2015 Fiscal Year Annual Research Report
界面不安定性による磁化プラズマの乱流混合過程の解明とその実験的検証
| Project/Area Number |
26287147
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
佐野 孝好 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 助教 (80362606)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森田 太智 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (30726401)
西原 功修 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 名誉教授 (40107131)
坂和 洋一 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 准教授 (70242881)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | 磁気流体シミュレーション / レーザープラズマ実験 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
「磁場」と「乱流混合」が様々なプラズマ現象でホットなキーワードとなっている。本研究は、界面不安定の一つであるリヒトマイヤー・メシュコフ不安定に着目する。 まず、宇宙プラズマに見られる界面不安定駆動の「磁気乱流」の特性を理解し、観測される星間磁場との比較を通して「乱流と磁場」の相互作用を明らかにする。そして、「磁化プラズマ中の乱流混合」を、制御できるまでに理解を深めることで、慣性核融合プラズマへの応用も視野に入れて研究を進める。本研究の最大の特色は、理論シミュレーションに加えて、レーザープラズマを用いた実験的検証も平行して行う点である。これらによって、観測や実験に裏付けられたロバストな理論モデルが構築できると確信している。
実験面では計測技術の成熟によって、外部磁場中でのリヒトマイヤー・メシュコフ不安定の成長過程及び磁場の計測に成功した。固体ーガス界面に初期に与えられた擾乱が、レーザー駆動衝撃波の通過によって不安定成長し、10倍以上の擾乱振幅の増大を観測した。その形状は指型に延びており、固体ーガス界面のように密度比の大きな界面における不安定性の特徴と一致している。また、0.1テスラ程度の永久磁石によって印可した外部磁場の有無によって、プラズマの持つ磁場強度に大きな違いがあることも明らかに出来た。しかしながら、界面不安定の成長による磁場の増幅という、定量的な部分については依然として決着がついておらず、次年度以降も実験に改良を加えつつ引き続き研究を進めていく予定である。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
レーザー実験に関しては、今年度も大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの大型レーザーを用いた共同利用・共同研究課題「リヒトマイヤー・メシュコフ不安定性による磁化プラズマの乱流混合過程」として、約一週間の実験を実施した。今年度は、精度が飛躍的に向上した可視光計測によって、界面擾乱が不安定成長する様子をきれいに捕えることに成功した。また、不安定性によって増幅された磁場の情報も、再現性よく計測することができた。その結果、例えば磁場計測に関して、現状の計測器の配置では本来期待していた効果による磁場の変化を観測することが出来ないなどの課題も明らかになり、これに関しては今後の実験で改善していきたいと考えている。
理論面では、磁化プラズマ中でのレーザープラズマ相互作用に関する新しい研究展開も行っている。レーザーからプラズマへのエネルギー変換過程は、その後の流体不安定の成長にとっても極めて重要なプロセスであるため、この理解を主に粒子シミュレーションを用いて詳しく解析を進めている。次年度以降も、粒子シミュレーションによるプラズマ加熱現象を扱いながら、さらに三次元磁気流体シミュレーションによる界面不安定の解析にも取り組む予定である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
理論的研究では、三次元シミュレーションによる磁場入りリヒトマイヤー・メシュコフ不安定の解析を行いたい。界面不安定の特性を詳しく調べることを目的として、ここでも計算領域に一つのモードの初期擾乱のみを考えるシングルモード解析を適用する。二次元解析と同様に不安定性の非線形進化や磁場の増幅過程を、様々な物理パラメータに対して定量的に解析する。さらに、磁場の三次元構造を考慮することにより、磁場の幾何学的構造と不安定性の成長及び抑制条件の相関を明らかにしていく。また、三次元化によって、磁気ヘリシティという新しい概念を導入できる。そこで、磁気ヘリシティが界面不安定にどのような効果を及ぼすのかについて、特に注目しながら解析を進めていきたい。
実験面では、来年度も大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの共同利用・共同研究実験に採択されており、国内最大の大出力レーザーである激光12号レーザーを用いたリヒトマイヤー・メシュコフ不安定の実験を実施する予定である。実験的には、界面の密度比、すなわちアトウッド数に対する依存性に着目する。これまでは、固体プラスチックターゲットと窒素ガスとの間の界面擾乱の成長過程を扱っていたが、ガス圧をコントロールできる新しいターゲットを導入し、異なる物理パラメータを模擬する実験に挑戦していきたい。また、フランスの大型レーザーを用いた類似の実験にも参加し、新しい実験の可能性についても追求していきたいと考えている。
|
| Causes of Carryover |
実験に使用予定であった計測器に不具合が生じたため急遽その修理などに費用が必要になるなどの予定変更があったため、当初購入予定であった計算クラスタは次年度の予算で購入するようにしたため。なお、理論シミュレーション研究には、大阪大学などの計算機資源を有効に利用することでほぼ予定通りの研究を進めることが出来た。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度には計算クラスタを購入し、計算コードの開発や小規模シミュレーションを大量に実施し、リヒトマイヤー・メシュコフ不安定の三次元解析を進めていきたい。
|
-
-
-
-
[Journal Article] Magnetic reconnection driven by Gekko XII lasers with a Helmholtz capacitor-coil target2016
Author(s)
Pei, X. X.; Zhong, J. Y.; Sakawa, Y.; Zhang, Z.; Zhang, K.; Wei, H. G.; Li, Y. T.; Li, Y. F.; Zhu, B. J.; Sano, T.; Hara, Y.; Kondo, S.; Fujioka, S.; Liang, G. Y.; Wang, F. L.; Zhao, G.
-
Journal Title
Physics of Plasmas
Volume: 23
Pages: 032125
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
-
-
[Journal Article] Thomson scattering measurement of a collimated plasma jet generated by a high-power laser system2016
Author(s)
Ishikawa, T.; Sakawa, Y.; Morita, T.; Yamaura, Y.; Kuramitsu, Y.; Moritaka, T.; Sano, T.; Shimoda, R.; Tomita, K.; Uchino, K.; Matsukiyo, S.; Mizuta, A.; Ohnishi, N.; Crowston, R.; Woolsey, N.; Doyle, H.; Gregori, G.; Koenig, M.; Michaut, C.; Pelka, A.; Yuan, D.; Li, Y.; Zhang, K.; Zhong, J.; Wang, F.; Takabe, H.
-
Journal Title
Journal of Physics: Conference Series
Volume: 688
Pages: 012098
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
-
-
-
[Journal Article] Computational study of magnetic field compression by laser-driven implosion2015
Author(s)
Nagatomo, H.; Johzaki, T.; Asahina, T.; Sunahara, A.; Sano, T.; Sakagami, H.; Mima, K.; Fujioka, S.; Shiraga, H.; Azechi, H.
-
Journal Title
Nuclear Fusion
Volume: 55
Pages: 093028
DOI
Peer Reviewed / Open Access
-
-
[Journal Article] P-ρ-T measurements of H2O up to 260 GPa under laser-driven shock loading2015
Author(s)
Kimura, T.; Ozaki, N.; Sano, T.; Okuchi, T.; Sano, T.; Shimizu, K.; Miyanishi, K.; Terai, T.; Kakeshita, T.; Sakawa, Y.; Kodama, R.
-
Journal Title
The Journal of Chemical Physics
Volume: 142
Pages: 164504
DOI
Peer Reviewed / Open Access
-
-
-
-
-
-
