Using quantum electrodynamics particle-in-cell simulations, we optimize the gamma flare (γ-flare) generation scheme from the interaction of a high power petawatt-class laser pulse with a tailored cryogenic hydrogen target having an extended preplasma corona. We show that it is possible to generate an energetic flare of photons with energies in the GeV range and the total flare energy being on a kilojoule level with efficient conversion of the laser pulse energy to γ-photons. We discuss how the target engineering and the laser pulse parameters influence the γ-flare generation efficiency. This type of experimental setup for a laser-based γ-source would be feasible for the upcoming high-power laser facilities. Applications of high intensity γ-ray beams are also discussed.
References
1.
C.
Danson
, D.
Hillier
, N.
Hopps
, and D.
Neely
, High Power Laser Sci. Eng.
3
, e3
(2015
).2.
N.
Miyanaga
, H.
Azechi
, T.
Kanabe
, T.
Jitsuno
, K.
Kondo
, Y.
Fujimoto
, N.
Morio
, S.
Matsuo
, Y.
Kawakami
, R.
Mizoguchi
, K.
Tauchi
, M.
Yano
, S.
Kudo
, and Y.
Ogura
, J. Phys.: Conf. Ser.
112
, 032006
(2008
).3.
Y.
Arikawa
, S.
Kojima
, A.
Morace
, S.
Sakata
, T.
Gawa
, Y.
Taguchi
, Y.
Abe
, Z.
Zhang
, X.
Vaisseau
, S. H.
Lee
et al., Appl. Opt.
55
, 6850
(2016
).4.
ELI–Extreme Light Infrastructure Science and Technology with Ultra-Intense Lasers Whitebook
, edited by G. A.
Mourou
, G.
Korn
, W.
Sandner
, and J. L.
Collier
(THOSS Media
, Berlin
, 2011
).5.
S.
Gales
, D. L.
Balabanski
, F.
Negoita
, O.
Tesileanu
, C. A.
Ur
, D.
Ursescu
, and N. V.
Zamfir
, Phys. Scr.
91
, 093004
(2016
).6.
I. C. E.
Turcu
, F.
Negoita
, D. A.
Jaroszynski
, P.
Mckenna
, S.
Balascuta
, D.
Ursescu
, I.
Dancus
, M. O.
Cernaianu
, M. V.
Tataru
, P.
Ghenuche
et al., Rom. Rep. Phys.
68
, S145
(2016
).7.
K. L.
Seong
, H. T.
Kim
, I. W.
Choi
, C. M.
Kim
, and C.-H.
Nam
, J. Korean Phys. Soc.
73
, 179
(2018
).8.
S.
Singh
, R.
Versaci
, A.
Laso Garcia
, L.
Morejon
, A.
Ferrari
, M.
Molodtsova
, R.
Schwengner
, D.
Kumar
, and T.
Cowan
, Rev. Sci. Instrum.
89
, 085118
(2018
).9.
R. L.
Clough
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
185
, 8
(2001
).10.
A. G.
Chmielewski
, M.
Haji-Saeid
, and S.
Ahmed
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
236
, 44
(2005
).11.
G.
Lowenthal
and P.
Airey
, Practical Applications of Radioactivity and Nuclear Radiations
(Cambridge University Press
, Cambridge, England
, 2001
).12.
13.
F.
Albert
, S. G.
Anderson
, G. A.
Anderson
, S. M.
Betts
, D. J.
Gibson
, C. A.
Hagmann
, J.
Hall
, M. S.
Johnson
, M. J.
Messerly
, V. A.
Semenov
, M. Y.
Shverdin
, A. M.
Tremaine
, F. V.
Hartemann
, C. W.
Siders
, D. P.
McNabb
, and C. P. J.
Barty
, Opt. Lett.
35
(3
), 354
(2010
).14.
S. V.
Bulanov
, T. Z.
Esirkepov
, M.
Kando
, J.
Koga
, K.
Kondo
, and G.
Korn
, Plasma Phys. Rep.
41
, 1
(2015
).15.
M. J.
Rees
and R.
Mészáros
, Mon. Not. R. Astron. Soc.
258
, 41
(1992
).16.
T.
Piran
, Mod. Phys.
76
, 1143
(2005
).17.
A. A.
Philippov
and A.
Spitkovsky
, Astrophys. J.
855
, 94
(2018
).18.
T.
Nakamura
, J. K.
Koga
, T. Z.
Esirkepov
, M.
Kando
, G.
Korn
, and S. V.
Bulanov
, Phys. Rev. Lett.
108
, 195001
(2012
).19.
C. P.
Ridgers
, C. S.
Brady
, R.
Duclous
, J. G.
Kirk
, K.
Bennett
, T. D.
Arber
, A. P. L.
Robinson
, and A. R.
Bell
, Phys. Rev. Lett.
108
, 165006
(2012
).20.
S. V.
Bulanov
, T. Z.
Esirkepov
, M.
Kando
, J. K.
Koga
, T.
Nakamura
, S. S.
Bulanov
, A. G.
Zhidkov
, Y.
Kato
, and G.
Korn
, Proc. SPIE
8780
, 878015
(2013
).21.
X. L.
Zhu
, T. P.
Yu
, Z. M.
Sheng
, Y.
Yin
, I. C. E.
Turcu
, and A.
Pukhov
, Nat. Commun.
7
, 13686
(2016
).22.
M.
Vranic
, T.
Grismayer
, R. A.
Fonseca
, and L. O.
Silva
, Plasma Phys. Controlled Fusion
59
, 014040
(2017
).23.
Z.
Gong
, R. H.
Hu
, Y. R.
Shou
, B.
Qiao
, C. E.
Chen
, X. T.
He
, S. S.
Bulanov
, T. Zh.
Esirkepov
, S. V.
Bulanov
, and X. Q.
Yan
, Phys. Rev. E
95
, 013210
(2017
).24.
H.-Z.
Li
, T.-P.
Yu
, J.-J.
Liu
, Y.
Yin
, X.-L.
Zhu
, R.
Capdessus
, F.
Pegoraro
, Z.-M.
Sheng
, P.
McKenna
, and F.-Q.
Shao
, Sci. Rep.
7
, 17312
(2017
).25.
R.
Capdessus
, M.
King
, D.
Del Sorbo
, M.
Duff
, C. P.
Ridgers
, and P.
McKenna
, Sci. Rep.
8
, 9155
(2018
).26.
A.
Benedetti
, M.
Tamburini
, and C. H.
Keitel
, Nat. Photonics
12
, 319
–323
(2018
).27.
A.
Macchi
and F.
Pegoraro
, Nat. Photonics
12
, 314
–315
(2018
).28.
O.
Jansen
, T.
Wang
, D. J.
Stark
, E.
d'Humières
, T.
Toncian
, and A. V.
Arefiev
, Plasma Phys. Controlled Fusion
60
, 054006
(2018
).29.
C. P.
Ridgers
, J. G.
Kirk
, R.
Duclous
, T. G.
Blackburn
, C. S.
Brady
, K.
Bennett
, T. D.
Arber
, and A. R.
Bell
, J. Comput. Phys.
260
, 273
(2014
).30.
T. D.
Arber
, K.
Bennett
, C. S.
Brady
, A.
Lawrence-Douglas
, M. G.
Ramsay
, N. J.
Sircombe
, P.
Gillies
, R. G.
Evans
, H.
Schmitz
, A. R.
Bell
, and C. P.
Ridgers
, Plasma Phys. Controlled Fusion
57
, 113001
(2015
).31.
A.
Di Piazza
, C. M.
Müller
, K. Z.
Hatsagortsyan
, and C. H.
Keitel
, Rev. Mod. Phys.
84
, 1177
(2012
).32.
S.-Y.
Chen
, A.
Maksimchuk
, and D.
Umstadter
, Nature
396
, 653
(1998
).33.
G.
Sarri
, D. J.
Corvan
, W.
Schumaker
, J. M.
Cole
, A.
Di Piazza
, H.
Ahmed
, C.
Harvey
, C. H.
Keitel
, K.
Krushelnick
, S. P. D.
Mangles
, Z.
Najmudin
, D.
Symes
, A. G. R.
Thomas
, M.
Yeung
, Z.
Zhao
, and M.
Zepf
, Phys. Rev. Lett.
113
, 224801
(2014
).34.
W.
Yan
, C.
Fruhling
, G.
Golovin
, D.
Haden
, J.
Luo
, P.
Zhang
, B.
Zhao
, J.
Zhang
, C.
Liu
, M.
Chen
, S.
Chen
, S.
Banerjee
, and D.
Umstadter
, Nat. Photonics
11
, 514
–520
(2017
).35.
L. A.
Gizzi
, D.
Giulietti
, A.
Giulietti
, P.
Audebert
, S.
Bastiani
, J. P.
Geindre
, and A.
Mysyrowicz
, Phys. Rev. Lett.
76
, 2278
(1996
).36.
J.
Galy
, M.
Maucec
, D. J.
Hamilton
, R.
Edwards
, and J.
Magill
, New J. Phys.
9
, 23
(2007
).37.
C.
Courtois
, A.
Compant La Fontaine
, O.
Landoas
, G.
Lidove
, V.
Méot
, P.
Morel
, R.
Nuter
, E.
Lefebvre
, A.
Boscheron
, J.
Grenier
, M. M.
Aléonard
, M.
Gerbaux
, F.
Gobet
, F.
Hannachi
, G.
Malka
, J. N.
Scheurer
, and M.
Tarisien
, Phys. Plasmas
16
, 013105
(2009
).38.
A.
Henderson
, E.
Liang
, N.
Riley
, P.
Yepes
, G.
Dyer
, K.
Serratto
, and P.
Shagin
, High Energy Density Phys.
12
, 46
(2014
).39.
J.
Vyskocil
, O.
Klimo
, and S.
Weber
, Plasma Phys. Controlled Fusion
60
, 054013
(2018
).40.
D.
Wu
, W.
Yu
, Y. T.
Zhao
, S.
Fritzsche
, and X. T.
He
, “Characteristics of X/γ-ray radiations by intense laser interactions with high-Z solids: The role of bremsstrahlung and radiation reactions,” Matter Radiat. Extremes
(in press).41.
V. B.
Beresteskii
, E. M.
Lifshitz
, and L. P.
Pitaevskii
, Quantum Electrodynamics
(Pergamon
, Oxford
, 1982
).42.
C.
Bula
, K. T.
McDonald
, E. J.
Prebys
, C.
Bamber
, S.
Boege
, T.
Kotseroglou
, A. C.
Melissinos
, D. D.
Meyerhofer
, W.
Ragg
, D. L.
Burke
, R. C.
Field
, G.
Horton-Smith
, A. C.
Odian
, J. E.
Spencer
, D.
Walz
, S. C.
Berridge
, W. M.
Bugg
, K.
Shmakov
, and A. W.
Weidemann
, Phys. Rev. Lett.
76
, 3116
(1996
).43.
F.
Ehlotzky
, K.
Krajewska
, and J. Z.
Kaminski
, Rep. Prog. Phys.
72
, 046401
(2009
).44.
L. D.
Landau
and E. M.
Lifshitz
, The Classical Theory of Fields
(Pergamon
, Oxford
, 1980
).45.
M.
Marklund
and P.
Shukla
, Rev. Mod. Phys.
78
, 591
(2006
).46.
R.
Capdessus
, M.
Lobet
, E.
d'Humieres
, and V. T.
Tikhonchuk
, Phys. Plasmas
21
, 123120
(2014
).47.
D.
Margarone
, A.
Velyhan
, J.
Dostal
, J.
Ullschmied
, J. P.
Perin
, D.
Chatain
, S.
Garcia
, P.
Bonnay
, T.
Pisarczyk
, R.
Dudzak
, M.
Rosinski
, J.
Krasa
, L.
Giuffrida
, J.
Prokupek
, V.
Scuderi
, J.
Psikal
, M.
Kucharik
, M.
De Marco
, J.
Cikhardt
, E.
Krousky
, Z.
Kalinowska
, T.
Chodukowski
, G. A. P.
Cirrone
, and G.
Korn
, Phys. Rev. X
6
, 041030
(2016
).48.
T. Zh.
Esirkepov
, J. K.
Koga
, A.
Sunahara
, T.
Morita
, M.
Nishikino
, K.
Kageyama
, H.
Nagatomo
, K.
Nishihara
, A.
Sagisaka
, H.
Kotaki
, T.
Nakamura
, Y.
Fukuda
, H.
Okada
, A. S.
Pirozhkov
, A.
Yogo
, M.
Nishiuchi
, H.
Kiriyama
, K.
Kondo
, M.
Kando
, and S. V.
Bulanov
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
745
, 150
(2014
).49.
R.
Duclous
, J. G.
Kirk
, and A. R.
Bell
, Plasma Phys. Controlled Fusion
53
, 015009
(2011
).50.
S. C.
Wilks
, A. B.
Langdon
, T. E.
Cowan
, M.
Roth
, M.
Singh
, S.
Hatchett
, M. H.
Key
, D.
Pennington
, A.
MacKinnon
, and R. A.
Snavely
, Phys. Plasmas
8
, 542
(2001
).51.
T.
Esirkepov
, M.
Borghesi
, S. V.
Bulanov
, G.
Mourou
, and T.
Tajima
, Phys. Rev. Lett.
92
, 175003
(2004
).52.
C. S.
Brady
, C. P.
Ridgers
, T. D.
Arber
, A. R.
Bell
, and J. G.
Kirk
, Phys. Rev. Lett.
109
, 245006
(2012
).53.
S. V.
Bulanov
, M.
Lontano
, T. Z.
Esirkepov
, F.
Pegoraro
, and A. M.
Pukhov
, Phys. Rev. Lett.
76
, 3562
(1996
).54.
S. S.
Bulanov
, V. Yu.
Bychenkov
, V.
Chvykov
, G.
Kalinchenko
, D. W.
Litzenberg
, T.
Matsuoka
, A. G. R.
Thomas
, L.
Willingale
, V.
Yanovsky
, K.
Krushelnick
, and A.
Maksimchuk
, Phys. Plasmas
17
, 043105
(2010
).55.
J.
Koga
, T. Zh.
Esirkepov
, and S. V.
Bulanov
, Phys. Plasma
12
, 093106
(2005
).56.
57.
58.
D. E.
Cullen
, M. H.
Chen
, J. H.
Hubbell
, S. T.
Perkins
, E. F.
Plechaty
, J. A.
Rathkopf
, and J. H.
Scofield
, Tables and Graphs of Photon-Interaction Cross Sections from 10 eV to 100 GeV Derived from the LLNL Evaluated Photon Data Library (EPDL)
(LLNL, United States
, 1989
).© 2018 Author(s).
2018
Author(s)
You do not currently have access to this content.
