2018 Fiscal Year Annual Research Report
大型レーザーを用いた磁化プラズマ中を伝播する無衝突衝撃波の生成実験
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18H01232
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| Research Institution | Aoyama Gakuin University |
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Principal Investigator |
山崎 了 青山学院大学, 理工学部, 教授 (40420509)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森田 太智 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (30726401)
富田 健太郎 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (70452729)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 無衝突衝撃波 / 実験室宇宙物理学 / 宇宙線 / 大型高強度レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2018年度は、まずは８月末に大阪大学レーザー研に滞在し、チャンバー内へ外部磁場印加のためのコイルやプラズマ発生のためのアルミ・ターゲット導入の準備を行った。次に９月末の同施設での本実験では、２日間で17ショット行い、そのうち9ショットで外部磁場1.6Tの準定常な外部印加磁場を、およそ3cmの空間に生成することに成功した。高出力レーザー生成プラズマ実験においてもトムソン散乱計測システムと外部磁場印加装置が同時に安定して動作することを確認し、磁場の有無によるプラズマ流速度の変化や温度変化を捉えた。これで無衝突衝撃波生成実験の準備方法はほぼ確立できたと言って良い。
さらに実験とほぼ同じ状況下での１次元プラズマ粒子シミュレーションを行い、実験結果と比較した。ショット直後に起こるBiermann効果によりアルミプラズマは磁化し、またアルミプラズマと窒素プラズマの相互作用によってイオン・電子温度が上昇することをシミュレーションと実験の双方で確認した。外部磁場あり・なしの違いが種々の計測で見えたが、これは磁化した電子のダイナミクスが異なるためと思われる。
また、本研究に広く関連することとして以下を行った。（１）超新星残骸等の天体での宇宙線加速の理論・観測観測研究を行った。（２）大型レーザー実験において、レーザー生成磁場による磁気リコネクションを検証し、外部印加磁場によるプラズマ速度変化を捉えた。（３）大型レーザー施設実験において、レーザー生成プラズマ内の電子密度・電子温度・イオン温度・平均イオン価数・ドリフト速度・マッハ数の時空間分解計測が可能であることを確認した。本計測は協同トムソン散乱で得られるイオン項および電子項スペクトルの空間分布を、異なる分光システムで同時に取得することで達成された。
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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
プラズマ中のイオンを磁化するための強磁場を生成するため、コンデンサバンクの高電圧化やコイルの最適化のテストを行い、さらに2倍の磁場を達成可能であることを確認した。また、互いに逆向きの磁気プローブのペアを用いて、レーザーのような高電磁ノイズ下でも磁場計測が可能であることを検証した。
協同トムソン散乱で得られる電子項スペクトルは、プラズマ発光（制動放射光）に対して微弱であるため、発光スペクトルとの区別が困難という問題があった。この問題に対して、自作の分光システムの後段部に、2個の偏光ビームスプリッタ―を設置し、偏光したトムソン散乱光と無偏光の発光を分離し、お互いのスペクトルの差分を同一のプラズマから得られるシステムを構築した。これにより、微弱な電子項スペクトルの検出を容易にした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度も大阪大学レーザー研の共同利用に申請した実験提案が採択され、６月と８月に実験を行うことになった。計測タイミングを変えたショットを２０～３０ショット行い、電子密度、電子温度、イオン温度、衝撃波速度などのデータを取得する。さらに今回は新たに小型磁気プローブも導入し背景磁場に平行な方向の磁場強度の測定も目指す。実験結果が得られたら、プラズマ粒子シミュレーションの結果とも比較しつつ、衝撃波生成の有無をまずは確認し、さらに、衝撃波構造や波動励起過程、非熱的粒子の注入過程の解明へとつなげていきたい。主な実験装置については以下の方針で準備を進める。
（１）外部磁場発生装置：高電圧化したコンデンサバンクの安定動作を検証し、イオンを十分磁化し得る3T以上の磁場強度を目指す。そのため、回路やコイル形状の最適化を行う。（２）磁場計測：レーザー生成プラズマの伝播は数百km/s以上と高速なため、より高時間分解能を目指し、現在の10MHz程度から1GHz帯域まで感度のある計測系を目標として開発を進める。（３）トムソン散乱計測：微弱な電子項取得において、偏光を利用したノイズ低減策を行い成果を得た一方、2018年度の実験では、ノイズ成分（無偏光のプラズマ発光）と電子項スペクトルの分離が、現時点では不完全であった。この原因は、散乱光像の転送方法に起因していると考えられるため、像転送部に波長板を置き、偏光方向の制御を行うことで、解決を試みる。
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| Remarks |
富田健太郎：文部科学大臣表彰「若手科学者賞」を受賞。
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