2022 Fiscal Year Annual Research Report
Macroscopic structures governed by electron dynamics in non-equilibrium plasmas
Project/Area Number |
22H01195
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Allocation Type | Single-year Grants |
Research Institution | Osaka University |
Principal Investigator |
蔵満 康浩 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (70456929)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大西 直文 東北大学, 工学研究科, 教授 (20333859)
森高 外征雄 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (20554372)
Morace Alessio 大阪大学, レーザー科学研究所, 助教 (70724326)
安部 勇輝 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (70817543)
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Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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Keywords | レーザー / プラズマ / 磁気リコネクション / トムソン散乱 / イオンラジオグラフ / レーザーイオン加速 |
Outline of Annual Research Achievements |
磁場やプラズマのエネルギーの変換器として様々な現象で本質的な役割を担う無衝突衝撃波や磁気リコネクションは、宇宙空間や実験室プラズマ中に普遍的に存在する磁気流体(MHD)的なマクロな現象である。その構造はMHD的に理解できるが、衝撃波の遷移層での散逸やリコネクションのトリガー機構、さらに非熱粒子の加速については、ミクロな物理が支配していると考えられている。本研究では、特に電子ダイナミクスに 着目し、非平衡プラズマ中のマクロ構造を支配するミクロな物理を、パワーレーザーを用いて実験的に研究する。 2022年度は、リコネクションに伴うプラズマの局所計測に関する論文をSpringer Nature社の国際誌、Scientific Reportsに発表し、プレスリリースをおこなった。また、リコネクションや無衝突衝撃波等の高エネルギー現象では、プラズマが非平衡、非定常、非線形であることがほとんどである。これは宇宙、実験室に関わらずプラズマに普遍的な性質であるが、レーザープラズマの局所計測に用いられるトムソン散乱では、平衡、定常、線形という仮定があった。リコネクションや無衝突衝撃波の近傍でしばしば観測される自由エネルギーがある系、例えば二流体系における不安定なプラズマについて、トムソン散乱の理論と数値シミュレーションにより研究し、プラズマの専門誌に発表した。この他、高エネルギー粒子計測器開発等複数本の学術論文と内外の会議での成果発表をおこなった。 2022年度の実験は、阪大レーザー研のパワーレーザーGXIIレーザーを用いプラズマを生成し、磁場構造計測のためのイオンビームを高強度レーザーLFEXを用いて生成し、レーザープラズマ中の電磁場のイオンラジオグラフ計測を行った。現在結果を解析中であるが、細かい電磁場構造の計測に成功しており、これもインパクトの高い成果として発表予定である。
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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
LFEXとGXIIを同時に用いるマシンタイムが採択されたため、前倒しでプラズマ中の電場計測実験をおこなった。多方向からレーザー照射が可能なターゲットチャンバー1(T1)を用いた。これまでの実験は一方向照射のT2を用いており、若干条件が異なっている。特にイオンビー ム生成のLFEXレーザーは高真空を要し、T2で行ったガスフィルでのショットが不可である。90度に配置した2枚の固体ターゲットを用いて、二流体プラズマを生成した。また、実験室宇宙物理では比較的大きな(~1 cm)プラズマを生成するため、非相対論強度までLFEXをデフォーカスし、十分な視野を確保した。非相対論強度でレーザーイオン加速の実績のある、独自開発のlarge-area susupended grapheneをターゲットとして用い、イオン検出器にはこれも独自技術である複数の固体飛跡をスタックで用いた。結果は、プラズマ生成のGXIIレーザー照射タイミングから比較的早い 段階(10 ns)では、コヒーレントな波状の構造を捉えており、時間の経過とともに乱流的な構造に発展していく様子が捉えられている。まずは衝撃波等のマクロな構造が取れれば大成功だと思って難しい実験に臨んだが、結果は我々の想定を大きく超えて、非常に複雑で美しい構造が捉えられている。
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Strategy for Future Research Activity |
今後は、イオンラジオグラフに用いた固体飛跡のイオンピットの情報から、機械学習を導入してイオンビーム中のイオン一つ一つのエネルギーと位置情報を求め、さらにその膨大なデータを用い電磁場の再構築を行う予定である。機械学習を用いたイオンピット解析については、独自開発ですでに汎用性の高い手法が開発できており、電磁場の再構築には、フランスと台湾との国際共同研究を通して、こちらもAIを導入した解析を進めていく予定である。さらに、固体飛跡の一種である蛍光飛跡検出器を用いた化学処理を必要としないイオン計測手法も開発し、ここにも同様に機械学習や畳み込みニューラルネットワークを導入して行く予定である。
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[Journal Article] Direct observations of pure electron outflow in magnetic reconnection2022
Author(s)
Sakai K.、Moritaka T.、Morita T.、Tomita K.、Minami T.、Nishimoto T.、Egashira S.、Ota M.、Sakawa Y.、Ozaki N.、Kodama R.、Kojima T.、Takezaki T.、Yamazaki R.、Tanaka S. J.、Aihara K.、Koenig M.、Albertazzi B.、Mabey P.、Woolsey N.、Matsukiyo S.、Takabe H.、Hoshino M.、Kuramitsu Y.
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 12
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] 多段シンチレータを用いた多核種GeVイオン計測器の開発 -レーザーイオン加速実験における活用とその展望-2022
Author(s)
南卓海, 時安敦史, 郡英輝, 安部勇輝, 岩崎滉, 田口智也, 小田和昌, 鈴木蒼一郎, 浅井孝文, 境健太郎, 姫野公輔, 田中周太, 諌山翔伍, 金崎真聡, 小平聡, 福田祐仁, 蔵満康浩
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Journal Title
ESI-NEWS
Volume: 40, 1
Pages: -
Peer Reviewed
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[Presentation] A scintillator pixel array for real-time spectroscopy of GeV-scale and multi-species ions produced in laser-plasma experiments2022
Author(s)
T. Minami, Y. Abe, K. Iwasaki, T. Taguchi, K. Oda, S. Suzuki, T. Asai, S. J. Tanaka, M. Kanasaki, S. Kodaira, Y. Fukuda, A. Tokiyasu, H. Kohri, and Y. Kuramitsu
Organizer
The 24th Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics (HTPD2022)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Predictive capability of material screening by fast neutron activation analysis using laser-driven neutron sources2022
Author(s)
Y. Abe, A. Nakao, Y. Arikawa, A. Morace, T. Mori, Z. Lan, T. Wei, S. Asano, T. Minami, Y. Kuramitsu, H. Habara, H. Shiraga, S. Fujioka, M. Nakai, and A. Yogo
Organizer
The 24th Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics (HTPD2022)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Local measurements of laser-driven electron-scale magnetic reconnection2022
Author(s)
K. Sakai, T. Moritaka, T. Morita, K. Tomita, T. Minami, S. Egashira, M. Ota,Y. Sakawa, T. Takezaki, R. Yamazaki, S. J. Tanaka, M. Koenig , B. Albertazzi, P.Mabey, N. Woolsey, S. Matsukiyo, H. Takabe, M.Hoshino, Y. Kuramitsu
Organizer
13th International Conference on High Energy Density Laboratory Astrophysics (HEDLA 2022)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Automation of Etch Pit Analyses on Solid-State Nuclear Track Detectors with Machine Learning2022
Author(s)
T.Taguchi, T.Hihara, T.Asai, T.Minami, K.Sakai, A.Yogo, Y.Arikawa, W.Y.Woon, S.Kodaira, T.Yamauchi, M.Kanasaki, Y.Fukuda, Y.Kuramitsu
Organizer
13th International Conference on High Energy Density Laboratory Astrophysics (HEDLA 2022)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Laser-driven collisionless electrostatic shock generation in a multicomponent-ion plasma2022
Author(s)
Y. Sakawa, Ohira, R. Kumar, A. Morace, L. N. K. D¨ohl, N. Woolsey, H.Ishihara, O. Kuramoto, M. Ota, S. Egashira, T. Minami, K. Sakai, Y. Abe, Y.Kuramitsu, T. Morita, M. Kanasaki, S. Jinno, T. Pikuz, Y. Fukuda
Organizer
13th International Conference on High Energy Density Laboratory Astrophysics (HEDLA 2022)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Experimental observation of induced Compton scattering in laser produced plasmas2022
Author(s)
S. J. Tanaka, Y. Kuramitsu, M. S. Habibi, D.-W. Lin, H.-E. Chen, T.-H. Huang,T.-Y. Huang, N. Bolouki, S. Isayama, Y.-L. Liu, H.-H. Chu, J. Wang, Y. Fukuda
Organizer
13th International Conference on High Energy Density Laboratory Astrophysics (HEDLA 2022)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Laser ion acceleration with a large-area suspended graphene target from sub-relativistic to relativistic intensities2022
Author(s)
T.Minami, Y.T.Liao, K.Sakai, L. N. K. Dohl, Y.Abe, H.Kiriyama, Ko.Kondo, Y.Arikawa, A.Yogo, Y.Sakawa, A.Morace, S.Egashira, M.Ota, T.Asai, M.Kanasaki, Y.Fukuda, H.Habara, W.Y.Woon, Y.Kuramitsu
Organizer
13th International Conference on High Energy Density Laboratory Astrophysics (HEDLA 2022)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Gekko XII High Power Laser Experiment and Numerical Simulation on Developing Supercritical Magnetized Shock2022
Author(s)
S. Matsukiyo, R. Yamazaki, T. Morita, K. Tomita, Y. Kuramitsu, T. Sano, S. J.Tanaka, T. Takezaki, S. Isayama, M. Edamoto, S. Tomita, M. Ota, S. Egashira,T. Minami, K. Sakai, M. Iwamoto, N. Ozaki and Y. Sakawa
Organizer
The 20th International Congress on Plasma Physics (ICPP 2022)
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] 水素クラスターターゲットと高強度レーザーとの相互作用による準単色multi-MeV陽子線の繰り返し発生2022
Author(s)
浅井孝文, 鍛治賢志, 田邉寛之, 井上千裕, 望月政一郎, 南卓海, 境健太郎, 姫野公輔, 田口智也, 小田和昌, 鈴木蒼一朗, 安部勇輝, 郡英輝, 時安敦史, 田中周太, Tatiana Pikuz , 北川暢子, 森島邦博, 小平聡, 今亮, Kai Huang , 中新信彦, 近藤康太郎, 神門正城, 真柴雄司, 宮坂泰弘, 小倉浩一, 匂坂明人, 桐山博光, 山内知也, 蔵満康浩 et al.
Organizer
日本物理学会2022年秋季大会
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[Presentation] アルゴンクラスターのクーロン爆発電場による背景ガスプロトンの加速2022
Author(s)
井上千裕, 浅井孝文, 鍛治賢志, 田邉寛之, 望月政一郎, 南卓海, 境健太郎, 姫野公輔, 田口智也, 小田和昌, 鈴木蒼一朗, 安部勇輝, 郡英輝, 時安敦史, 田中周太, Tatiana Pikuz , 北川暢子, 森島邦博, 小平聡, 今亮, Kai Huang , 中新信彦, 近藤康太郎, 神門正城, 真柴雄司, 宮坂泰弘, 小倉浩一, 匂坂明人, 桐山博光, 山内知也, 蔵満康浩 et al.
Organizer
日本物理学会2022年秋季大会
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[Presentation] kJ級ピコ秒レーザーの直接照射によるlarge-area suspended graphene target を用いたイオン加速2022
Author(s)
南卓海, 鈴木蒼一郎, 境健太郎, K. T. Wu , Y. T. Liao , L. N. K. Dohl , 有川安信, 余語覚文, A. Morace , 安部勇輝, 金崎真聡, 福田祐仁, 羽原英明, N.Woolsey , W. Y. Woon , 蔵満康浩
Organizer
日本物理学会2022年秋季大会
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[Presentation] レーザープラズマ中の磁気リコネクションにおける磁気拡散領域の詳細計測と磁場構造変化の検証2022
Author(s)
森田太智, 前之園凱夫, 村本裕耶, 松清修一, 諌山翔伍, 東力也, 高橋健太, 有川安信, 坂和洋一, 江頭俊輔, 前田亘佑, 竹崎太智, 小口拓哉, 富田健太郎, Yiming Pan , 山崎了, 田中周太, 佐藤雄飛, 塩田珠里, 蔵満康浩, 境健太郎
Organizer
日本物理学会2022年秋季大会
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[Presentation] 多層シンチレーション検出器を用いた単一粒子計数法によるGeV級イオンの質量分解エネルギー計測法の開発2022
Author(s)
小田和昌, 南卓海, 時安敦史, 郡英輝, 安部勇輝, 岩崎滉, 田口智也, 浅井孝文, 金崎真聡, 小平聡, 田中周太, 福田祐仁, 蔵満康浩
Organizer
日本物理学会2022年秋季大会
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[Presentation] 波形整形ビームを用いた中実球圧縮における流体不安定性の影響2022
Author(s)
瀧澤龍之介, 長友英夫, 有川安信, 森田大樹, 敦近原, 前川珠貴, 片桐健登, 尾崎典雅, 弘中陽一郎, 重森啓介, 藤域淳平, 安部勇輝, 羽原英明, 蔵満康浩, 城崎知至, 坂上仁志, 中井光男, 白神宏之, 兒玉了祐, 千徳靖彦, 藤岡慎介
Organizer
日本物理学会2022年秋季大会
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[Presentation] 高強度レーザー駆動多種イオンプラズマ中の無衝突静電衝撃波によるイオン加速2022
Author(s)
坂和 洋一,Ishihara Hiroki,Kuramoto Otono,Matsumoto Yusiro,Egashira Syunsuke,Ota Masato,Pikuz Tatiana,Ninami Takumi,Sakai Kentaro,Kuramitsu Yasuhiro,et al.
Organizer
地球電磁気・地球惑星圏学会(SGEPSS) 第152回総会・講演会
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[Presentation] 磁化プラズマ衝撃波の長時間発展の大型レーザー実験2022
Author(s)
東 力也, 松清 修一, 諌山 翔伍, 山崎 了, 森田 太智, 竹崎 太智, 富田 健太郎, 蔵満 康浩, 田中 周大, 佐野 孝好, 坂和 洋一, 高橋 健太, 忍田 昂太郎, 中山 学, 佐藤 弓真, 下岡 光, 馬場 俊輔
Organizer
地球電磁気・地球惑星圏学会(SGEPSS) 第152回総会・講演会
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[Presentation] レーザー生成プラズマ中の磁気リコネクションにおける磁気拡散領域の時間・空間 分解計測2022
Author(s)
森田 太智, 松清 修一, 諌山 翔伍, 前之園 凱夫, 村本 裕耶,Yiming Pan, 富田 健太郎, 竹崎 太智, 蔵満 康浩, 境 健太郎, 江頭 俊輔, 東 力也, 高橋 健太, 有川 安信, 前田 亘佑, 坂和 洋一, 小口 拓哉, 山崎 了, 田中 周太, 佐藤 雄飛, 塩田 珠里
Organizer
地球電磁気・地球惑星圏学会(SGEPSS) 第152回総会・講演会
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[Presentation] Local measurements of magnetic reconnection driven by electron dynamics in GEKKO XII laser facility2022
Author(s)
K. Sakai, T. Moritaka, T. Morita, K. Tomita, T. Minami, S. Egashira, M. Ota, Y. Sakawa, N. Ozaki, R. Kodama, T. Takezaki, R. Yamazaki, S. J. Tanaka, M. Koenig, B. Albertazzi, P. Mabey, N. Woolsey, S. Matsukiyo, H. Takabe, M. Hoshino, Y. Kuramitsu
Organizer
プラズマ・核融合学会 第39回年会