Proof-of-principle of generation of megatesla magnetic fields by microtube implosions

• Project/Area Number: 21H04454
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 村上 匡且 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (80192772)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤岡 慎介 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (40372635) ; Law KingFaiFarley 大阪大学, レーザー科学研究所, 特任助教(常勤) (50888427) ; 安部 勇輝 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (70817543) ; 余語 覚文 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (50421441)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥36,790,000 (Direct Cost: ¥28,300,000、Indirect Cost: ¥8,490,000); Fiscal Year 2025: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2024: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2023: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2022: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2021: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000)
• Keywords: 超高強磁場生成 / スネイルターゲット / ペタワットレーザー / ホットエレクトロン生成 / メガテスラ磁場の生成 / 超高強度レーザー / メガテスラ / 粒子シミュレーション / メガテスラ磁場 / 高エネルギー密度物理 / マイクロチューブ / 原理実証

Outline of Research at the Start

新たな物理コンセプト「マイクロチューブ爆縮」に基づき、これまで実験室で観測された最高磁場である1~2キロテスラよりも更に100~1000倍以上高い前人未踏のメガテスラ(MT)級の極超高磁場をペタワットレーザーを使った実験で実証すること である。

Outline of Annual Research Achievements

これまで発表した成果においては、超高強度磁場 生成にはkT級の種磁場が不可欠であったが、最近の研究で、ターゲット内部にタービン様の微細構造を持たせると、一定方向の相対論的エネルギーを持つ電子渦流(図3右)が中心部に起こり、結果として超高磁場生成プロセスを簡 単化できることがわかってきた。加えて、その特殊微細構造を持つマイクロチューブを円環 状にすることで、ファラデーの法則により誘起される超高電場が、荷電粒子 を円環平面に垂直な方向に沿って加速する。これら内外における全く新たな幾何構造の導入 が本コンセプトにおいて中心的役割を果たし、荷電粒子を加速する基本原理を成すことが明らかとなった。令和５年度の研究実績としては，LFEXを二つのスネール・ターゲットに照射することで、2次元シミュレーション結果を実現するために必要な空間的に一様な種磁場の生成に成功したことである。スネールターゲットは，帯状の金属箔を円筒状に曲げたターゲット である。スネール・ターゲットの一部に高強度レーザーを集光照射すると、レーザーとプラズマの相互作用によって高エネルギーの電子が加速され、スネール・ ターゲットの外に飛び出し、スネール・ターゲットの中で電荷分布の偏り が生じる.電荷分布の偏りが電流を駆動し、スネール・ターゲットの表面に沿って円筒 形で1メガア ンペア相当の電流が流れる。この電流がスネール・ターゲットの内部に磁場を生じさせる。また、レーザー照射前後でのダブル・スネール・ ターゲットと円筒ターゲットのプロトン・ラジオグラフィの鮮明な画像も得られた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

令和５年度における主たる目標である「ターゲットの基本設計ならびにLFEXレーザーシステムを使った種磁場生成のための基礎ダイナミクスの調査」に関して、 当初の目的を達成している。

Strategy for Future Research Activity

高強度磁場生成に対する様々な試みが続けられているが、実験的に観測された磁場強度は1キロテスラから2キロテスラのレベルに留まり、未だその実験値を凌駕できていないのが現状である。 今後のレーザー実験では (1)新原理の原理実証を行うとともに、(2) 本研究では、世界最高クラスのパワーとエネルギーを有するペタワットレーザーLFEX(阪大レーザー研)を使い１０から１００キロテスラ級の磁場生成 に挑む。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UPM(スペイン)
• [Int'l Joint Research] UCSD(米国)
• [Int'l Joint Research] ELI(チェコ)
• [Int'l Joint Research] Lebedev Physics Institute(ロシア連邦)
• [Journal Article] Laser-Driven Neutron Generation Realizing Single-Shot Resonance Spectroscopy (2023)
  • Author(s): Yogo A.、Lan Z.、Arikawa Y.、Abe Y.、Mirfayzi S.?R.、Wei T.、Mori T.、Golovin D.、Hayakawa T.、Iwata N.、Fujioka S.、Nakai M.、Sentoku Y.、Mima K.、Murakami M.、Koizumi M.、Ito F.、Lee J.、Takahashi T.、Hironaka K.、Kar S.、Nishimura H.、Kodama R.
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 13 Issue: 1 Pages: 011011-011011
  • DOI: 10.1103/physrevx.13.011011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Laser-driven electrodynamic implosion of fast ions in a thin shell (2023)
  • Author(s): Yu Gus'kov, Ph. Korniev, and M. Murakami
  • Journal Title: Latter and Radiation at Extremes Volume: 8 Issue: 5
  • DOI: 10.1063/5.0156113
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ion acceleration from aluminum foil coated with a gold nanolayer irradiated by ultrashort laser pulses (2023)
  • Author(s): D. Balusu, B. Ramakrishna, and M. Murakami
  • Journal Title: Phys. Plasmas Volume: 31 Issue: 1
  • DOI: 10.1063/5.0185875
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Picosecond snapshot imaging of electric fields induced on a cone guide target designed for fast ignition scenario (2022)
  • Author(s): Shi Binghe、Yogo Akifumi、Okamoto Kazuki、Golovin Daniil、Mirfayzi Seyed Reza、Morace Alessio、Arikawa Yasunobu、Yamanoi Kohei、Abe Yuki、Murakami Masakatsu、Gu Yanjun、et al.
  • Journal Title: Journal of Plasma Physics Volume: 88 Issue: 4 Pages: 905880404-905880404
  • DOI: 10.1017/s0022377822000599
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ion Acoustic Shock Wave Formation and Ion Acceleration in the Interactions of Pair Jets with Electron?ion Plasmas (2022)
  • Author(s): Huang Jian、Weng Su-Ming、Wang Xin、Zhong Jia-Yong、Zhu Xing-Long、Li Xiao-Feng、Chen Min、Murakami Masakatsu、Sheng Zheng-Ming
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 931 Issue: 1 Pages: 36-36
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac66e1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Progress in relativistic laser?plasma interaction with kilotesla-level applied magnetic fields (2022)
  • Author(s): Weichman K.、Robinson A. P. L.、Murakami M.、Santos J. J.、Fujioka S.、Toncian T.、Palastro J. P.、Arefiev A. V.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 29 Issue: 5 Pages: 053104-053104
  • DOI: 10.1063/5.0089781
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microbubble implosions in finite hollow spheres (2022)
  • Author(s): Zosa M. A. H.、Murakami M.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 29 Issue: 1 Pages: 013105-013105
  • DOI: 10.1063/5.0068815
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 100-kT magnetic field generation using paisley targets by femtosecond laser?plasma interactions (2022)
  • Author(s): Zosa M.-A. H.、Gu Y. J.、Murakami M.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 120 Issue: 13 Pages: 132403-132403
  • DOI: 10.1063/5.0081115
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laser scaling for generation of megatesla magnetic fields by microtube implosions (2021)
  • Author(s): Shokov D.、Murakami M.、Honrubia J.J.
  • Journal Title: High Power Laser Science and Engineering Volume: 9 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1017/hpl.2021.46
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic field amplification driven by the gyro motion of charged particles (2021)
  • Author(s): Gu Yan-Jun、Murakami Masakatsu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1038/s41598-021-02944-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Generation of electron ? positron pairs by laser-ion implosion of a target with a spherical microbubble inside (2021)
  • Author(s): Serebryakov D.A.、Kostyukov I.Yu.、Murakami M.
  • Journal Title: Quantum Electronics Volume: 51 Issue: 9 Pages: 795-800
  • DOI: 10.1070/qel17611
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Application of micro cavity implosion to fusion (2024)
  • Author(s): M. Murakami
  • Organizer: High Energy Density Physics
• [Presentation] Microcavity implosions for the generation of extreme electric fields and ultrahigh magnetic fields (2023)
  • Author(s): M. Murakami
  • Organizer: PHFS国際会議
• [Presentation] マイクロノズルを使ったレーザープロトン加速 (2023)
  • Author(s): 村上匡且
  • Organizer: プラズマ核融合・第４０回年会
• [Presentation] Generation of energetic proton beam by expanding nozzle acceleration (2023)
  • Author(s): M. Murakami
  • Organizer: HPLSE国際会議
• [Presentation] Laser scaling for generation of megatesla magnetic fields by microtube implosions (2022)
  • Author(s): D. Shokov and M. Murakami
  • Organizer: OPIC 国際会議
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultra-high compression and ion acceleration in finite-sized hollow spherical targets via microbubble implosion (2022)
  • Author(s): M-A. H. Zosa and M. Murakami
  • Organizer: OPIC国際会議
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Laser scaling for generation of megatesla magnetic fields by microtube implosions (2022)
  • Author(s): M. Murakami and D. Shokov
  • Organizer: COLA2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Microcavity Implosions for Generation of Ultrahigh Electric Fields and Megatesla Magnetic Fields (2022)
  • Author(s): M. Murakami et al.
  • Organizer: AAPPS国際会議
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Vortex-driven ultrahigh magnetic field generation (2022)
  • Author(s): M. Murakami
  • Organizer: APS会議
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Laser scaling for generation of megatesla magnetic fields by microtube implosions (2021)
  • Author(s): M. Murakami
  • Organizer: International symposium on nonlinear wave physics
• [Presentation] Generation of megatesla magnetic fields by microtube implosions (2021)
  • Author(s): M. Murakami
  • Organizer: HPLSE2021
• [Remarks] Quest for ultrahigh field generation
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=eL4w1uGRk4U&t=7s
• [Remarks] プラズマ・流体物理学（TLPグループ）
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=2mlavyy7V2I&t=139s