The acceleration of intense proton and ion beams by ultra-intense lasers has matured to a point where applications in basic research and technology are being developed. Crucial for harvesting the unmatched beam parameters driven by the relativistic electron sheath is the precise control of the beam. In this paper we report on recent experiments using the PHELIX laser at GSI, the VULCAN laser at RAL and the TRIDENT laser at LANL to control and use laser accelerated proton beams for applications in high energy density research. We demonstrate efficient collimation of the proton beam using high field pulsed solenoid magnets, a prerequisite to capture and transport the beam for applications. Furthermore, we report on two campaigns to use intense, short proton bunches to isochorically heat solid targets up to the warm dense matter state. The temporal profile of the proton beam allows for rapid heating of the target, much faster than the hydrodynamic response time thereby creating a strongly coupled plasma at solid density. The target parameters are then probed by x-ray Thomson scattering to reveal the density and temperature of the heated volume. This combination of two powerful techniques developed during the past few years allows for the generation and investigation of macroscopic samples of matter in states present in giant planets or the interior of the earth.
超強力レーザーによる高強度陽子・イオンビームの加速は、基礎研究および技術における応用が開発される段階にまで成熟している。相対論的電子シースによって駆動される比類のないビームパラメータを利用する上で極めて重要なのは、ビームの精密な制御である。本論文では、GSIのPHELIXレーザー、RALのVULCANレーザー、LANLのTRIDENTレーザーを用いた最近の実験について報告し、高エネルギー密度研究への応用のためのレーザー加速陽子ビームの制御と利用について述べる。我々は、高磁場パルスソレノイド磁石を用いた陽子ビームの効率的なコリメーションを実証する。これは、応用に向けてビームを捕捉し輸送するための前提条件である。さらに、強力で短い陽子バンチを用いて固体ターゲットを暖かく高密度な物質状態まで等容加熱する2つのキャンペーンについて報告する。陽子バンチの時間プロファイルにより、流体力学的応答時間よりもはるかに速いターゲットの急速加熱が可能となり、固体密度における強結合プラズマが生成される。その後、ターゲットのパラメータはX線トムソン散乱によってプローブされ、加熱された体積の密度と温度が明らかにされる。過去数年にわたって開発されたこれら2つの強力な技術の組み合わせにより、巨大惑星や地球内部に存在する状態の巨視的な物質サンプルの生成と調査が可能となる。