The nuclear reactions in a plasma system with particle distributions deviated from the Maxwellian are proved to have some unique characteristics, in particular, in their reaction product energy spectra. Based on this, a new nuclear-reaction-based method for probing the nonthermal ion energy spectrum in high-energy-density (HED) laboratory plasmas is proposed, where the energy spectrum of the nonthermal ion high-energy tails can be accurately evaluated through analysis from the spread and peak of the product energy spectrum. The principle of this diagnostic method is theoretically derived and verified by two-dimensional particle-in-cell simulations that self-consistently includes the nuclear reaction calculations. As an example, our simulations demonstrate clearly how this method is applied for probing the nonthermal high-energy protons produced in the HED magnetic reconnection experiment, where a small ratio of boron element is dopped in the laser-ablated hydrocarbon target and the proton-boron (pB) reaction is chosen as the referenced nuclear reaction. The simulations also show that the pB reaction rate is increased by four orders of magnitude and the peak of the energy spectrum of the generated alpha particles shift significantly towards the high-energy range due to the nonthermal protons accelerated from the reconnections.
マクスウェル分布から逸脱した粒子分布を持つプラズマ系における核反応は、特にその反応生成物のエネルギースペクトルにおいて、いくつかの特有な特性を持つことが証明されている。これに基づき、高エネルギー密度（HED）実験室プラズマ中の非熱的イオンエネルギースペクトルをプローブするための、核反応に基づく新しい方法が提案される。この方法では、生成物のエネルギースペクトルの広がりとピークの解析を通じて、非熱的イオンの高エネルギー尾部のエネルギースペクトルを正確に評価できる。この診断法の原理は理論的に導出され、核反応計算を自己無撞着に含む二次元粒子インセル（particle-in-cell）シミュレーションによって検証される。例として、我々のシミュレーションは、レーザーアブレーションされた炭化水素ターゲットに少量のホウ素元素がドープされ、陽子-ホウ素（pB）反応が参照核反応として選択されるHED磁気リコネクション実験において生成される非熱的高エネルギー陽子をプローブするために、この方法がどのように適用されるかを明確に示す。シミュレーションはまた、pB反応率が4桁増加し、生成されたアルファ粒子のエネルギースペクトルのピークが、リコネクションから加速された非熱的陽子によって高エネルギー領域へと著しくシフトすることも示す。