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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Study of mesoscale high energy density plasmas driven by petawatt laser light

Research Project

Project/Area Number 20H00140
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

千徳 靖彦  大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (10322653)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 城崎 知至  広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (10397680)
藤岡 慎介  大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (40372635)
西内 満美子 (高井満美子)  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 (70391315)
岩田 夏弥  大阪大学, 高等共創研究院, 准教授 (70814086)
佐野 孝好  大阪大学, レーザー科学研究所, 助教 (80362606)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords高エネルギー密度科学 / 高強度レーザー / メゾスケール物理 / プラズマ粒子シミュレーション / レーザーイオン加速 / 実験室宇宙物理学
Outline of Annual Research Achievements

ペタワットレーザーは、物質をピコ秒という時間スケールで、太陽コア付近と同等な状態まで加熱できる可能性を持つ光である。ペタワットレーザーの加熱は、強い非線形性を持つ吸収過程と、急峻な圧力勾配を伴う高密度プラズマ中でのエネルギー輸送過程の両者が複雑に絡み合う現象であり、運動論的領域と流体的領 域の間のメゾスケール現象と捉えることができる。本研究は、パルス幅ピコ秒のkJ級レーザー(LFEX)とパルス幅フェムト秒の超高強度レーザー(J-Karen-P)の二つの異なる特性を持つペタワットレーザーを使ってメゾスケールの非平衡高エネルギー密度プラズマ物理学を開拓する。本年度はピコ秒レーザーLFEXの加熱計測に必要なモノクロX線計測カメラを導入し加熱実験を行った。また、J-Karen-Pレーザーの実験では加熱した固体ターゲットから輻射されるX線を計測するための計測装置を導入し実験を実施した。理論・シミュレーション研究では、強磁場下における円偏光波ホイッスラー波によるプラズマの超高速加熱過程の解明及び、LFEXのような大スポットを持つ相対論的高強度レーザーによる薄膜ターゲットの加熱過程を解明し論文として発表した。また、加熱中の電子分布構造の時間発展に関する理論を構築した。多次元プラズマ粒子シミュレーションのデータ解明を進めた。大スポットの相対論的レー ザープラズマ相互作用の研究は、米国リバモア国立研究所の理論・実験グループとの共同研究として行い、世界最大エネルギーを持つレーザーシステムを使った実験提案を行い、実験が採択されている。来年度は実験データの解析を進める予定である。今年度の成果は、宇宙における高温プラズマ形成の謎や高エネルギー粒子加速機構の解明、また、効率的レーザーイオン加速の実現に貢献するものである。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本年度前半は、コロナ禍で国内での移動や海外への渡航は制限されていた。しかし、Zoomなどオンライン会議を使い、共同研究者との議論を進めることで、その影響を最小限に抑えることができた。また、9月以降はオンサイト会議が開催され、米国物理学会に参加し研究成果を発表するなど、共同研究成果を続々と論文として発表するとともに、世界最大のレーザー施設での実験提案が採択されるなど、予想を上回る成果が得られている。

Strategy for Future Research Activity

ペタワットレーザーが作り出すメゾスケールレーザープラズマに関する研究を、米国・仏国・ドイツの共同研究者と展開する。特に、米国リバモア国立研究所は世界最大のレーザー施設を有し、そのレーザーを使った実験提案が採択され2023年7月に実験予定である。最先端のレーザーを使った実験データによって、これまで構築した理論モデルやシミュレーション結果の検証を行う。レーザー科学研究所やQST光科学研究所においても、ペタワットレーザーによる高密度プラズマ加熱の実験を行い、データの取得を行い、論文としてまとめる。さらに、実験・シミュレーションのデータに対してベイズ推定などによる多変量解析を行い、実験条件に対して、加速粒子のエネルギー依存性や加熱温度などの予測精度を向上する。求めた依存式を実験で検証し高精度化すると共に、最適な実験条件を提示し、実験を行う。理論・シミュレーション研究では、輻射輸送のモデルを拡張し、ガンマ線の吸収過程として陽電子・電子対生成過程などのQED過程を開発したが、東欧ELI施設などでの実験提案をフランスボルドー大学、米国カリフォルニア大学サンディエゴ校と共同で提案し、モデルの実験検証を行う予定である。

  • Research Products

    (21 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 3 results)

  • [Int'l Joint Research] ローレンスリバモア国立研究所/カリフォルニア大学サンディエゴ校/ネバダ大学リノ校(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      ローレンスリバモア国立研究所/カリフォルニア大学サンディエゴ校/ネバダ大学リノ校
  • [Int'l Joint Research] ボルドー大学(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      ボルドー大学
  • [Int'l Joint Research] HZDR/European XFEL(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      HZDR/European XFEL
  • [Journal Article] Ultrafast time-resolved 2D imaging of laser-driven fast electron transport in solid density matter using an x-ray free electron laser2023

    • Author(s)
      Sawada H.、Yabuuchi T.、Higashi N.、Iwasaki T.、Kawasaki K.、Maeda Y.、Izumi T.、Nakagawa Y.、Shigemori K.、Sakawa Y.、Curry C. B.、Frost M.、Iwata N.、Ogitsu T.、Sueda K.、Togashi T.、Glenzer S. H.、Kemp A. J.、Ping Y.、Sentoku Y.
    • Journal Title

      Review of Scientific Instruments

      Volume: 94 Pages: 033511-1-7

    • DOI

      10.1063/5.0130953

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Dynamics of ultrafast heated radiative plasmas driven by petawatt laser light2022

    • Author(s)
      Sugimoto K、Iwata N、Sunahara A、Sano T、Sentoku Y
    • Journal Title

      Plasma Physics and Controlled Fusion

      Volume: 64 Pages: 035004~035004

    • DOI

      10.1088/1361-6587/ac4313

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Isochoric heating of solid-density plasmas beyond keV temperature by fast thermal diffusion with relativistic picosecond laser light2022

    • Author(s)
      Higashi Naoki、Iwata Natsumi、Sano Takayoshi、Mima Kunioki、Sentoku Yasuhiko
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 105 Pages: 055202-1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.105.055202

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Electron energy distribution formation under recursive accelerations by relativistic laser light2022

    • Author(s)
      千徳靖
    • Organizer
      64th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Lateral confinement of fast electrons and its impact on laser ion acceleration2022

    • Author(s)
      岩田夏弥
    • Organizer
      64th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Multivariate scaling of maximum proton energy in intense laser driven ion acceleration2022

    • Author(s)
      高木悠司
    • Organizer
      64th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Electron-positron pair production by linear Breit-Wheeler process in ultra-short petawatt laser-plasma interaction2022

    • Author(s)
      杉本馨
    • Organizer
      64th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 輻射輸送とQED過程を考慮したプラズマ粒子シミュレーション2022

    • Author(s)
      千徳靖彦
    • Organizer
      第27回数値トカマク実験(NEXT)研究会
  • [Presentation] 高強度レーザーとプラズマの相互作用にお ける陽電子の生成と加速機構について2022

    • Author(s)
      千徳靖彦
    • Organizer
      地球電磁気・地球惑星圏学会(SGEPSS) 第152回総会・講演会プログラム
  • [Presentation] 高強度レーザープラズマ相互作用における自己組織化に伴う陽電子生成・加速機構2022

    • Author(s)
      千徳靖彦
    • Organizer
      プラズマ核融合学会・年会
  • [Presentation] Electron-positron pair production by linear Breit-Wheeler process in ultra-short petawatt laser-plasma interaction2022

    • Author(s)
      Kaoru Sugimoto
    • Organizer
      AAPPS-DPP2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Multiple regression analysis for maximum proton energy in laser-driven acceleration2022

    • Author(s)
      Yuji TAKAGI
    • Organizer
      AAPPS-DPP2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Physics of High Energy Density Plasmas Produced by Intense Laser Light2022

    • Author(s)
      Yasuhiko Sentoku
    • Organizer
      The 13th International Symposium of Advanced Energy Science, Kyoto University
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Conditions to distinguish between collisionless shock and double-layer structure2022

    • Author(s)
      Minh Naht Ly
    • Organizer
      日本物理学会 2022年秋季大会
  • [Presentation] 超高強度レーザーによる臨界密度プラズマの自己組織化で発現する陽電子生成および陽電子加速機構2022

    • Author(s)
      杉本馨
    • Organizer
      日本物理学会 2022年秋季大会
  • [Presentation] 高密度プラズマ中の高速電子輸送の非局所性と磁場構造について2022

    • Author(s)
      千徳靖彦
    • Organizer
      日本物理学会 2022年秋季大会
  • [Presentation] 運動論的レーザー吸収で発生する電子フラックス特性の統計的解析2022

    • Author(s)
      高木悠司
    • Organizer
      日本物理学会 2022年秋季大会
  • [Presentation] 最適なレーザー核融合を目指す数値レーザー核融合プロジェクト(FIREX-NEO)の紹介2022

    • Author(s)
      千徳靖彦
    • Organizer
      レーザー学会第43回年会

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Published: 2023-12-25  

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