2016 Fiscal Year Annual Research Report
輻射減衰領域でのレーザー物質相互作用による新物質状態の創成と応用研究の開拓
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25287153
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
岸本 泰明 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (10344441)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 高強度レーザー / レーザープラズマ / 高エネルギー密度科学 / 輻射減衰 / 輻射プラズマ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高強度レーザーと物質との相互作用を高精度で再現する拡張型粒子コード（EPIC3D）の開発をH27年度に継続して行った。特に、高エネルギー電子と重元素イオンとの衝突によるBremsstrahlung過程によるX線や輻射減衰によるガンマ線生成などを自己無撞着に取り入れ、極限輻射プラズマ生成のシミュレーションを行う基礎を確立した。開発したEPIC3Dを用いて、以下の研究を実施した。
1)水素ガスが背景に存在する炭素（C）ロッドと高強度レーザーとの相互作用のシミュレーションを行い、炭素ロッドのクーロン膨張に伴う背景ガスの圧縮によって、背景ガスに衝撃波が形成されることを示すとともに、位相空間に準定常的なBGK平衡解に対応する構造が現出することを見出した。同様の構造が、星間ガスを伴う超新星爆発後の衝撃波形成過程においても形成される可能性がある。水素クラスターと高強度レーザーとの相互作用実験（QST連携研究者）において、ナノ秒オーダで衝撃波を観測していることから、その素過程を捉えている可能性がある。また、水素クラスター中に生成される衝撃波形成とそれによる単色性の高い粒子加速の可能性も示した。
2)レーザー伝播方向にキロテスラオーダの縦磁場を印加した場合の亜臨界にある磁化プラズマと高強度レーザーとの相互作用シミュレーションを行い、レーザーの線形および非線形伝播・吸収特性やプラズマ加熱特性の詳細を調べた。吸収率はレーザー強度および磁場強度の関数となり、最大吸収率を与える最適な磁場強度が存在すること、10kTを上回る強磁場領域では、伝播モードである右回り円偏波成分が、相対論的電子サイクロトロン波共鳴加熱（ECR）によって、弱いレーザー強度でも80%を上回る高い吸収率を示すことなどを明らかにした。これらは、これまでの相互作用の描像を大きく変えるものである。
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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
相対論領域の高エネルギー電子、高価数多価イオン、準静的電場・磁場を含む輻射場が動力学のレベルで結合した非平衡輻射プラズマを再現する統合化粒子コードEPICの開発を進展させ、それを用いた粒状物質（クラスター）と高強度レーザーの相互作用シミュレーションを行う環境を作るに至っている。このEPICを使用して、高強度レーザーを照射された炭素（C）や金（Au）の薄膜の電離ダイナミックスや、そのような相互作用過程で放射されるＸ線の特性（強度やスペクトル）を明らかにすることができた。さらに、ターゲットとして、背景ガスのあるクラスター媒質と高強度レーザーとの相互作用のシミュレーションで得た複雑なクラスター爆発の集団的なダイナミックスを簡約化することによって、クラスターのクーロン膨張に駆動される背景ガス中の衝撃波の形成やそれによる単色性の高い粒子加速、また、クラスター内部に生成される衝撃波などの特性について研究を進展させた。これらは、現在、投稿準備中である。また、本研究が契機となり、これらを実験で検証する可能性を検討するに至っている。
また、レーザー駆動の粒子加速や高輝度輻射源など、高強度レーザーとプラズマとの相互作用研究において、それらの効率や制御性の向上の観点から、近年、生成が可能となってきているキロテスラオーダの外部磁場印加がもたらす物理現象の解明とその理論モデルの構築を行い、2編の論文（Physics of Plasmas, 2016）として出版した。これらは、磁場の重要性が注目されているレーザーとプラズマ相互作用研究において、相互作用の基本的なメカニズムについての理論的指針を与えるものである。
これらは、当初計画における課題2・課題4（申請書記載：期間内の目標と研究課題）に資する結果であり、実験等との詳細な比較・検証を除いて、当初予定した進展である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで、本研究の課題1（申請書記載：期間内の目標と研究課題）である高エネルギー電子、高価数多価イオン、輻射場が動力学のレベルで結合した非平衡極限輻射プラズマを再現する統合化粒子コードEPICの開発を行い、3（相互作用物理の解明）について、前述（研究実績の概要と達成度）記載の通り、実験等において観測されている現象を定性的に再現するシミュレーションを実施することが可能になり、予定した成果を挙げている。一方、条件がより複雑で計測が容易でない実験を定量的に再現するには至っていない現況があり、課題2（基礎実験との比較）を一層進展させる必要がある。具体的には、1) 連携研究者による高強度レーザーと炭酸ガスクラスターの相互作用実験とシミュレーションに背景ガスに起因する差異が現出することなどの状況がある。このため、H29年度に研究の持越しを行い、課題2および課題4に関する研究を進展させる。また、極限輻射プラズマの生成時間が短いことから、これを保持する方法が重要であるとの認識に至り、これを行うため、外部磁場印加を行ったシミュレーションを実施する研究をH29年度に行い、これらの知見と基に、普遍性の高いモデルを構築するとともに、それらを学会発表と論文で公表する予定である。
これらH29年度に持越した研究を実施するため、数テラフロップスレベルの大規模シミュレーションが実施可能な計算機環境を確保するとともに、本研究で開発したコードの標準化・高度化などの作業を合わせて行う。
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| Causes of Carryover |
H27年度は、上述（研究実績・達成度）の通り、本研究課題の中心課題である非平衡輻射プラズマを再現する統合化粒子コードEPICの開発を行い、実験等において観測されている現象を定性的に再現するシミュレーションを実施することが可能になり、予定した成果を挙げた。一方、条件がより複雑な実験を定量的に再現するには、これまで開発してきた様々のモジュール（Ｘ線放射、輻射減衰によるガンマ線放射、重元素の電離ポテンシャル計算など）を自己無撞着に取り入れた大規模なシミュレーションを実施する必要があるが、そのためにはコードのチューニングのレベルをより向上させる必要があるとともに、より大きな計算機資源確保が必要になる。また、課題2（基礎実験との比較）では、実験結果を詳細に検討する必要もある。これらの対応に遅延が生じたため、その一部の作業をH29年度に持ち越す必要があるとの判断を至った。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H29年度は、H28年度までに開発を行ったEPICの各モジュールのチューニングレベルを向上させる作業（各モジュールを自己無撞着に統合・最適化）を行うとともに、実験に対応する大規模シミュレーションが可能な計算環境を作り、これにより、実験に即したシミュレーションを実施する。特に、前述（H28年度研究実績）に記載した背景ガスが存在するクラスター媒質と高強度レーザーとの相互作用研究に資源を投入することにより、背景ガスやクラスター中の衝撃波に関する研究を進展させ、論文投稿を行う。これを、H29年度前半に行うとともに、年度後半には課題4（極限輻射プラズマの総合理解と予測・制御の理論体系の構築）の研究全体のまとめを行うとともに、関連成果の研究報告や会議報告に予算を使用する。
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