Experimental study for characterizing the effect of a strong magnetic field to interfacial instability

• Project/Area Number: 18J11354
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Plasma science
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 松尾 一輝 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 高エネルギー密度プラズマ / 流体不安定性 / レーザー核融合 / 磁気流体不安定性 / レイリー・テイラー不安定性 / レーザープラズマ / 核融合プラズマ / 強磁場科学 / プラズマ科学 / 天文学

Outline of Annual Research Achievements

申請者は，強磁場がプラズマの運動に与える影響を実験的に解明した．プラズマ中で磁力線がプラズマの微細な擾乱の運動によって圧縮，引き延ばしを受けることで，熱伝導の分布が不均一になり，この不均一性が圧力の不均一を生じさせることで磁気レイリー・テイラー不安定性の成長が促進される新しい流体不安定性現象も実験的に明らかにした．申請者はこの成果について，国際学会(11th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications)で発表し，流体不安定性の制御が必要なレーザー核融合分野や天文分野に広く資する成果であるとしてChiyoe Yamanaka Awardを受賞した．
さらに，高強度レーザーが強磁場中のプラズマ内部に作る急峻な温度勾配による熱輸送によって，効率的に核融合燃料を加熱する加熱方式を実験的に検証した．圧縮した燃料コアに外部から数ピコ秒の短パルスレーザーを用いてエネルギーを与えると、レーザー照射面が直接加熱され、その熱が温度の低いコアの中心部分に広がっていく．外部磁場を印可することで、熱拡散の広がりをコアの中心部分に向かうように指向させることができる．申請者は外部磁場中で、銅をトレーサーとしてドープしたターゲットを圧縮後、短パルスレーザーで加熱し、銅の輝線スペクトルを結晶型のX線分光器で取得することで、その輝線スペクトルの比から加熱されたターゲットの温度を推定した．またX線バックライト法でターゲットの影絵を取得することで、密度を推定した。これらの計測によって、合計4.6kJのレーザーエネルギーで22 Gbarもの高エネルギー密度プラズマを生成できることが実験的に実証された．申請者は上記の成果をまとめて，Physical Review Letter誌に論文を出版した．

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Nevada Reno/University of San Diego(米国)
• [Int'l Joint Research] CELIA/University of Bordeaux(フランス)
• [Journal Article] Petapascal Pressure Driven by Fast Isochoric Heating with a Multipicosecond Intense Laser Pulse (2020)
  • Author(s): Matsuo Kazuki、Higashi Naoki、Iwata Natsumi、Sentoku Yasuhiko、Fujioka Shinsuke
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Issue: 3 Pages: 035001-035001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.035001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design of Zeeman spectroscopy experiment with magnetized silicon plasma generated in the laboratory (2019)
  • Author(s): Liu Chang、Matsuo Kazuki、Ferri Sandrine、Chung Hyun-Kyung、Lee Seungho、Sakata Shohei、Law King Fai Farley、Morita Hiroki、Pollock Bradley、Moody John、Fujioka Shinsuke
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 33 Pages: 100710-100710
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2019.100710
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electromagnetic field growth triggering super-ponderomotive electron acceleration during multi-picosecond laser-plasma interaction (2019)
  • Author(s): Kojima Sadaoki、Hata Masayasu、Iwata Natsumi、Sentoku Yasuhiko、Fujioka Shinsuke
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 2 Issue: 1 Pages: 99-99
  • DOI: 10.1038/s42005-019-0197-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetized fast isochoric laser heating for efficient creation of ultra-high-energy-density states (2018)
  • Author(s): S. Sakata, K. Matsuo, S. Kojima, S. Lee, H. Morita, T. Johzaki, H. Sawada, K. F. F. Law, A. Yao, M. Hata, A. Sunahara, Y. Abe, H. Kishimoto, A. Syuhada, T. Shiroto, Y. Iwasa, A. Morace, A. Yogo, N. Iwata, M. Nakai, H. Sakagami, et al.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Issue: 1 Pages: 3937-3937
  • DOI: 10.1038/s41467-018-06173-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental study for characterizing the effect of a strong magnetic field to interfacial instability (2019)
  • Author(s): K.Matsuo, T.Sano, H.Nagatomo, K.Ishigure, H.Kato, H.Nagatomo, N.Philippe, N.Nagamatsu, Y.Sakawa, Y.Arikawa, S.Sakata, S.Lee, K.F.F.Law, H.Morita, C.Liu, H.Li, J.Nishibata, R.Takizawa, H.Azechi and S.Fujioka
  • Organizer: 11th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] マルチピコ秒ペタワットレーザーの熱拡散加熱による高エネルギー密度コアの生成 (2019)
  • Author(s): K.Matsuo, H.Nagatomo, T.Sano, N.Philippe, T.Somekawa, Y.Sakawa, Y. Arikawa, S.Sakata, S.Lee, K.K.F.Law, H.Morita, H.Azechi and S.Fujioka
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会物性
• [Presentation] Growth of ablative Rayleigh-Taylor instability in a strong external magnetic field (2018)
  • Author(s): K.Matsuo, H.Nagatomo, T.Sano, N.Philippe, T.Somekawa, Y.Sakawa, Y. Arikawa, S.Sakata, S.Lee, K.K.F.Law, H.Morita, H.Azechi and S.Fujioka
  • Organizer: 第12回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] 強磁場下でのアブレーティブレイリーテイラー不安定性の成長 (2018)
  • Author(s): K.Matsuo, H.Nagatomo, T.Sano, N.Philippe, T.Somekawa, Y.Sakawa, Y. Arikawa, S.Sakata, S.Lee, K.K.F.Law, H.Morita, H.Azechi and S.Fujioka,
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会物性
• [Presentation] マルチピコ秒ペタワットLFEXレーザーによる高密度プラズマの加熱領域の可視化 (2018)
  • Author(s): 松尾一輝, 有川安信, 岩佐祐希, 坂田匠平, 李昇浩, LAW KingFaiFarley, 森田大樹, LIU Chang, LI Huan, 疇地宏, 藤岡慎介
  • Organizer: 第35回プラズマ核融合学会年会
• [Presentation] Growth of ablative Rayleigh-Taylor instability in a strong external magnetic field (2018)
  • Author(s): K.Matsuo, H.Nagatomo, T.Sano, N.Philippe, T.Somekawa, Y.Sakawa, Y. Arikawa, S.Sakata, S.Lee, K.K.F.Law, H.Morita, H.Azechi and S.Fujioka
  • Organizer: 2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research