Experimental research on magnetic reconnection with high-power laser-produced plasmas

• Project/Area Number: 20H01881
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 森田 太智 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (30726401)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松清 修一 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (00380709) ; 山崎 了 青山学院大学, 理工学部, 教授 (40420509) ; 有川 安信 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (90624255) ; 竹崎 太智 富山大学, 学術研究部工学系, 助教 (90824326)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2020: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
• Keywords: 磁気リコネクション / 高出力レーザー / レーザー生成プラズマ / レーザートムソン散乱計測 / プロトンバックライト計測 / レーザーアブレーション / 高強度レーザー / 磁化プラズマ / 高エネルギー密度プラズマ / レーザートムソン散乱

Outline of Research at the Start

磁気リコネクションの物理は、電子スケールの微小領域における異常拡散とイオンスケールの磁
場・プラズマエネルギー変換過程を理解する必要がある。本研究では、レーザー生成プラズマ中で磁気リコネクション駆動する。プラズマ発光計測や干渉計測でイオンスケールのプラズマ挙動を、陽子ビームを用いてリコネクション磁場を可視化し、磁場拡散領域周辺の磁場を計測する。新たに開発する二次元トムソン散乱計測を用いて磁場拡散領域と、その上流・下流のプラズマを局所的に計測することで、リコネクション率とプラズマ加熱・加速との関係を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、レーザー生成プラズマ中で磁気リコネクションを駆動し、プラズマ発光計測で磁化プラズマ挙動の膨張と衝突の様子を、陽子ビームを用いてリコネクション磁場構造を、
二方向のレーザートムソン散乱法を用いて電子・イオンの速度分布関数を計測することで、リコネクション率とプラズマ加熱・加速との関係を明らかにする。
2022年度は、大型レーザーを用いた陽子ビームの計測は、施設側で採択されなかったため実施できなかったが、これまでできていなかったレーザートムソン散乱の電子項計測を試みた。結果として、スペクトルを取得するまでには至らなかったが、大型レーザーを計測用レーザーとして用いて実験を行い、実験が可能であることは示した。おそらくプラズマ密度が高いために計測用分光器の計測領域が不十分であったと考えられる。
また、2021年度に取得したレーザートムソン散乱のデータを解析することで、磁場拡散領域におけるイオン速度分布の変化と、磁場からプラズマへのエネルギーを求めることに成功した。またエネルギー変化からリコネクション率を求めた。これらの結果を論文に投稿した(Phys. Rev. E, 106, 055207 (2022))。また本成果は、九州大学からプレスリリースを行なった(https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/842/)。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

レーザー生成プラズマを用いた磁気リコネクションの可視化、詳細な時間・空間分解プラズマ計測に成功し、実験データが順調に取得できている。取得したデータ解析を進め、論文化も行なった。実験手法は確立したので、今後、計測の最適化と、新たに電磁波動の計測を追加し、リコネクションによるエネルギー変換の検証を進められる。

Strategy for Future Research Activity

すでに磁気リコネクションの実験手法は確立し、2方向レーザートムソン散乱計測から、電流シートの検出、アウトフロー加速、エネルギー変換を明らかにしてきた。今年度はさらに、リコネクションによる非熱的加速電子の検出と、プラズマ不安定等による電磁波動の検出を試みる。
大型レーザー実験を行い、レーザートムソン散乱による電子項計測に再度挑戦する。高エネルギーレーザー自体をプローブとして用い、分光器の計測波長帯を大きく取ることで、電子の速度分布の情報を取得する。さらに実験では、多チャンネルの磁気プローブを導入し、アウトフロー領域に設置することで、磁化プラズマの磁場構造、電磁波動の励起を検証することで、リコネクションにおけるエネルギー散逸・変換をさらに検証する。
大型レーザー実験とは別に、将来的に多方向でイオン分布関数を検証するため、散乱光を180度から360度と広い角度方向で検出可能なシステムを構築し、小型レーザー実験で検証を進める。
粒子シミュレーションを行うことで、すでに得られた実験データ、主にイオンの速度分布関数の変化を検証する。また、数値シミュレーションからも実験における速いリコネクション率の妥当性を検証する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Princeton University(米国)
• [Int'l Joint Research] Ecole Polytechnique(フランス)
• [Journal Article] Demonstration of efficient relativistic electron acceleration by surface plasmonics with sequential target processing using high repetition lasers (2023)
  • Author(s): Arikawa Yasunobu、Morace Alessio、Abe Yuki、Iwata Natsumi、Sentoku Yasuhiko、Yogo Akifumi、Matsuo Kazuki、Nakai Mitsuo、Nagatomo Hideo et al.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 5 Issue: 1 Pages: 013062-013062
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.013062
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detection of current-sheet and bipolar ion flows in a self-generated antiparallel magnetic field of laser-produced plasmas for magnetic reconnection research (2022)
  • Author(s): Morita T.、Kojima T.、Matsuo S.、Matsukiyo S.、Isayama S.、Yamazaki R.、Tanaka S. J.、Aihara K.、Sato Y.、Shiota J.、Pan Y.、Tomita K.、Takezaki T.、Kuramitsu Y.、Sakai K.、Egashira S.、Ishihara H.、Kuramoto O.、Matsumoto Y.、Maeda K.、Sakawa Y.
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 106 Issue: 5 Pages: 055207-055207
  • DOI: 10.1103/physreve.106.055207
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-power laser experiment on developing supercritical shock propagating in homogeneously magnetized plasma of ambient gas origin (2022)
  • Author(s): S. Matsukiyo,R. Yamazaki T. Morita K. Tomita,Y. Kuramitsu ,T. Sano S. J. Tanaka ,T. Takezaki,Y. Horie, S. Sei K. Sugiyama, K. AiharaS. Kambayashi,M. Ota,S. Egashira,T. Izumi,T. Minami,Y. Nakagawa, K. Sakai,M. Iwamoto,N. Ozaki Y. Sakawa他
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 106 Issue: 2 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1103/physreve.106.025205
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Author Correction: Direct observations of pure electron outflow in magnetic reconnection (2022)
  • Author(s): Sakai K.、Moritaka T.、Morita T.、Tomita K.、Minami T.、Nishimoto T.、Egashira S.、Ota M.、Sakawa Y.、Ozaki N.、Kodama R.、Kojima T.、Takezaki T.、Yamazaki R.、Tanaka S. J.、Aihara K.、Koenig M.、Albertazzi B.、Mabey P.、Woolsey N.、Matsukiyo S.、Takabe H.、Hoshino M.、Kuramitsu Y.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 10921-10921
  • DOI: 10.1038/s41598-022-21220-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-power laser experiment forming a supercritical collisionless shock in a magnetized uniform plasma at rest (2022)
  • Author(s): Yamazaki R.、Matsukiyo S.、Morita T.、Tanaka S. J.、Umeda T. et al. (54 authors)
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 105 Issue: 2 Pages: 025203-025203
  • DOI: 10.1103/physreve.105.025203
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Local plasma parameter measurements in colliding laser-produced plasmas for studying magnetic reconnection (2020)
  • Author(s): Morita T.、Tomita K.、Sakai K.、Takagi M.、Aihara K.、Edamoto M.、Egashira S.、Higuchi T.、Ishizaka N.、Izumi T.、Kakuchi S.、Kojima T.、Kuramitsu Y.、Matsukiyo S.、Nakagawa Y.、Minami T.、Murakami H.、Nishioka Y.、Ota M.、Sano T.、Sei S.、Sugiyama K.、Tanaka S.J.、Yamazaki R.、Sakawa Y.
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 36 Pages: 100754-100754
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100754
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー生成プラズマ中の磁気リコネクションにおける磁気拡散領域の時間・空間分解計測 (2022)
  • Author(s): 森田太智, 松清修一, 諌山翔伍, 前之園凱夫, 村本裕耶, Yiming Pan, 富田健太郎, 竹崎太智, 蔵満康浩, 境健太郎, 江頭俊輔, 東力也, 高橋健太, 有川安信, 前田亘佑, 坂和洋一, 小口拓哉, 山崎了, 田中周太, 佐藤雄飛, 塩田珠里
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 総会・講演会
• [Presentation] レーザープラズマ中の磁気リコネクションにおける磁気拡散領域の詳細計測と磁場構造変化の検証 (2022)
  • Author(s): 森田太智, 前之園凱夫, 村本裕耶, 松清修一, 諌山翔伍, 東力也, 高橋健太, 有川安信, 坂和洋一, 江頭俊輔, 前田亘佑, 竹崎太智, 小口拓哉, 富田健太郎, Yiming Pan, 山崎了, 田中周太, 佐藤雄飛, 塩田珠里, 蔵満康浩, 境健太郎
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] Development of Pulsed Magnet for Collisionless Shock Experiment Using High-power Laser (2022)
  • Author(s): Taichi Takezaki, Takuya Oguchi, Hiroaki Ito, Ryo Yamazaki, Shuta J. Tanaka, Taichi Morita, Shuichi Matsukiyo, Shogo Isayama, and Youichi Sakawa
  • Organizer: The 9th Euro-Asian Pulsed Power Conference with the 24th International Conference on High-Power Particle Beams (EAPPC & BEAMS 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 激光XII号による磁化プラズマ中を伝播する無衝突衝撃波の生成実験 (2022)
  • Author(s): 山崎了
  • Organizer: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Experimental investigation of magnetic reconnection in laser-driven self-generated magnetic field (2021)
  • Author(s): T. Morita, S. Matsuo, T. Kojima, K. Aihara, Y. Arikawa, S. Egashira, S. Isayama, O. Kuramoto, S. Matsukiyo, Y. Matsumoto, K. Sakai, K. Sugiyama, T. Takezaki, R. Yamazaki, and Y. Sakawa
  • Organizer: International Conference on High Energy Density Sciences 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Time-evolution of the magnetic field structure in laser-driven magnetic reconnection measured by proton radiography (2021)
  • Author(s): S. Matsuo, T. Morita, T. Kojima, S. Isayama, S. Matsukiyo, T. Takezaki, Y. Arikawa, Y. Sakawa, S. Egashira, O. Kuramoto, Y. Matsumoto, K. Sakai, R. Yamazaki, K. Sugiyama and K. Aihara
  • Organizer: International Conference on High Energy Density Sciences 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高出力レーザー生成プラズマ中の磁気リコネクションにおけるプラズマ加熱・加速の検証 (2021)
  • Author(s): 児島拓仁, 森田太智, 松尾凉人, 諌山翔伍, 松清修一, 竹崎太智, 山崎了, 杉山慧, 相原研人, 江頭俊輔, 倉本織羽乃, 松本雄志郎, 蔵満康浩, 境健太郎, 有川安信, 坂和洋一
  • Organizer: 日本物理学会・秋季大会
• [Presentation] プロトンバックライト法によるレーザー駆動磁気リコネクションの磁場構造の解析 (2021)
  • Author(s): 松尾涼人, 森田太智, 児島拓仁, 諌山翔伍, 松清修一, 竹崎太智, 有川安信, 坂和洋一, 江頭俊輔, 倉本織羽乃, 松本雄志郎, 境健太郎, 蔵満康浩, 山崎了, 杉山慧, 相原研人
  • Organizer: 日本物理学会・秋季大会