Ultrafast proton radiography of the magnetic fields generated by a laser-driven coil current

技術要約：レーザー駆動コイルによって生成される磁場の超高速プロトン・ラディグラフィ

問題と動機
レーザー駆動の高エネルギー密度（HED）系において、磁場は自然発生的に生成されることがあるが、制御された強力な外部磁場源を作成する能力は、基礎および応用HED科学に新たな機会をもたらす。潜在的な応用例としては、実験室における磁気リコネクション幾何学の作成、融合収率向上のためのHEDプラズマの磁化、ファスト・イグニッションにおけるホット電子の誘導、ならびに陽電子および電子のコリメーションなどが挙げられる。このような磁場を生成するための主要な手法の一つは、高エネルギーレーザーで金属コイルターゲットを照射することである。しかし、これらの磁場のこれまでの測定は、磁気ピックアッププローブまたは光学偏光法に依存してきた。これらの診断技術は、静電的なピックアップによる汚染や光学ビームの臨界密度制約によって制限されており、多くの場合、コイル中心から数ミリメートルの距離での測定に限定される。その結果、コイル近傍の磁場強度は真空モデルを用いて推測されてきたが、これは蓄積された全磁気エネルギーを過大評価することにつながる可能性がある。本論文は、コイルソースの近くにおける磁場の直接的かつ空間分解能を持った測定の必要性に対処するものである。

手法
実験は、Laboratory for the Laser EnergeticsにおけるOMEGA EPレーザーシステムを用いて行われた。ターゲットは、600 µmの間隔で配置された2枚の平行な銅（Cu）箔（厚さ50 µm、1.5 mm × 1.5 mm）と、それらを接続する50 µm × 50 µmの断面積を持つU字型銅コイルで構成されている。プラスチックスペーサーが箔の平面性を維持している。

2本のロングパルスレーザービーム（各約1.25 kJ、持続時間1 ns、波長351 nm）を、フロント箔の貫通穴を通ってバックフォイルに集光し、強度約3 × 10¹⁶ W/cm²を達成した。この相互作用によりホット電子が生成され、バックフォイルから脱出したことで、U字型コイルに大きな電流を駆動する電位差が生じた。

生成された磁場を診断するために、チームは超高速プロトン・ラディグラフィを用いた。短パルスのバックライター・ビーム（0.3 kJ、1 ps）が別のCu箔を照射し、ターゲット・ノーマル・シース加速メカニズムを介してプロトンビーム（最大55 MeV）を生成した。このプロトンビームは、正面方向のジオメトリでメインターゲットをプローブした。プロトンは、フィルタリングされたラジオクロミックフィルムのスタックによって検出され、5–10 µmの空間分解能と数ピコ秒の時間分解能を持つ二次元画像を提供した。

データを解釈するために、著者らは、規定のコイル電流によって生成される電磁場中を通過するプロトンの軌道をシミュレートする、3次元粒子線跡追跡モデルを開発した。また、プロトンのボイド（空隙）とコースティック境界の形成を特徴付けるために、近軸写像に基づく解析的な推定を行った。

主な貢献と結果
本研究は、プロトン・ラディグラフィを用いた、レーザー駆動電流によって生成される磁場の直接測定に成功した。主な知見は以下の通りである：

• 磁場構造： プロトン・ラグラフィは、U字型コイルの頂点付近に、鋭いコースティック境界を伴う明確な「プロトンボイド」を明らかにした。このボイドは、半円状のワイヤ内の電流によって生成されるポロイダル磁場による、プロトンの経路積分された偏向に起因する。
• 電流および磁場振幅： 観測されたプロトンボイドのサイズ（$R$）をシミュレーション結果と一致させることにより、著者らはコイル電流を推定した。レーザー照射から約3–4 ns後において、電流振幅は約18–22 kAと測定された。この電流は、ワイヤ表面で約200–250 Tの磁場を生成し、コイル中心では約40–50 Tへと空間的に減衰した。
• 時間進化： データは、電流が21 psの区間において比較的静的であったものの、$t \approx t_0 + 3.1$ nsでの約22 kAから$t \approx t_0 + 4.1$ nsでの約18 kAへと減少したことを示した。
• エネルギー変換： U字型コイルに蓄えられた磁気エネルギーは約0.26–0.4 Jと推定され、これは約0.01–0.02%のレーザー・ツー・磁気エネルギー変換効率に相当する。
• プラズマ効果： 画像には、コロナプラズマの膨張およびプラズマ不安定性に関連する自己生成電磁場に起因するとされる、暗いフィラメント状の構造も示された。これらのフィラメントは、ボイドの下側の箔側の境界の特定を困難にしたが、磁場誘起のボイドとは明確に区別されるものであった。
• 電圧源の特性評価： ヘルムホルツ配置に似た構成で2つのU字型コイルを用いた実験により、ターゲットは電流源ではなく電圧源として機能することが示された。この構成では、変換効率が約0.02%に増加しており、これは追加のコイルを添加することで蓄積可能な磁気エネルギーを増大できる可能性を示唆している。

意義
本論文は、これらの実験が高エネルギー密度科学のための強力な外部磁場源の開発を目指す将来のターゲット設計に対して、重要な洞察を与えるものであると主張している。超高速プロトン・ラディグラフィを利用することで、著者らは従来の診断法の限界を克服し、以前よりもコイルに近い場所での磁場生成の直接測定を可能にした。本結果は、レーザー駆動コイルがマルチテスラ級の磁場を生成する手法として有効であることを検証し、これらの系における磁場ダイナミクスの物理現象を理解するための枠組みを確立した。著者らは、今後の課題として、磁場ダイナミクスをより良く制御するための集中定数回路モデルの開発、およびプラズマ干渉を軽減するための長い直線部を持つコイルや遮蔽体の設計に焦点を当てる予定であると述べている。