the fast electrons than its magnitude. Based upon this, a new two-pulse collimating scheme is proposed, where a guiding precursor pulse is adopted to form proper azimuthal magnetic fields and the main pulse is for fast electron generation as usual. The present scheme can be implemented relatively easily with the precursor lasers at the 10 TW level with a duration of 200 femtoseconds, with which the divergence angle of fast electrons driven by the main pulse can be confined within a few degrees. Practical applications of our scheme can be found in high-energy density science.
メガアンペアレベルの高速電子は、高エネルギー密度状態を生成する独自の方法を提供し、これは多くの応用に関連している。しかし、典型的には50度を超える高速電子の大きな発散角は、重大な欠点である。自己生成された方位角磁場による高速電子電流のガイド効果は、磁場の円錐状の空間構造により非常に限られていることがわかった。本研究では、このような磁場構造の下での高速電子のコリメーション条件に関する新しい理解を提示する。磁場の横方向のピーク位置が、その大きさよりも高速電子のコリメーションにおいてより重要な役割を果たすことが示される。これに基づき、新しい2パルスコリメーション方式が提案される。ここでは、ガイド用の先行パルスが適切な方位角磁場を形成するために採用され、主パルスは通常通り高速電子生成に用いられる。本方式は、持続時間200フェムト秒の10テラワットレベルの先行レーザーを用いて比較的容易に実装でき、主パルスによって駆動される高速電子の発散角を数度以内に収束させることができる。本方式の実用的な応用は、高エネルギー密度科学に見出される。