Experimental study for characterizing the effect of a strong magnetic field to interfacial instability

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18J11354
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 松尾 一輝 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2020-03-31
• Keywords: 磁気流体不安定性 / レイリー・テイラー不安定性 / 高エネルギー密度プラズマ / レーザープラズマ / 核融合プラズマ / 強磁場科学 / プラズマ科学 / 天文学

Outline of Annual Research Achievements

申請者は,高出力レーザーで生成されるキロ・テスラ級の強磁場を用い，強磁場下での高エネルギー密度プラズマの流体不安定性(以後，磁気流体不安定性)というプラズマ分野に挑んでいる．申請者が研究している磁気流体不安定性はプラズマ科学，天文学での報告が多く，例えば天文学分野では，磁気流体不安定性の一種であるmagnetic Rayleigh-Taylor instability（以後，磁気レイリー・テイラー不安定性）が太陽の黒点同士をつなぐ磁束のフィラメント構造を形成する要因であるとして注目されている．
初期にレイリー・テイラー不安定性が成長する方向と平行な方向に磁場を印可すると，レーザー照射によって吹き出したプラズマの運動に伴って磁場強度の粗密が生じる.擾乱の谷の部分で磁場が圧縮されることで，谷の部分に流れる熱流が増加する.結果として，谷の部分を押し込む圧力が増大する. 磁場の疎密によってできる磁場中での非等方な熱伝導が擾乱の谷と山に圧力の分布を作ることで，レイリー・テイラー不安定性の成長が促進される現象をシミュレーションによって明らかにした．
この現象を実験で再現するために，初期に波長30ミクロン,60ミクロン,100ミクロンの擾乱を印可したターゲットをレーザー照射によって加速させ，X線バックライト法によって擾乱の時間発展を取得し, 磁場の有無による擾乱の成長の差を計測した．同時刻における擾乱の大きさを比較すると，波長30ミクロン,60ミクロン,100ミクロンのどの場合においても，外部磁場による磁気レイリーテイラー不安定性の成長の促進を観測することができた．この結果は２次元の輻射流体シミュレーションの結果によく一致した．この成果は現在，論文化を進めている．

Current Status of Research Progress

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

Reason

申請者は，大阪大学レーザー科学研究所にて，磁場中における高エネルギー密度プラズマの流体不安定性に関する実験を行い，磁場中での非等方な熱伝導がレイリー・テイラー不安定の成長を促進すること，及び磁気張力がリヒトマイヤーメシュコフ不安定性の成長を抑制することを実験的に検証した．これらの成果は，流体不安定性の制御が必要なレーザー核融合分野や天文分野に広く資する成果である．申請者は，実験で得られた成果とシミュレーションの結果をまとめ，国際学会(2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics)，国内学会(第35回プラズマ核融合学会年会)で発表を行った．プラズマ科学分野に広く資する成果であると認められ，これらの発表に対してポスター賞と若手発表賞を授与された．

Strategy for Future Research Activity

去年度得られた成果を早急に論文化することを第一の目標とする．また去年度得られた実験結果を説明する理論モデルを構築し，強磁場下での高エネルギー密度プラズマの振る舞いに関する理解をより深化させる．
年度の後半にはリヒトマイヤーメシュコフ不安定性の成長の磁場による抑制実験が再度予定されている．去年度は計測器の分解能が十分でなかったために，各時刻での詳細な擾乱の成長を取得することができなかった．より高い分解能計測を目指して，現在大阪大学ナノファブリケーションセンターと共同で新しい計測器を製作している．製作を年度の後半に予定されている実験に間に合わせて，リヒトマイヤーメシュコフ不安定性の成長の磁場による抑制をより詳細に観測したい．

Research Products

• [Journal Article] Magnetized fast isochoric laser heating for efficient creation of ultra-high-energy-density states (2018)
  • Author(s): Sakata Shohei
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Pages: 3937
  • DOI: 10.1038/s41467-018-06173-6
  • Open Access
• [Presentation] Growth of ablative Rayleigh-Taylor instability in a strong external magnetic field (2018)
  • Author(s): K.Matsuo, H.Nagatomo, T.Sano, N.Philippe, T.Somekawa, Y.Sakawa, Y. Arikawa, S.Sakata, S.Lee, K.K.F.Law, H.Morita, H.Azechi and S.Fujioka
  • Organizer: 第12回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] 強磁場下でのアブレーティブレイリーテイラー不安定性の成長 (2018)
  • Author(s): K.Matsuo, H.Nagatomo, T.Sano, N.Philippe, T.Somekawa, Y.Sakawa, Y. Arikawa, S.Sakata, S.Lee, K.K.F.Law, H.Morita, H.Azechi and S.Fujioka,
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会物性
• [Presentation] マルチピコ秒ペタワットLFEXレーザーによる高密度プラズマの加熱領域の可視化 (2018)
  • Author(s): 松尾一輝, 有川安信, 岩佐祐希, 坂田匠平, 李昇浩, LAW KingFaiFarley, 森田大樹, LIU Chang, LI Huan, 疇地宏, 藤岡慎介
  • Organizer: 第35回プラズマ核融合学会年会
• [Presentation] Growth of ablative Rayleigh-Taylor instability in a strong external magnetic field (2018)
  • Author(s): K.Matsuo, H.Nagatomo, T.Sano, N.Philippe, T.Somekawa, Y.Sakawa, Y. Arikawa, S.Sakata, S.Lee, K.K.F.Law, H.Morita, H.Azechi and S.Fujioka
  • Organizer: 2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research