高速点火核融合実験における高速電子計測による加熱効率の評価

• Project/Area Number: 14J06592
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nuclear fusion studies
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 小島 完興 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 高速点火核融合 / 高速電子 / 高強度レーザー / プラズマミラー / 硬X線分光器 / 較正

Outline of Annual Research Achievements

高速点火方式の慣性閉じ込めレーザー核融合では、予め圧縮した燃料球に加熱レーザーを照射し、レーザープラズマ相互作用によって加速した相対論的エネルギーを有する電子（以下、高速電子）で高密度燃料を加熱する。高速電子の飛程と燃料の面密度が等しいとき加熱効率は最大となる。そのため適切なレーザー集光強度を決定するために高速電子の平均エネルギーとレーザー集光強度の依存性が研究され、Ponderomotiveスケーリング則等が導出された。
近年の大規模計算の結果、上記のスケーリング則では考慮されていない加熱レーザーのパルス幅に対する高速電子の平均エネルギーの依存性が示された。電子の平均エネルギーとパルス幅の依存性は、高速点火レーザー核融合に適する加熱レーザーのパラメーターの決定に影響する。研究の最終年度にはこれまでの研究開発を用いてこの電子の平均エネルギーのパルス幅の依存性を実験的に初めて調べた。
プラズマミラーによる高コントラスト光とX線分光による電子エネルギー分析法を用いることで、1-4 psの範囲で、加熱レーザーのパルス幅が電子加速に与える影響を実験的に観測することに成功し、実験結果を2次元Particle-in-cellシミュレーションにより解析した。長パルス化による電子の平均エネルギー上昇は、主パルス自身が生成する長スケールのプラズマのみならず、プラズマ中で自己生成する準静的電場・磁場が強く寄与することを明らかにした。準静的電場が存在すると電子はレーザー電場による加速をより長時間受け、磁場は一度加速された電子をもう一度加速場に戻す作用がある。レーザーパルス幅と準静的電場と磁場の成長の時間スケールの関係について考察を行い、高速点火レーザー核融合に最適なレーザーパラメーターを決定するための指針を得た。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development of Compton X-ray spectrometer for high energy resolution single-shot high-flux hard X-ray spectroscopy (2016)
  • Author(s): Sadaoki Kojima, Takahito Ikenouchi, Yasunobu Arikawa, Shohei Sakata, Zhe Zhang, Yuki Abe, Mitsuo Nakai, Hiroaki Nihsimura, Hiroyuki Shiraga, Tetsuo Ozaki, Shuji Miyamoto, Masashi Yamaguchi, Akinori Takemoto, Shinsuke Fujioka and Hiroshi Azechi
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 87 Issue: 4 Pages: 043502-043502
  • DOI: 10.1063/1.4944864
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Energy distribution of fast electrons accelerated by high intensity laser pulse depending on laser pulse duration (2016)
  • Author(s): Sadaoki Kojima, Yasunobu Arikawa, Alessio Morace, Masayasu Hata, Hideo Nagatomo et al.
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 717 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012102
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ultrahigh-contrast kilojoule-class petawatt LFEX laser using a plasma mirror (2016)
  • Author(s): Yasunobu Arikawa, et al.,
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 55 Issue: 25 Pages: 6850-6857
  • DOI: 10.1364/ao.55.006850
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fast ignition realization experiment with high-contrast kilo-joule peta-watt LFEX laser and strong external magnetic field (2016)
  • Author(s): Shinsuke Fujioka, Yasunobu Arikawa, et al.,
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Issue: 5 Pages: 056308-056308
  • DOI: 10.1063/1.4948278
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Heating efficiency evaluation with mimicking plasma conditions of integrated fast-ignition experiment (2015)
  • Author(s): Fujioka, S., Johzaki, T., Arikawa, K. Mima 他
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 91 Issue: 6 Pages: 063102-063102
  • DOI: 10.1103/physreve.91.063102
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Accuracy evaluation of a Compton X-ray spectrometer with bremsstrahlung X-rays generated by a 6 MeV electron bunch (2014)
  • Author(s): Sadaoki Kojima, Yasunobu Arikawa, Yasuhiko Nishimura, Hiromi Togawa, Zhe Zhang, Takahito Ikenouchi, Tetsuo Ozaki, Alessio Morace, Takahiro Nagai, Yuki Abe, Shouhei Sakata, Hiroaki Inoue, Masaru Utsugi, Mitsuo Nakai, Hiroaki Nishimura, Hiroyuki Shiraga, Ryukou Kato, Shinsuke Fujioka and Hiroshi Azechi
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 85 Issue: 11
  • DOI: 10.1063/1.4894447
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of Compton X-Ray Spectrometer for Fast Ignition Experiment (2014)
  • Author(s): Sadaoki KOJIMA, Yasunobu ARIKAWA, Takahito IKENOUCHI, Takahiro NAGAI, Yuki ABE, Shouhei SAKATA, Hiroaki INOUE, Takuya NAMIMOTO, Shinsuke FUJIOKA, Mitsuo NAKAI, Hiroyuki SHIRAGA, GEKKO-XII&LFEX Team, Tetsuo OZAKI, Makoto R. ASAKAWA, Ryukou KATO and Hiroshi AZECHI
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 9 Issue: 0 Pages: 4405109-4405109
  • DOI: 10.1585/pfr.9.4405109
  • NAID: 130005252654
  • ISSN: 1880-6821
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 高速点火核融合における硬X線絶対分光と電子計測 (2014)
  • Author(s): 有川安信 Zhe Zhang 池之内孝仁 小島完興 坂田匠平 尾崎哲 藤岡慎介 西村博明
  • Journal Title: プラズマ・核融合学会誌 Volume: 90 Pages: 665-671
• [Presentation] マルチピコ秒の高強度レーザープラズマ相互作用で発生する自己生成電場・磁場とその相対論的電子加速への影響 (2017)
  • Author(s): 小島 完興, 畑 昌育, 有川 安信, 岩田 夏弥, Alessio Morace et al.
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] プレプラズマが高強度レーザー生成高速電子のエネルギー分布及び発生効率に与える影響II (2016)
  • Author(s): 小島完興 有川安信 藤岡慎介 Alessio Morace 坂田匠平 匂坂明人 余語覚文 Zhe Zhang 池之内孝仁 尾崎哲 長井隆浩 安部勇輝 宇津木卓 李昇浩 井上裕晶 側貴行 田口雄基 松尾一輝 戸崎翔太 小倉浩一 Alexander PIROZHKOV 錦野将元 近藤公伯 西村博明 白神宏之 中井光男 疇地宏 FIREX Team
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 日本 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-21
• [Presentation] OPTIMIZATION OF CONE WALL THICKNESS TO REDUCE HIGH ENERGY ELECTRON GENERATION FOR FAST-IGNITION SCHEME (2015)
  • Author(s): S. Kojima, Y.Arikawa, Y. Hironaka, K.Shigemori, S.Sakata, S. H. Lee, K. Matsuo, K.F.F. Law, S. Tosaki, A. Morace, X. Vaisseau, T. Ozaki, Z. Zhang, H. Sawada, A. Yogo, H. Shiraga, H. Nishimura, M. Nakai, M. Hata, T. Johzaki, A. Sunahara, H. Nagatomo, S. Fujioka and H.Azechi
  • Organizer: 57th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Place of Presentation: 米国ジュージア州
  • Year and Date: 2015-11-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ENERGY DISTRIBUTION OF FAST ELECTRONS GENERATED WITH RELATIVISTIC INTENSITY LASER DEPENDING ON PULSE DURATION (2015)
  • Author(s): S. Kojima, Y. Arikawa, M. Hata, A. Morace, S. Fujioka, A. Yogo, S. Sakata, Z. Zhang, T. Ikenouchi, S. Tosaki, T. Gawa, Y. Taguchi, S.H. Lee, K. Matsuo, Y. Abe, H. Nagatomo, M. Nakai, H. Nishimura, H. Shiraga, A. Sunahara, T. Johzaki, T. Ozaki et al.
  • Organizer: The 9th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2015)
  • Place of Presentation: 米国シアトル
  • Year and Date: 2015-09-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プレプラズマが高強度レーザー生成高速電子のエネルギー分布及び発生効率に与える影響 (2015)
  • Author(s): 小島完興 有川安信 藤岡慎介 Alessio Morace 坂田匠平 匂坂明人 余語覚文 Zhe Zhang 池之内孝仁 尾崎哲 長井隆浩 安部勇輝 宇津木卓 李昇浩 井上裕晶 側貴行 田口雄基 松尾一輝 戸崎翔太 小倉浩一 Alexander PIROZHKOV 錦野将元 近藤公伯 西村博明 白神宏之 中井光男 疇地宏 FIREX Team
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 日本 関西大学
  • Year and Date: 2015-09-19
• [Presentation] レーザーパルスコントラストの改善による高速電子の低温化 (2015)
  • Author(s): 小島完興 有川安信 藤岡慎介 Alessio Morace 坂田匠平 匂坂明人 余語覚文 Zhe Zhang 池之内孝仁 尾崎哲 長井隆浩 安部勇輝 宇津木卓 李昇浩 井上裕晶 側貴行 田口雄基 松尾一輝 戸崎翔太 小倉浩一 Alexander PIROZHKOV 錦野将元 近藤公伯 西村博明 白神宏之 中井光男 疇地宏
  • Organizer: 日本物理学会春季大会2015
  • Place of Presentation: 早稲田大学 早稲田キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-24
• [Presentation] Development of Compton X-ray Spectrometer for The Fast Ignition Experiment (2014)
  • Author(s): Sadaoki Kojima, Yasunobu Arikawa, Yasuhiko Nishimura, Hiromi Togawa, Zhe Zhang, Takahito Ikenouchi, Tetsuo Ozaki, Alessio Morace, Takahiro Nagai, Yuki Abe, Shouhei Sakata, Hiroaki Inoue, Masaru Utsugi, Mitsuo Nakai, Hiroaki Nishimura, Hiroyuki Shiraga, Ryukou Kato, Shinsuke Fujioka and Hiroshi Azechi
  • Organizer: 20th Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics
  • Place of Presentation: アメリカ ジョージア州 アトランタ
  • Year and Date: 2014-06-02