大型高強度レーザーを用いた宇宙物理実験

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H02154
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 坂和 洋一 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 准教授 (70242881)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 米田 仁紀 電気通信大学, 学内共同利用施設等, 教授 (00210790) ; 松清 修一 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (00380709) ; 高部 英明 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 教授 (20150352) [Withdrawn] ; 森田 太智 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (30726401) ; 山崎 了 青山学院大学, 理工学部, 准教授 (40420509) ; 富田 健太郎 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (70452729) ; 佐野 孝好 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 助教 (80362606)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 大型レーザー / 宇宙物理実験 / 無衝突衝撃波 / 磁気リコネクション / 協同トムソン散乱計測

Outline of Annual Research Achievements

宇宙線加速に着目し、要素実験として大出力レーザー（激光XII号-大阪大学レーザー研、OMEGA-米国、NIF-米国）による無衝突衝撃波（強磁場衝撃波、ワイベル衝撃波）生成実験と磁気リコネクション実験、および高繰り返し高強度レーザー（NCU100TW-台湾）による非コヒーレント航跡場加速実験を行い、大出力・高強度レーザーを用いた実験室宇宙物理を確立することを目的としている。
無衝突ワイベル衝撃波生成実験（NIF）では、これまでの6 mm間隔のCD/CH またはCD/CD double-planeターゲットに加えて、8 mm間隔のCD/CH 、10 mm間隔のCD/CH とCD/CD double-planeターゲットを用いて実験を行った。これらの結果から、ターゲット材質と間隔に対するD-D核融合中性子とプロトンの発生数の依存性を調べ、シミュレーション結果との比較・検討を行った。また、D-3He 核融合生成プロトン用いたプロトンバックライト計測を行った。実験結果の解析が進められている。
強磁場衝撃波（激光XII号）では、水素雰囲気ガスを数Torr封入した状態で最大約 5 Tのパルス磁場を生成するために伝送線に大電流を印可する必要がある。今年度は、新たに伝送線の差動排気システムを導入する事によって安定した磁場供給を行ことが可能となった。また、激光XII号実験で使用する協同トムソン散乱用のNd:YAGレーザーの誘導ブリラン散乱によるパルス圧縮を行い、約10 nsのパルスを約300 psに圧縮した。その結果、電子項・イオン項同時計測が可能となった。
磁気リコネクション実験（中国 神光IIレーザー）では、永久磁石を組み合わせ、固体ターゲット周辺に反平行及び平行な磁場配位を生成し、反平行磁場配位の時にのみ電子の加速が観測された。
非コヒーレント航跡場加速実験（NCU100TW）では、レーザー強度を変えて航跡場加速を行い、普遍的にべき乗の電子エネルギースペクトルが観測された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

計画していた実験を、ほぼ予定通り実行することができた。
無衝突ワイベル衝撃波生成実験（NIF）では当初の予定通り、D-3He 核融合生成プロトン用いたプロトンバックライト計測を行うことができた。
強磁場衝撃波（激光XII号）では、磁場発生用コイルに安定した磁場供給を行ことが可能となったが、レーザー実験によるデータはまだ取得されていない。また、激光XII号実験における協同トムソン散乱用プローブレーザーとして購入予定であったサブナノ秒Nd:YAGレーザーは購入できなかったが、誘導ブリラン散乱によるパルス圧縮を行い、電子項・イオン項同時計測を実施できた。
磁気リコネクション実験では、当初計画されていなかった中国 神光IIレーザーを用いた実験を行うことができ、成果が上がった。
非コヒーレント航跡場加速実験（NCU100TW）では、計画していた電子エネルギースペクトルのレーザー強度に対する依存性を計測することができた。

Strategy for Future Research Activity

無衝突ワイベル衝撃波生成実験（NIF）では、2016-2017年度のNIF実験提案が採択されたため、2016年度も予定通りに実験を継続して行う。
強磁場衝撃波（激光XII号）では、数Torrの水素雰囲気ガス中で数 Tのパルス磁場を生成しレーザー実験を行う。また、パルス圧縮された協同トムソン散乱用プローブレーザーを用いて、電子項・イオン項同時計測を行う。これにより、無衝突衝撃波に特有の上流からの反射イオンによって励起されると考えられる２流体不安定性による強いラングミュア波の観測を試みる。
磁気リコネクション実験では、これまでの永久磁石を用いた磁場配位を生成に加えて、キャパシタターゲットを用いたキロテスラ級の高磁場を用いた実験を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Institute of Physics/Beijing Normal University/Shanghai Inst. Opt. & Fine Mech.(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Institute of Physics/Beijing Normal University/Shanghai Inst. Opt. & Fine Mech.
• [Int'l Joint Research] Lawrence Livermore National Laboratory/SLAC National Accelerator Laboratory/Massachusetts Institute of Technology(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Lawrence Livermore National Laboratory/SLAC National Accelerator Laboratory/Massachusetts Institute of Technology
  • # of Other Institutions: 1
• [Int'l Joint Research] LULI, Ecole Polytechnique/CEA/Observatoire de Paris(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: LULI, Ecole Polytechnique/CEA/Observatoire de Paris
• [Int'l Joint Research] Oxford University/York University(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Oxford University/York University
• [Int'l Joint Research] National Central University(台湾)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: National Central University
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 1
• [Journal Article] Magnetic reconnection driven by Gekko XII lasers with a Helmholtz capacitor-coil target (2016)
  • Author(s): X. X. Pei, J. Y. Zhong, Y. Sakawa, Z. Zhang, K. Zhang, H. G. Wei, Y. T. Li, Y. F. Li, B. J. Zhu, T. Sano, Y. Hara, S. Kondo, S. Fujioka, G. Y. Liang, F. L. Wang, and G. Zhao
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Pages: 032125-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4944928
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Model Experiment of Magnetic Field Amplification in Laser-Produced plasmas via the Richtmyer-Meshkov instability (2016)
  • Author(s): Y. Kuramitsu, N. Ohnishi, Y. Sakawa, T. Morita, H. Tanji, T. Ide, K. Nishio, C. D. Gregory, J. N. Waugh, N. Booth, R. Heathcote, C. Murphy, G. Gregori, J. Smallcombe, C. Barton, A. Diziere, M. Koenig, N. Woolsey, A Mizuta, T. Sugiyama, S. Matsukiyo, T. Moritaka, T. Sano, and H. Takabe
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Pages: 032126-1-6
  • DOI: 10.1063/1.4944925
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Progress Towards a Laser Produced Relativistic Electron- Positron Pair Plasma, (2016)
  • Author(s): Hui Chen, J. Bonlie, R. Cauble, F. Fiuza, W. Goldstein, A. Hazi, C. Keane, A. Link, E. Marley, S. R. Nagel, J. Park, R. Shepherd, G. J. Williams, D. D. Meyerhofer, G. Fiksel, D. Barnak, P. Y. Chang, et al Y. Sakawa, et al.
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 688 Pages: 012010-1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012010
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Computational Study of Magnetic Field Amplification in Laser-Produced Shock Waves Relevant to Supernova Remnants (2016)
  • Author(s): Ayako Ishii, Shiori Kishita, Naofumi Ohnishi, Yasuhiro Kuramitsu, Taichi Morita, Youichi Sakawa, and Hideaki Takabe
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 688 Pages: 012035-1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012035
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spherical shock in the presence of an external magnetic field (2016)
  • Author(s): Y Kuramitsu, S Matsukiyo, S Isayama, D Harada, T Oyama, R Fujino, Y Sakawa, et al
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Serie Volume: 688 Pages: 012071-1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012056
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Density lament and helical field line structures in three dimensional Weibel-mediated collisionless shocks (2016)
  • Author(s): Toseo Moritaka, Youichi Sakawa, Yasuhiro Kuramitsu, Taichi Morita, Yuta Yamaura, Taishi Ishikawa and Hideaki Takabe
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 688 Pages: 012072-1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012072
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Laboratory astrophysical collisionless shock experiments on Omega and NIF (2016)
  • Author(s): Hye-Sook Park, J. S. Ross, C. M. Huntington, F. Fiuza, D. Ryutov, D. Casey, R. P. Drake, G. Fiksel, D. Froula, G. Gregori, N. L. Kugland, C. Kuranz, M. C. Levy, C. K. L, J. Meinecke, T. Morita, R. Petrasso, C. Plechaty, B. Remington, Y. Sakawa, A Spitkovsk, H. Takabe, A. B. Zylstra
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 688 Pages: 012084-1-6
  • DOI: 10.1088/174, 2-6596/688/1/012084
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thomson scattering measurement of a collimated plasma jet generated by a high-power laser system (2016)
  • Author(s): T. Ishikawa, Y. Sakawa, T. Morita, Y. Yamaura, Y. Kuramitsu, T. Moritaka, T. Sano, R. Shimoda, K. Tomita, K. Uchino, S. Matsukiyo, A. Mizuta, N. Ohnishi, R. Crowston, N. Woolsey, H. Doyle, G. Gregori, M. Koenig, C. Michaut, A. Pelka, D. Yuan, Y. Li, K. Zhang, J. Zhong, F. Wang, and H. Takabe
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 688 Pages: 012098-1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012098
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 宇宙と実験室の無衝突衝撃波－粒子加速と磁場生成・増幅－ 1. はじめに (2016)
  • Author(s): 坂和洋一，高部英明
  • Journal Title: プラズマ・核融合学会誌 Volume: 92 Pages: 73-77
• [Journal Article] 宇宙と実験室の無衝突衝撃波－粒子加速と磁場生成・増幅－ 3.2 静電無衝突衝撃波生成実験 (2016)
  • Author(s): 森田太智，坂和洋一，蔵満康浩，高部英明
  • Journal Title: プラズマ・核融合学会誌 Volume: 92 Pages: 98-101
• [Journal Article] 宇宙と実験室の無衝突衝撃波－粒子加速と磁場生成・増幅－ 3.3 Weibel不安定性による磁場生成と無衝突衝撃波生成実験 (2016)
  • Author(s): 坂和洋一
  • Journal Title: プラズマ・核融合学会誌 Volume: 92 Pages: 102-106
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 宇宙と実験室の無衝突衝撃波－粒子加速と磁場生成・増幅－ 4. まとめ (2016)
  • Author(s): 坂和洋一
  • Journal Title: プラズマ・核融合学会誌 Volume: 92 Pages: 107-108
• [Journal Article] Collisionless shock experiments with lasers and observation of Weibel instabilities (2015)
  • Author(s): H.-S. Park, C. M. Huntington, F. Fiuza, R. P. Drake, D. H. Froula, G. Gregori, M. Koenig, N. L. Kugland, C. C. Kuranz, D. Q. Lamb, M. C. Levy, C. K. Li, J. Meinecke, T. Morita, R. D. Petrasso, B. B. Pollock, B. A. Remington, H. G. Rinderknecht, M. Rosenberg, J. S. Ross, D. D. Ryutov, Y. Sakawa, et al
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 22 Pages: 056311-1-13
  • DOI: 10.1063/1.4920959
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Developed turbulence and non-linear amplification of magnetic fields in laboratory and astrophysical plasmas (2015)
  • Author(s): J. Meinecke, P. Tzeferacos, A. R. Bell, R. Bingham, R. J. Clarke, E. M. Churazove, R. Crowston, H. Doyle, R. P. Drake, R. Heathcote, M. Koenig, Y. Kuramitsu, C. C. Kuranz, D. Lee, M. J. MacDonald, C. D. Murphy, M. M. Notley, H.-S. Park, A. Pelka, A. Ravasio, B. Reville, Y. Sakawa, et al.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America PNAS Volume: 112 Pages: 8211-8215
  • DOI: 10.1073/pnas.1502079112
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurement of jet evolution and electron energy spectrum during the process of laser-driven magnetic reconnection (2015)
  • Author(s): Zhang Kai, Zhong Jia-Yong, Pei Xiao-Xing, Li Yu-Tong, Sakawa Youichi, Wei Hui-Gang, Yuan Da-Wei, Li Fang, Han Bo, Wang Chen, He Hao, Yin Chuan-Lei, Liao Guo-Qian, Fang Yuan, Yang Su, Yuan Xiao-Hui, Liang Gui-Yun, Wang Fei-Lu, Zhu Jian-Qiang Ding, Yong-Kun, Zhang Jie, Zhao Gang
  • Journal Title: Acta Physica Sinica Volume: 664 Pages: 0165201-1-7
  • DOI: 10.7498/aps.64.165201
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー無衝突衝撃波における クロススケール結合 (2016)
  • Author(s): 坂和洋一
  • Organizer: 日本物理学会第71回年会
  • Place of Presentation: 東北学院大学泉キャンパス、仙台市
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
  • Invited
• [Presentation] 大型レーザー生成プラズマ中衝撃波における磁場増幅のモデル実験 (2016)
  • Author(s): 下河原浩志、坂和洋一 他
  • Organizer: 日本物理学会第71回年会
  • Place of Presentation: 東北学院大学泉キャンパス、仙台市
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] 大型レーザーを用いた宇宙プラズマ物理実験：無衝突ワイベル衝撃波生成 (2016)
  • Author(s): 坂和洋一 他
  • Organizer: 日本天文学会2016年春季年会
  • Place of Presentation: 首都大東京、東京都
  • Year and Date: 2016-03-14 – 2016-03-17
• [Presentation] 大型レーザーで宇宙を探る (2016)
  • Author(s): 坂和洋一
  • Organizer: 2015年度 九州大学総理工学セミナー
  • Place of Presentation: 九州大学、福岡市
  • Year and Date: 2016-01-23 – 2016-01-23
  • Invited
• [Presentation] Excitation of Weibel instability and collisionless shock formation using large-scale laser systems (2016)
  • Author(s): Y. Sakawa, et al
  • Organizer: ASHULA Grand Seminar/Symposium 2016
  • Place of Presentation: Suita, Osaka, Japan
  • Year and Date: 2016-01-05 – 2016-01-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] National Ignition Facility (NIF) Experiments on Collisionless Shocks (2015)
  • Author(s): Y. Sakawa, et al
  • Organizer: International Symposium on Status and Prospects of High Energy Density Science by Giant Lasers
  • Place of Presentation: Lawrence Livermore National Laboratory, CA, USA
  • Year and Date: 2015-09-18 – 2015-09-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レーザープラズマにおける無衝突衝撃波の生成条件の解明II (2015)
  • Author(s): 長谷川直毅、坂上仁志、坂和洋一
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学、吹田市、大阪府
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Presentation] Excitation of ion Weibel instability and collisionless shock generation using large-scale laser systems (2015)
  • Author(s): Y. Sakawa, et al
  • Organizer: The Nineth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications IFSA2015
  • Place of Presentation: Seattle, WA, USA
  • Year and Date: 2015-09-11 – 2015-09-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] STUDIES OF LASER-PRODUCED ELECTROSTATIC COLLISIONLESS SHOCK USING COLLECTIVE THOMSON SCATTERING ION-TERM MEASUREMENT (2015)
  • Author(s): Y. Hara, Y. Sakawa et al
  • Organizer: The Nineth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications IFSA2015
  • Place of Presentation: Seattle, WA, USA
  • Year and Date: 2015-09-11 – 2015-09-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Astrophysical collisionless shock experiments using large-scale laser systems (2015)
  • Author(s): Y. Sakawa, et al
  • Organizer: Conference on Laser Energetics 2015 (CLE2015)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2015-04-22 – 2015-04-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Laboratory AstrophysicalCollisionless Shock Experiments on Omega and NIF* (2015)
  • Author(s): H.-S. Park, et al, Y. Sakawa, et al
  • Organizer: Conference on Laser Energetics 2015 (CLE2015)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2015-04-22 – 2015-04-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetic field amplification of laser-produced plasmas (2015)
  • Author(s): J. Reinecke, et al, Y. Sakawa, et al
  • Organizer: Conference on Laser Energetics 2015 (CLE2015)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2015-04-22 – 2015-04-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Simulating the solar wind interaction with the Venus in Laboratory (2015)
  • Author(s): Y. Li, et al, Y. Sakawa, et al
  • Organizer: Conference on Laser Energetics 2015 (CLE2015)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2015-04-22 – 2015-04-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Tuning Laser Produced Electron- Positron Jets for Lab-AstrophysicsExperiment (2015)
  • Author(s): H. Chen, et al, Y. Sakawa, et al
  • Organizer: Conference on Laser Energetics 2015 (CLE2015)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2015-04-22 – 2015-04-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hydrodynamics of high-energy-density plasmaunder sub-kilo-tesla magnetic field (2015)
  • Author(s): S. Fujioka, et al, Y. Sakawa, et al
  • Organizer: Conference on Laser Energetics 2015 (CLE2015)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2015-04-22 – 2015-04-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Generation of Magnetized Collisionless Shocks with High-Power Lasers (2015)
  • Author(s): Y. Shoji, et al, Y. Sakawa, et al
  • Organizer: Conference on Laser Energetics 2015 (CLE2015)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2015-04-22 – 2015-04-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High Power Laser Experiment of Planar Collisionless Shocks (2015)
  • Author(s): M. Nakanotani, et al, Y. Sakawa, et al
  • Organizer: Conference on Laser Energetics 2015 (CLE2015)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2015-04-22 – 2015-04-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Collective Thomson scattering of ES collisionss shock (2015)
  • Author(s): Y. Hara, Y. Sakawa, et al
  • Organizer: Conference on Laser Energetics 2015 (CLE2015)
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2015-04-22 – 2015-04-24
  • Int'l Joint Research