As a new laser-driven ion acceleration technique, we proposed a way to produce impurity-free, highly reproducible, and robust proton beams exceeding 100 MeV using a Coulomb explosion of micron-size hydrogen clusters. In this study, micron-size hydrogen clusters were generated by expanding the cooled high-pressure hydrogen gas into a vacuum via a conical nozzle connected to a solenoid valve cooled by a mechanical cryostat. The size distributions of the hydrogen clusters were evaluated by measuring the angular distribution of laser light scattered from the clusters. The data were analyzed mathematically based on the Mie scattering theory combined with the Tikhonov regularization method. The maximum size of the hydrogen cluster at 25 K and 6 MPa in the stagnation state was recognized to be 2.15 ± 0.10 μm. The mean cluster size decreased with increasing temperature, and was found to be much larger than that given by Hagena's formula. This discrepancy suggests that the micron-size hydrogen clusters were formed by the atomization (spallation) of the liquid or supercritical fluid phase of hydrogen. In addition, the density profiles of the gas phase were evaluated for 25 to 80 K at 6 MPa using a Nomarski interferometer. Based on the measurement results and the equation of state for hydrogen, the cluster mass fraction was obtained. 3D particles-in-cell (PIC) simulations concerning the interaction processes of micron-size hydrogen clusters with high power laser pulses predicted the generation of protons exceeding 100 MeV and accelerating in a laser propagation direction via an anisotropic Coulomb explosion mechanism, thus demonstrating a future candidate in laser-driven proton sources for upcoming multi-petawatt lasers.
新たなレーザー駆動イオン加速技術として、我々はミクロンサイズの水素クラスターのクーロン爆発を用いて、100 MeVを超える不純物を含まない、再現性の高い、堅牢な陽子ビームを生成する方法を提案した。本研究では、極低温高圧水素ガスを、極低温機械式冷凍機に接続されたソレノイドバルブを介して円錐ノズルから真空中に膨張させることにより、ミクロンサイズの水素クラスターを生成した。水素クラスターのサイズ分布は、クラスターからのレーザー光散乱の角度分布を測定することにより評価した。データは、ティホノフ正則化法と組み合わせたミー散乱理論に基づいて数学的に解析した。よどみ状態における25 K、6 MPaでの水素クラスターの最大サイズは2.15 ± 0.10 μmと確認された。平均クラスターサイズは温度の上昇とともに減少し、ハーゲナの式から予測される値よりもはるかに大きいことが判明した。この不一致は、ミクロンサイズの水素クラスターが、液体または超臨界流体状態の水素の微粒化（スプレー化）によって形成されたことを示唆している。さらに、ノマルスキー干渉計を用いて、6 MPa、25〜80 Kにおけるガス相の密度分布を評価した。測定結果と水素の状態方程式に基づき、クラスター質量分率を求めた。ミクロンサイズの水素クラスターと高出力レーザーパルスとの相互作用過程に関する3次元粒子インセル（PIC）シミュレーションにより、異方性クーロン爆発機構を介してレーザー伝播方向に加速される100 MeVを超える陽子の生成が予測され、これにより今後のペタワット級レーザーにおけるレーザー駆動陽子源の有力な候補として実証された。