Verification of efficient plasma heating by counter illuminating ultra-intense laser pulses

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H01870
• Research Institution: The Graduate School for the Creation of New Photonics Industries
• Principal Investigator: 森 芳孝 光産業創成大学院大学, 光産業創成研究科, 准教授 (60440616)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岩本 晃史 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00260050) ; 梶村 好宏 明石工業高等専門学校, 電気情報工学科, 教授 (20403941) ; 花山 良平 光産業創成大学院大学, 光産業創成研究科, 准教授 (20418924) ; 石井 勝弘 光産業創成大学院大学, 光産業創成研究科, 教授 (30311517) ; 山ノ井 航平 大阪大学, レーザー科学研究所, 助教 (30722813)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 高エネルギー密度科学 / 高速点火 / 高速電子 / 高強度レーザー / 対向照射 / ワイベル不安定性

Outline of Annual Research Achievements

研究の目的は、高強度レーザーの対向照射による高効率プラズマ加熱を検証することである。繰り返し数 1-10 Hz の現有対向照射レーザー照射システムに、新たに連続ターゲット供給システムを整備することで、実験回数を増やし統計精度を上げる。幅広い密度領域 (カットオフ密度以下から固体密度以上) のプラズマに対して、高強度レーザーの照射配位、交差条件、及びパルス幅等をパラメータとして、これまで体系的に明らかにされていない高強度レーザーの対向照射による加熱の寄与を見極める。
2020年度は、研究計画2年目である。(1)初年度に実施した繰り返しレーザー照射システムの基盤整備を進め、新たに(2)大型高強度レーザーLFEXによる対向照射実験に着手した。(1)について、対向ビーム交差タイミングが調整可能な照射システムを整備した。大気中に高強度レーザーを対向照射することで形成されるサイズ100ミクロンのプラズマボイドをアライメントの指標とし、調整幅 ±3.3 ps、調整分解能　0.05 mm/167 fsで交差アライメントを実現した。さらに、初年度に整備した連続供給ターゲット送り機構に自動アライメント機構を追加した。結果、直径50ミクロンのワイヤを、レーザー照射位置50ミクロン以内に5秒以内でアライメントを完了することが可能となった。(2)については、ターゲット開発と新規レーザー対向照射系を構築した。核融合中性子と特性X線輻射計測を同時に計測可能な重水素化Cuドープターゲット(ドープ量0.57 at%)の開発に成功し、電子温度計測を行った。更に、対称性を考慮したシンプルなプラズマミラー対向照射配位を考案し実験に供した。従来よりも2桁高い照射強度(~10^17 W/cm2)でプラズマミラーを動作させることに成功した。現在、反射率の解析を進めている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2年目は、繰り返しレーザー実験の基盤整備を継続するとともに、新たに大型高強度レーザーによる対向照射実験に着手した。前者については、レーザープラズマ実験を予定していたが、レーザーシステムのメンテナンスがコロナ禍により延期となり、レーザー出力が予定の1/10の20mJまで低下したため、対向照射アライメントまで実施し中断している。一方、従来の計画を加速して、新たに高強度レーザーによる対向照射実験に着手した。研究分担者山ノ井の協力により、核融合中性子と特性X線輻射計測を同時に計測可能な重水素化Cuドープターゲット(ドープ量0.57 at%)の開発に成功し、実験で電子温度計測が可能であることが確認された。

Strategy for Future Research Activity

研究分担者梶村の協力により、繰り返し供給ターゲットシステムの自動アライメントが整備されたため、ターゲットシステムの動作確認を行う。低出力20mJ程度のレーザーで対向照射実験を行う。プラズマ加熱の検証については、レーザー復旧後に実施する。大型高強度レーザーによる実験については、2021年度も継続して実験が認められたため、2021年2月に実施した実験結果の解析を踏まえて、実験条件を選定する。

Research Products

• [Journal Article] 核融合ターゲット連続投入技術開発の現状と連続中性子発生 (2021)
  • Author(s): 森 芳孝, 西村 靖彦, 米田 修, 石井 勝弘, 花山 良平, 沖原 伸一朗, 北川 米喜, 岩本 晃史, 砂原 淳, 千徳 靖彦, 三浦 永祐, 坂上 仁志
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 49 Pages: 167 - 172
• [Journal Article] 対向照射による高エネルギー密度プラズマの加熱 (2021)
  • Author(s): 森 芳孝, 西村 靖彦, 花山 良平, 石井 勝弘, 北川 米喜, 米田 修, 関根 尊史, 竹内 康樹, 栗田 隆史, 砂原 淳, 千徳 靖彦, 三浦 永祐
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 49 Pages: 161-166
• [Journal Article] Verification of fast heating of core plasmas produced by counter- illumination of implosion lasers (2020)
  • Author(s): E. Miura, Y. Mori, K. Ishii, S. Sakatac, Y. Abec, Y. Arikawac, N. Nakajimac, R. Takizawac, H. Moritac, K. Matsuoc, S.R. Mirfayzic, A. Sunaharad, T. Ozakie, A. Iwamotoe, O. Komedaf, R. Hanayamab, S. Okiharab, Y. Sentokuc, S. Fujiokac, H. Sakagamie, T. Johzakig, Y. Kitagawa
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 37 Pages: 100890
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100890
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Monte Carlo particle collision model for qualitative analysis of neutron energy spectra from anisotropic inertial confinement fusion (2020)
  • Author(s): Y. Abe, T. Johzaki, A. Sunahara, Y. Arikawa, T. Ozaki, K. Ishii, R. Hanayama, S. Okihara, E. Miura, O. Komeda, S. Sakata, K. Matsuo, H. Morita, R. Takizawa, R. Mizutani, A. Iwamoto, H. Sakagami, Y. Sentoku, H. Shiraga, M. Nakai, S. Fujioka, Y. Mori, Y. Kitagawa
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 36 Pages: 100803
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100803
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高強度レーザーの対向照射による高効率加熱の検証III (2021)
  • Author(s): 森芳孝, 岩本晃史, 澤田寛, 石井勝弘, 花山良平, 北川米喜, 佐野孝好, 岩田夏弥, 千徳靖彦, 砂原淳, 太田唯斗, 飯塚森人, 中右樹, 梶村好宏
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 高強度レーザー対向照射実験における対向ビームアライメント (2021)
  • Author(s): 森 芳孝, 岩本 晃史, 澤田 寛, 石井 勝弘, 花山 良平, 北川 米喜, 佐野 孝好, 岩田 夏弥, 千徳 靖彦, 砂原 淳, 中右 樹, 飯塚 森人, 太田 唯斗, 梶村 好宏
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第41回年次大会
• [Presentation] Present status of direct heating experiments of counter illuminated imploded core using GXII/LFEX (2020)
  • Author(s): Y. Mori他28名
  • Organizer: 4th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高強度レーザーの対向照射による高効率加熱の検証II (2020)
  • Author(s): 森芳孝, 岩本晃史, 澤田寛, 石井勝弘, 花山良平, 北川米喜, 佐野孝好, 岩田夏弥, 千徳靖彦, 砂原淳, 太田唯斗, 中右樹, 梶村好宏
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Book] Commercializing Fusion Energy: How Small Businesses are Transforming Big Science (2020)
  • Author(s): David Webbe-Wood, Satoshi Konishi, Shutaro Takeda, Yoshitaka Mori, 他12名
  • Total Pages: 250
  • Publisher: IOP Publishing Ltd
  • ISBN: 9780750327176