2019 Fiscal Year Annual Research Report
Generation and confinement of extreme radiation plasma produced by the interaction between high power laser and structured medium, and the application
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17H01180
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
岸本 泰明 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (10344441)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂口 浩司 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (30211931)
深見 一弘 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60452322)
福田 祐仁 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 上席研究員(定常) (30311327)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 高エネルギー密度科学 / プラズマ閉じ込め / 超高強度レーザー / 構造性媒質 / 水素クラスター / 高強度磁場生成 / 自己組織化 / 高エネルギー粒子加速 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、構造性媒質への高強度レーザー照射によって生成した高エネルギー密度プラズマを、慣性時間を超えて閉じ込めることを目的に、R1年度は以下の研究を推進した。
(1)構造性媒質の特性に関する研究（課題1・2）：ロッド集合体は、側面方向の全表面積が上面方向のそれと比較して大きいため、レーザー照射により生成されたプラズマの電子温度やイオン膨張速度は、照射方向によらず、常に側面方向に大きい値を持つ「異方性を持った媒質」と考えられる。この仮説を検証するため、基板を含むロッド集合体に高強度レーザーを照射する３次元シミュレーションを実施した。その結果、それらは、レーザーの照射方向に大きく依存することなく、常に側面方向に大きな値を持つことを確認し、仮説の正しさを証明した。
(2)構造性ターゲットの作製（課題3）：H29・30年度に、プラズマエッチング技術による、高アスペクト比の格子状配列のシリコンロッド集合体の作製手法を開拓した。本年度は、レーザーとの相互作用時のエネルギー吸収率の増大や効率的な磁場生成等の新機能を付加することを目的に、高アスペクト比のロッドや空間充填率を保ちロッドを確率的に配置するなど、より複雑な構造のターゲットの作製技術の開発に着手し、半径がサブマイクロメートルオーダでアスペクト比が40-50に及ぶロッド集合体の作製に成功した。
(3)高強度レーザー照射実験の実施（課題4）：ロッド集合体へのレーザー照射で生成されるプラズマの特性を理解することを目的に、ロッド集合体に10^17-21 W/cm^2 領域の高強度レーザー(京大化研T6・理研SACLA・量研関西研J-KAREN-P)を照射する実験を実施し、電子およびイオンのエネルギースペクトルやロッドの膨張ダイナミクスを調べた。その結果、ターゲットの構造によって生成されるプラズマの特性が変化することを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
構造性媒質に高強度レーザーを照射することで生成する高エネルギー密度プラズマを、慣性時間を越えて閉じ込める手法を確立させることを目的に、サブマイクロメートルオーダのロッド集合体をターゲットとして、(a)これに高強度レーザーを照射するシミュレーション、(b)ターゲットの作製、および、(c)それを用いた高強度レーザーの照射実験を実施し、両者の相互作用により生成するプラズマの特性に関する理解を進展させた。
(a)は、基板を含むロッド集合体に高強度レーザーを照射するシミュレーションを実施、 (b)は、高アスペクト比のロッド集合体を作製するとともに、準定常強磁場の生成を目的に、ロッド集合体の背景に高圧ガスを導入する手法を検討し、固体と比べて質量密度の小さいカーボンナノチューブ（CNT）のアブレーションを利用する方法を考案した。この着想に基づいて、CNTの物性値を評価するとともに、CNTと高強度レーザーとの相互作用実験に向けた照射配位を検討し、電子温度の計測器（ESM）を製作した。(c)は、ロッド集合体に量研関西研J-KAREN-Pレーザーを照射する実験を実施した。実験では、10^21 W/cm^2 レベルの超高強度レーザーをロッド構造体の所定位置に高精度で照準することに成功、数MeV/uの高価数イオン・プロトンの生成が確認され、上記(a)のシミュレーションの評価とも整合する結果を得た。
特に、同じ平均質量密度(空間充填率)を持つ異なる構造のターゲットへの同一条件のレーザー照射に対して、異なった制動・特性X線スペクトル分布が観測され、構造の違いに起因する異なったプラズマが生成することが示された。これらは、高強度レーザーのターゲットとして構造性媒質を導入することで、従来と異なった新しいクラスのプラズマ研究の展開が期待できることを示す重要な成果と位置付けられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
R1年度の成果に基づき、R2年度は、構造性媒質と高強度レーザーとの相互作用実験に向けた検討、および、FRC生成に関する理論モデルの構築に関する研究を推進する。具体的には、(1)理研SACLAレーザーをロッド集合体の上面から照射する実験を実施、R1年度で見いだした仮説（ロッド集合体は側面方向に大きいダイナミックスを現出する異方性を持った媒質）を検証するとともに、ロッド径の調整によりプラズマの電子温度や膨張速度が制御可能であることを実証する。また、CNTと高強度レーザーとの相互作用実験を実施し、レーザー照射されたCNTの電子温度計測により、プラズマの基本特性に関するデータベースを取得する。さらに、CNTを用いて、ロッド集合体に高密度の背景プラズマを導入する手法を検討し、これに高強度レーザーを照射する実験を実施する。具体的には、ロッド集合体近傍に設置したCNTに主パルスレーザーと同期した低強度のレーザーを照射、これによるアブレーションによりロッド集合体を高密度プラズマで満たし、これに主パルスレーザーを照射する実験を行い、準定常強磁場の生成やファラデー回転等を利用した計測を検討する。
並行して、ロッド集合体にキロテスラ級の強磁場を印加したシミュレーションを実施し、FRC 配位が実現するパラメータ領域（ロッド直径・空間充填率・レーザー強度・磁場強度など）を明らかにして、FRCの生成メカニズムを記述する理論モデルの構築に向けた研究を行う。また、キャパシターコイルにより生成する強磁場を利用して、阪大レーザー研GEKKO-XII／LFEXレーザーを用いたFRC生成の検証実験を実施する。さらに、これらの研究を円滑に進めるには、実験を想定した大規模シミュレーションが必要となる。そこで、X線輻射過程、並列化効率の向上を含めた拡張型粒子コード（EPIC）の整備・開発を併せて実施する。
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Research Products
(20 results)
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[Presentation] 高強度レーザーと構造性媒質の相互作用による高エネルギー密度プラズマの生成－レーザー照射ロッド集合体のエネルギー吸収と膨張ダイナミクス－2020
Author(s)
松井隆太郎, 上原直希, 深見一弘, 福田祐仁, 井上峻介, 阪部周二, 太田雅人, 坂和洋一, 増井英陽, 今寺賢志, 岸本泰明
Organizer
日本物理学会 第75回年次大会
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[Presentation] 高強度レーザーとロッド集合体との相互作用シミュレーションと実験2020
Author(s)
岸本泰明, 松井隆太郎, 上原直希, 今寺賢志, 太田雅人, 坂和洋一, 井上峻介, 阪部周二, 坂口浩司, 深見一弘, 福田祐仁
Organizer
レーザー学会学術講演会第40回年次大会
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