2021 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of heating dynamics in laser-driven fusion by ultra-fast two-dimensional x-ray imaging
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21H01064
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
白神 宏之 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (90183839)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
有川 安信 大阪大学, レーザー科学研究所, 講師 (90624255)
Morace Alessio 大阪大学, レーザー科学研究所, 助教 (70724326)
中嶋 誠 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (40361662)
中井 光男 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (70201663)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 超高速画像計測 / EOポリマー / 核融合燃焼波 / 高速点火レーザー核融合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、レーザー核融合における未解決の最難関課題の一つである、核融合燃料の一部が加熱された後に熱波がどのような速さでどのような方向にむかって伝播していくかという事を、新しい計測手法を開発して、実測し、物理機構を明らかにするというものである。電気光学(Electro Optical, EO)反応性を有するEOポリマと超短パルスレーザーを用い、光ファイバーを用いたイメージング光学系を用いて超高速計測を実現するものである。EOポリマはテラヘルツ電磁波に対して0.3ピコ秒の超高速応答が実証されている。EOポリマ前にX線結像ピンホールをつけ、バンドルファイバーまたはマルチモードファイバにより画像情報を伝送し、時間分解能1ps画像分解能1ミクロンの超高速画像計測を実現する計画である。開発要素は、(1)EOポリマ素子とファイバーを接続したセンサーを大量生産する、(2)波長1040nm域波長幅40nmで150fsのレーザーを1nsまでストレッチしたチャープパルスレーザー装置、(3)30mの長距離光ファイバー伝送系とレーザーアンプ装置と非信号除去のためのオプティカルシャッタ装置、 (4)EO反応以外の信号の除去手法の開発、(5)イメージング計測のためのイメージングファイバデバイスの開発、(6)イメージング時間分解計測手法の開発である。2021年度はイメージング計測の前段階として、シングルチャンネルによる計測開発を行った。開発要素(1)~(3)まで一気に進んだ。2年目に計画されていたLFEXレーザーで実験を行い初期的なデータも取得している。観測したいEO信号とノイズが混ざっており(4)を引き続き開発する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初計画では2021年度にイメージング装置開発を完了させ2022年度からLFEXレーザー核融合実験へ導入する計画であった。2021年度の成果としては、装置開発(1)~(3)まで完了し、先にLFEXレーザーに導入して多数の実験を行った。この点は計画よりも進んでいる点である。一方でイメージング装置に関する(5),(6)は現在も取り組み中である。イメージング計測に関しては当初計画よりも性能で優れていてかつ簡単な手法を発見し、現在は新しい手法による開発を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画では、EOポリマー上での画像情報を30x30=900本のバンドルファイバーで送る計画であった。そのバンドルファイバーが極めて高価であり上、空間分解能はファイバーの外径である250ミクロンで、画素数は30x30=900pixelである。またバンドルファイバーはコア以外のクラッドやファイバーの隙間など大部分が光の通らないデッドスペースであるため、大きく信号量をロスしてしまう。新たに導入する手法ではマルチモードファイバーによりモードに乗せて画像情報を送ることができる。この方法ではファイバーは通常のマルチモードファイバーであるから安価であり、光のロスはなく、途中増幅も可能であり、得られる性能は格段に高い；空間分解能1ミクロンで、ピクセル数に制限はなくなり、現在の設計では500x500=250000 pixelとなる。本年は(4)を早期に完成させつつ、(5)(6)を新たな手法を導入することで当初目標よりも高い性能を実現し、核融合実験におけるデータ取得を行う。大阪大学の核融合のみならず、米国National Ignition Facilityにおける実験を見据えた国際共同研究も視野に入れた開発を展開する。
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