相対論電子の電磁流体力学(E-MHD)

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12480120
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 三間 圀興 大阪大学, レーザー核融合研究センター, 教授 (30033921)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 和夫 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (70171741) ; 北川 米喜 大阪大学, レーザー核融合研究センター, 助教授 (40093405) ; 児玉 了祐 大阪大学, レーザー核融合研究センター, 助教授 (80211902) ; 坂上 仁志 姫路工業大学, 工学部, 助教授 (30254452) ; 田口 俊弘 摂南大学, 工学部, 助教授 (90171595)
• Keywords: 超高強度レーザー / 相対論電子 / 粒子シミュレーション / 電磁流体力学 / 非線形現象 / Alfven極限電流 / ハイブリッドシミュレーション / 誘導ラマン散乱

Research Abstract

高強度レーザーと高密度プラズマの相互作用により発生する数100keVから数MeVに達する高電流密度の電子流体の電磁現象を明らかにすることを目的に、粒子シミュレーションコードや流体と粒子のハイブリッドシミュレーションコードを整備し、関連する実験結果を解析することでシミュレーションコードの信頼性を検証した。具体的には、Alfven極限電流の数千倍に達する相対論電子電流と高密度プラズマとの相互作用による電磁流体不安定性(Weibel Instability)による自発磁界の発生とそれに伴う相対論電子の流れのフィラメントの形成等を支配する電子電磁流体力学(E-MHD ; Electron-Magneto Hydro Dynamics)の研究を行った。
過去3年間に3次元粒子シミュレーションと理論解析を中心に超高強度レーザーと固体ターゲット等の高密度プラズマとの相互作用における相対論的非線形現象を調べた。それにより、固体表面に発生する臨界密度前後のコロナプラズマ中で非常に強いレーザー光の自己変調、誘導ラマン散乱、フィラメンテーション不安定性が起り、プラズマ電子は数十MeV以上にまで加速されることが明らかになった。その高電流密度の相対論電子流は、固体プラズマと相互作用することにより、表面で固体プラズマの表皮長程度のスケールを持つ多数のミクロスコピックな電子フィラメントに分裂することを発見した。更に、これらの電子フィラメントは高密度プラズマ中を伝搬する過程でマージングし、大規模な電子流チャネルを形成することを明らかにした。また、このような電子フィラメントのマージング過程では、縦磁界を発生し3次元的な電磁流体乱流となることも確認した。このようなフィラメントのマージングは、電子電磁流体乱流の理論での揺らぎスペクトルの逆カスケードおよび自己組織化に対応することを知った。さらに、この乱流では、強い電磁界の揺らぎの結果相対論電子の異常阻止能が出現することを明らかにした。

Research Products

• [Publications] ZM.Sheng, K.Mima, Y.Sentoku, K.Nishihara: "Parametric Instabilities of Intense Lasers from Interaction with Relativistic Hot Plasma"Physical Review E. Vol.61,No.4. 4362-4369 (2000)
• [Publications] K.A.Tanaka, K.Mima, T.Kawasaki, T.Komeno, O.Maekawa, S.Matsuo, T.Shozaki, Ka Suzuki, H.Yoshida, T.Yamanaka, Y.Sentoku, F.Weber, T.W.Barbee, Jr., L.Dasilva: "Studies of ultra-intense Laser Plasma Interactions for Fast Ignition"Physics of Plasmas. Vol.7,No.5. 2014-2022 (2000)
• [Publications] R.Kodama, K.A.Tanaka, Y.Sentoku, T.Matsushita, K.Takahashi, H.Fujita, Y.Kitagawa, Y.Kato, T.Yamanaka, K.Mima: "Long-scale Jet Formation with Specularly Reflected Light in Ultraintense Laser-Plasma Interactions"Physical Review Letters. Vol.84,No.4. 674-677 (2000)
• [Publications] K.Mima, K.A.Tanaka, R.Kodama, Y.Kitagawa: "Experimental Research on Fast Ignitor"Inertial Fusion Science and Applications 99. 381-391 (2000)
• [Publications] Z.M.Sheng, Y.Sentoku, K.Mima, K.Nishihara: "Generation of One-cycle Laser Pulses by Use of High-amplitude Plasma Waves"Physical Review E. Vol.62,No.5. 7258-7265 (2000)
• [Publications] Z.-M.Sheng, Y.Sentoku, K.Mima, J.Zhang, W.Yu, J.Meyer-ter-vehn: "Angular Distributions of Fast Electrons, Ions, and Bremsstrahlung X/γ-rays in Intense Laser Interaction with Solid Targets"Physical Review Letters. Vol.85,No.25. 5340-5343 (2000)
• [Publications] K.Mima, R.Kodama, Y.Kitagawa, K.Fujita, N.Miyanaga, H.Nishimura, N.Izumi, H.Habara, A.Sunahara, H.Fujita, M.Mori, H.Yoshida, Y.Sentoku, T.Jitsuno, Y.Izawa, M.Murakami, K.Nishihara, T.Yamanaka: "Research on Imploded Plasma Heating by Short Pulse Ladser for Fast Ignition"IAEA-CN-77/IF/1. (2000)
• [Publications] R.Kodama, K.Mima, Y.Kitagawa, H.Fujita, T.Norimatsu, H.Yoshida, Y.Sentoku, T.Kawamura, H.Habara, Y.Tohyama, M.Tampo, T.Miyakoshi, Y.Izawa, T.Yamanaka, K.A.Tanaka: "Super-penetration of Ultra-Intense Laser Light in Long Scale-length Plasmas Relevant to Fast Ignitor"IAEA-CN-77/IFP/09. (2000)
• [Publications] Yoshihiro Murakami, Yoneyoshi Kitagawa, Yasuhiko Sentoku, Michiaki Mori, Ryosuke Kodama, Kazuo A.Tanaka, Kunioki Mima, Tatsuhiko Yamanaka: "Observation of proton rear emission and possible gigagauss scale magnetic fileds from ultra-intense laser illuminated plastic target"Physics of Plasmas. Vol.8No.9. 4138-4143 (2001)
• [Publications] Y.Sentoku, K.Mima, et al.: "Magnetic Instability in over dense plasmas"Phys. of plasmas. 7. 689 (2000)
• [Publications] T.Taguchi, K.Mima, et al.: "Structure formation and tearing of an MeV cylindrical electron beam in a laserproduced plasma"Phys. Rev. Letters. 86. 5055 (2001)
• [Publications] R.Kodama, P.A.Norreys, K.Mima, et al.: "Fast heating of ultrahigh-density plasma as a step towards laser fusion ignition"Nature. 412. 6849 (2001)
• [Publications] Y.Sentoku, K.Mima, et al.: "Anomalous resistivity resulting from hot electron transport in over-dense Plasma"Physical Review Letters. (to be published). (2003)
• [Publications] Z.M.Sheng, K.Mima, et al.: "Stochastic Heating and Acceleration of electron in colliding laser fields in plasma"Physical Review Letters. Vol.88. 055004-1-055004-4 (2002)
• [Publications] V.Yu.Bychenkov, Y.Sentoku, S.V.Bulanov, K.Mima et al.: "Pion production under the action of intense ultra-short pulse laser pulse on a solid target"JETP Letters. Vol.74,no.12. 586-589 (2001)