2020 Fiscal Year Annual Research Report
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19J20765
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
太田 雅人 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | レーザープラズマ / 宇宙物理学 / 非線形光学 / X線自由電子レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙からは加速器の最大エネルギーを凌駕する超高エネルギー、かつ非熱的な冪乗のエネルギースペクトルを有する陽子などの荷電粒子が地球に降り注いでいる。その起源として希薄なプラズマにおける無衝突衝撃波加速が有力視されている。加速機構として、衝撃波の上下流の乱流電磁場によって荷電粒子が反射されて衝撃波面を何度も往復し、その度にエネルギーが上昇する統計加速が提唱されている。本研究では、高強度レーザー生成高速プラズマを用いて、自己生成乱流磁場が散逸機構を担う無衝突ワイベル衝撃波の実験を行う。計測は、X線自由電子レーザーと新たに作製する時間分解式荷電粒子エネルギースペクトロメータを用い、前者でワイベル衝撃波生成過程で生じる電流フィラメントの時間・空間発展を、後者で統計加速による荷電粒子の非熱的エネルギー成分の時間発展を計測する。これにより、宇宙線の加速機構を実験的に明らかにすることが本研究の目的である。
時間分解式荷電粒子エネルギースペクトロメータの要となるElectro-Opticサンプリングを用いた電子ビーム周りの電場分布の計測には成功をしており、既に論文化に成功している。さらに国内・国外での学会発表ではそれぞれ若手優秀賞を受賞し、高い評価を受けている。また、X線自由電子レーザーを用いたレーザー生成プラズマ中での電流フィラメント計測を目的とした実験を播磨のSACLAにて二度実験を行い実験成果を残し、論文化を進めている。今年度にも実験を予定しており、さらに高精度な実験結果が得られる事が期待される。
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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
目標とするレーザープラズマ実験における取得データは以下の二点である。（１）時間分解式荷電粒子エネルギースペクトロメータ。（２）X線小角散乱を用いたワイベルフィラメントの計測。
前者の開発は軌道に乗り、EOサンプリングを用いた相対論的電子ビームが生成する電場の時空間分布に成功し、論文化に成功している。ここでは応用上、重要な計測された電場時空間分布から電子ビームの密度分布を推定する手法を論じた。さらに、EOサンプリングを用いた電場時空間分布のシングルショット計測にも成功し、論文執筆中である。このシングルショット計測はレーザープラズマ実験における高繰り返しのデータ取得が困難な場合に絶大な威力を発揮する。現在レーザープラズマ相互作用で生成された加速荷電粒子を計測るための実験セットアップの準備を行なっている。他にも電子ビームが固体中を伝搬する際の相互作用の効果に関してもEOサンプリングを用いて調査が行われており、固体と高強度レーザーの相互作用による粒子加速への応用も期待される。
後者の開発に関しては、国内外の共同研究者との連携を行いながら、播磨のX線自由電子レーザー（SACLA）にて二度実験を行い着実な実験成果を残している。今年度にも実験を予定しており、さらに高精度な実験結果が得られる事が期待される。ここでは、ワイベルフィラメントを模擬したシリコンロッド集合体ターゲットに高強度短パルスレーザー(パルス幅：40fs、レーザー強度：~10^18W/cm^2)を照射することで円柱上プラズマを生成し、その膨張した密度分布をX線プローブで計測する。X線と高強度レーザーの遅延時間を変更することでプラズマ膨張速度の時間発展を計測することに成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
EOサンプリングの開発は軌道に乗り、相対論的電子ビームが生成する電場の時空間分布に成功し、論文化に成功している。さらに 、この電場時空間分布のシングルショット計測にも成功し、論文執筆中である。そこで、本年度ではこの新たに開発した電場時空間分布のシン グルショット計測を荷電粒子エネルギースペクトロメータに応用する。ここで、ワイベル衝撃波における荷電粒子の統計加速は、時間と共にエネルギースペクトルにおいて非熱的成分が増加することから確認する。そのために必要な条件は時間分解能 が数十フェムト秒、エネルギー分解能が数百keVである事である。上述のシングルショット計測では、CCDカメラで得られる二次元分布の縦横軸 がそれぞれ時空間に対応する。その際、時間分解能は上述の数十フェムト秒、空間分解能は数十マイクロメートルを達成している。したがって 解決するべきは、十分に異なるエネルギーの荷電粒子を分別するに足る磁場アナライザーの開発である。また、荷電粒子をエネルギーに応じて 空間的に分別する。
X線自由電子レーザーを用いたプラズマ診断の進捗としては、これまでX線自由電子レーザーSACLAと高強度レーザーを組み合わせたポンプ・プローブレーザーを二度実施している。X 線小角散乱を用いる事で、ワイベルフィラメントを模擬したSiロッドターゲット（直径500nm、間隔1000nm、規則的配列）のロッド表面のプラ ズマ時間発展をサブマイクロメートル、サブピコ秒の時空間分布でもって計測に成功している。SACLAに併設する高強度レーザーではワイベル 衝撃波を生成するには十分な強度があるとは言い難い。そこで、ワイベル不安定性を促進するターゲットの設計を行い、SACLA実験に臨む。設 計に際しては、Particle-in-cellシミュレーションによって最適化を行う。
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