The investigation of superintense laser-driven ion sources and their potential applications offers unique opportunities for multidisciplinary research. Plasma physics can be combined with materials and nuclear science, radiation detection and advanced laser technology, leading to novel research challenges of great fundamental and applicative interest. In this paper we present interesting and comprehensive results on nanostructured low density (near-critical) foam targets for TW and PW-class lasers, obtained in the framework of the European Research Council ENSURE project. Numerical simulations and experimental activities carried out at 100 s TW and PW-class laser facilities have shown that targets consisting of a solid foil coated with a nanostructured low-density (near-critical) foam can lead to an enhancement of the ion acceleration process. This stimulated a thorough numerical investigation of superintense laser-interaction with nanostructured near-critical plasmas. Thanks to a deep understanding of the foam growth process via the pulsed laser deposition technique and to the complementary capabilities of high-power impulse magnetron sputtering, advanced multi-layer targets based on near-critical films with carefully controlled properties (e.g. density gradients over few microns length scales) can now be manufactured, with applications outreaching the field of laser-driven ion acceleration. Additionally, comprehensive numerical and theoretical work has allowed the design of dedicated experiments and a realistic table-top apparatus for laser-driven materials irradiation, ion beam analysis and neutron generation, that exploit a double-layer target to reduce the requirements for the laser system.
超強力レーザー駆動イオン源とその潜在的応用に関する研究は、学際的な研究に独自の機会を提供する。プラズマ物理学は、材料科学、核科学、放射線検出、先端レーザー技術と組み合わせることで、基礎的および応用的に大きな関心を集める新規な研究課題へとつながる。本論文では、欧州研究会議（ERC）のENSUREプロジェクトの枠組みで得られた、TW級およびPW級レーザーのためのナノ構造低密度（臨界密度近傍）フォームターゲットに関する興味深く包括的な結果を紹介する。100 TW級およびPW級レーザー施設で実施された数値シミュレーションと実験により、固体薄膜をナノ構造低密度（臨界密度近傍）フォームで被覆したターゲットが、イオン加速プロセスの強化につながることが示された。これにより、ナノ構造臨界密度近傍プラズマと超強力レーザーとの相互作用に関する徹底的な数値的調査が促進された。パルスレーザー堆積法によるフォーム成長プロセスの深い理解と、高周波マグネトロンスパッタリングの相補的な能力により、数ミクロンスケールの密度勾配など、特性を精密に制御した臨界密度近傍薄膜に基づく高度な多層ターゲットの作製が可能となり、その応用はレーザー駆動イオン加速の分野を超えて広がっている。さらに、包括的な数値的・理論的研究により、専用実験の設計と、レーザー駆動材料照射、イオンビーム分析、中性子生成のための現実的な卓上型装置の設計が可能となり、二層ターゲットを利用することでレーザーシステムへの要求を低減している。