| Project/Area Number |
21H04452
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
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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, 名誉教授 (10344441)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
時田 茂樹 京都大学, 化学研究所, 教授 (20456825)
福田 祐仁 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 光量子ビーム科学研究部, 上席研究員 (30311327)
深見 一弘 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60452322)
松井 隆太郎 京都大学, エネルギー科学研究科, 助教 (70870476)
今寺 賢志 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (90607839)
井上 峻介 京都大学, 化学研究所, 助教 (40724711)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥40,950,000 (Direct Cost: ¥31,500,000、Indirect Cost: ¥9,450,000)
Fiscal Year 2025: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Fiscal Year 2023: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
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| Keywords | 高強度レーザーと物質との相互作用 / 高エネルギー密度プラズマ / 自己組織化 / 高強度磁場生成 / プラズマの閉じ込め |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の概要は、ナノ工学と材料工学の融合技術によって作成したサブミクロンメートルサイズでデザインした微細構造を持つ媒質とフェムト秒オーダーで制御した極短パルス高強度レーザーの相互作用により、相対論的な電子とイオンおよび広帯域の電磁場が結合した高エネルギー密度状態のプラズマを生成するとともに、プラズマに備わった自己組織化機能を利用・制御することで慣性時間を超えてこれを長時間閉じ込めること、このプラズマを共通の研究プラットホームとして、陽子・ホウ素核融合反応をはじめとした応用研究を展開することである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、「高強度磁場で支配される新しい極限物質状態の実現」と「水素・ホウ素核融合を含む新領域の応用研究の展開」を目的として、集光強度領域10＾18-22 W/cm＾2を実現する近年の極限レーザー技術、マイクロメートルオーダでの精緻な物質のデザインを可能にするナノ工学技術、強非線形で支配される高エネルギー密度科学、生命の複雑な構造の起源を解明する自己組織化科学などを融合することで、10-100 kTの超高強度磁場生成を伴う制御された高エネルギー密度プラズマの生成とプラズマの自己組織化機能を利用した慣性時間を越えての閉じ込め状態の実現・検証を目指している。この目的のもと、R4・R5年度は以下の研究を推進した。
(1)構造性媒質の特性に関する理論・シミュレーション研究：構造性媒質と高強度レーザーを照射する２次元粒子シミュレーションを実施し、レーザー生成高エネルギー密度プラズマの慣性時間を超えての保持を実現するターゲットのパラメータ領域を明らかにした。
(2)構造性媒質の作製：R3年度までの研究において、シリコンロッド集合体の作製手法を開拓したことを踏まえ、高アスペクト比のロッド集合体を高い精度で作製する技術の開発に着手し、半径がサブマイクロメートルオーダでアスペクト比が40-50に及ぶロッド集合体の作製に成功した。
(3)高強度レーザー照射実験の実施：構造性媒質へのレーザー照射で生成されるプラズマの特性を理解することを目的に、CNT（カーボンナノチューブ）およびロッド集合体に10＾18-19 W/cm＾2 領域の高強度レーザー(京大化研T6)を照射する実験を実施し、電子のエネルギースペクトル取得することで、ターゲットの微細構造により生成するプラズマの電子温度と空間分布特性を明らかにした。
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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
R4・R5年度は、レーザー波長オーダのサブマイクロメートルサイズの微細構造を付与した物質（構造性媒質）に、集光強度が10＾18-19 W/cm＾2領域の高強度レーザーを照射することで、生成した高エネルギー密度プラズマを慣性時間を超えて閉じ込める手法の開拓を目的として、以下の成果を得た。
(1)構造性媒質の特性に関する理論・シミュレーション研究：本課題では、構造性媒質として、直径がサブマイクロメートルオーダで高さが数10マイクロメートルの円柱状シリコンからなるロッド集合体を選択し、これに高強度レーザーを照射する２次元粒子シミュレーションを実施した。その結果、ターゲットを適切に設計することで、プラズマの自己組織化機能を引き出し、これを保持する機能を有するkTオーダの準定常強磁場が生成することを明らかにした。
(2)構造性媒質の作製：本年度は、R4年度までに確立したプラズマエッチング技術を基礎に、より精緻にターゲットを作製するため、リソグラフィー工程において従来のネガ型からポジ型に変更した。これにより、作製に要するコスト（時間・費用）の大幅な削減に成功し、基板の汚れに起因する不完全なエッチング問題を解決し、ターゲットを精緻に作製する技術を確立させた。さらに、ロッド集合体のアスペクト比を極限まで大きくした物質としての位置付けでCNTを導入した。
(3)高強度レーザー照射実験の実施：京大化研の高強度レーザーT6（10＾18-19 W/cm＾2 領域・パルス幅40fs）を用いて、CNTおよび作製したロッド集合体との相互作用実験を実施した。R4年度に作製した、京大化研所有の電子スペクトルメータ（ESM）と同等の機能（測定エネルギー領域・分解能）を有するESM用いて、電子のエネルギースペクトルを２方向から同時計測し、生成プラズマの電子温度と空間分布特性を明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度（2023年度への繰越分を含む）の成果に基づいて、2024年度以降は以下の研究を推進する。
1) 2021年度において行ったCNT照射実験で得た結果を検証するため、照射レーザーの品質を向上する実験環境を構築するとともに（後述）、電子エネルギースペクトルの角度依存性などを取得する精緻な実験研究を実施する。また、方向性を有するCNTターゲット構造をモデル化した2次元および3次元の相互作用シミュレーションと実験結果の比較検討を行うことにより、極限状態の構造性媒質としての方向性を有するCNTターゲットの特性と役割を解明する研究を進める。本研究で得た知見を基礎に、ファイバーレーザーなどを想定した体内組み込み型の放射線デバイスの可能性に関する基礎研究にも着手する。2)上述1)に関連して照射レーザーの時間的・空間的な品質を向上するため、レーザー照射系にプラズマミラーなどを導入することでプレパル成分やペデスタル成分を除去・制御する研究に着手する。また、構造性媒質の特性を優位に引き出すため、ビーム断面の一様性を保ちつつ高い照射位置安定性を有するレーザーを広域に照射する方策の検討も進める。また、これまで作製した多様なロッド集合体と高強度レーザーの相互作用実験を行い、慣性時間を越えたプラズマの閉じ込めに向けた研究に着手する。また、これを行うために不可欠な生成プラズマのダイナミックスや構造を同定するための密度干渉計測および磁場計測に関する研究にも着手する。また、2021年度に作製に成功したレーザー光を閉じ込める機能を有するメタマテリアル様のターゲットを用いたレーザー照射実験を行い、高強度磁場を伴ったプラズモイドの生成、それらの衝突・合体過程を通した反転磁場配位プラズマの生成など、高エネルギー密度プラズマの閉じ込めに関する研究を開始する。
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