プラズマ手法に基づくクラスター媒質と光子場の非線形相互作用に関する研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14077221
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 岸本 泰明 特殊法人日本原子力研究所, 那珂研究所・炉心プラズマ研究部・プラズマ理論研究室・主任, 研究員・室長 (10344441)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 内海 隆行 特殊法人日本原子力研究所・関西研究所・光量子科学センター・光量子シミュレーショングループ (50360433) ; 森林 健悟 特殊法人日本原子力研究所, 関西研究所・光量子科学センター・光量子シミュレーショングループ, 副主任研究員 (70354975) ; KOGA J 特殊法人日本原子力研究所, 関西研究所・光量子科学センター・光量子シミュレーショングループ, 副主任研究員 (70370393) ; 加藤 進 特殊法人日本原子力研究所, 産業技術研究所・電子エネルギー研究部門, 主任研究員 (20356786) ; 福田 祐二 特殊法人日本原子力研究所, 関西研究所・光量子科学センター・光量子シミュレーショングループ, 博士研究員 (30311327)
• Keywords: 極短パルス高強度レーザー / 非線形光学・非線形相互作用 / 非線形光学・非線形相互作用 / 電子衝突緩和 / クラスター媒質 / クーロン爆発 / 放電・雷過程 / 分岐・フラクタル構造

Research Abstract

本研究は、様々な媒質と光子場・荷電粒子系との相互作用や多彩な原子過程・衝突緩和過程を通して創出される複雑なプラズマ状態を明らかにすることにより、プラズマ過程が本質的に関与した現象の解明とその応用研究を目指すものである。このように複雑な原子・緩和過程が関与したプラズマ状態を解析することを目的に、これまでプラズマ生成過程を自己無撞着に取り入れた粒子手法に基づく拡張型粒子コード(EPIC3D:3Dimensional Extend PIC code)の開発を進めるとともに、このEPIC3Dによるシミュレーションにより少数多体系として注目を集めているクラスター媒質と光子場との相互作用研究を行い、表面の存在に起因する分極効果等、通常媒質には見られない様々な現象を明らかにしてきた
本年度は、EPIC3Dによる大規模シミュレーション研究を推進するため地球シミュレータ上におけるベクトル化・並列化を進めた。特に、同コードのベクトル化効率の向上と領域分割(実空間の1次元方向)によるMPI並列化を実施し、地球シミュレータ(ES)上で、120ノード(960PE)のシミュレーションを可能にした。これにより、原研・光量子科学センター(JAERI-APR)において行われた集光強度10^<17>〜10^<18>W/cm^2の極短パルスレーザー(パルス幅20-500fsec)とXe及びArクラスターとの相互作用実験に即したパラメータ領域においてシミュレーションを実現し、発生した多価イオンや高エネルギー電子のエネルギー分布を同定するとともに、クラスターのクーロン爆発過程のダイナミックスを明らかにした。
また、近年、地球大気や電離層で観測される放電・雷(Lightning)に関わるプラズマ現象が注目を集めているが、EPIC3Dを用いて、高圧ネオン(Ne:Z=10)ガス中での放電過程のシミュレーションに成功し、放電・雷過程におけるストリーマの生成やスプライト現象等の構造形成のダイナミックス明らかにした。

Research Products

• [Publications] Y.Fukuda, K.Yamakawa et al.: "Optimized energetic particle emissions from Xe clusters in intense laser fields"Phys.Rev.A. 67. 061201(1)-061201(4) (2003)
• [Publications] Y.Fukuda, A.Akahane et al.: "Generation of x-rays and energetic ions from superintense laser irradiation of micron-sized Ar clusters"Laser Part.Beams. (in press). (2004)
• [Publications] Y.Kishimoto: "Femtosecond Beam Science, edited by M.Uesaka Laser Plasma Acceleration,2.4.5.Neutron"Imperial College Press/World Scientific(in press). 135-142 (2004)