| Project/Area Number |
21H04452
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
|
| Allocation Type | Single-year Grants |
|---|
| Section | 一般 |
|---|
| Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
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)
|
|---|
| 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)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
|
| 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)
|
|---|
| 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 |
|---|
| 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。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、高強度レーザーと物質との相互作用による、「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、nm-uｍ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、生物・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、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、R5・R6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（課題1・2）：ロッド集合体に集光強度が10^18-19 W/cm^2領域のレーザーを照射する粒子シミュレーションを実施し、プラズマ中に準安定強磁場が生成するロッドのパラメータ領域を明らかにした。また、固体水素に集光強度が10^22 W/cm^2のレーザーを照射する粒子シミュレーションを実施し、ロケット加速機構により、バルク状態のプロトンをサブGeV領域にまで加速可能であることを示した。
(2)構造性媒質の作製（課題3）：R4年度までに開拓したターゲット作製技術を基礎として、新たにリフトオフ工程を導入することで、半径がサブuｍで高さが数10uｍの高アスペクト比のロッド集合体を安定して作製する手法を確立させた。
(3)高強度レーザー照射実験の実施（課題4）：課題3で作製したロッド集合体に集光強度が10^19 W/cm^2のレーザー(京大化研T^6)を照射する実験を実施し、電子温度の空間分布特性を調べた。その結果、質量を一定に保ちロッド径を変化させることで、電子温度が制御可能であることを示す電子エネルギースペクトルが得られた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本課題は、レーザー波長オーダのサブuｍ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10^18-22 W/cm^2領域の高強度レーザーを照射することで、高エネルギー密度プラズマの生成と、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、これまでに以下の成果を得た。
(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（課題1・2）：構造性媒質として、直径がサブuｍオーダで高さが数10 uｍの円柱状シリコンからなる媒質（ロッド集合体）を選択し、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、プラズマ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。また、固体水素に10^22 W/cm^2領域の高強度レーザーを照射することで、サブGeV領域のバルクプロトンが生成することを見いだした。
(2)構造性媒質の作製（課題3）：電子線リソグラフィー、プラズマエッチングを含む最新の半導体製造技術により、サブuｍの微細構造を有する物質（構造性媒質）を世界に類を見ない精度で作製する技術を確立した。特にR5・R6年度では、リソグラフィー工程におけるネガ型からポジ型への変更により、作製に要するコスト（時間・費用）を大幅に削減することに成功するとともに、基板の汚れに起因する不完全なエッチング問題を解決することで、ターゲットを精緻かつ安定して作製する技術を開発した。
(3)高強度レーザー照射実験の実施（課題4）：京大化研の高強度レーザーT6を用いて、構造性媒質（CNT、ロッド集合体）との相互作用実験を実施した。具体的には、同一の性能を有する２台の電子スペクトルメータを用いて、電子のエネルギースペクトルを２方向で同時計測し、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。
|
| Strategy for Future Research Activity |
R5年度（R6年度への繰越分を含む）の成果に基づいて、R7年度以降は以下の研究を推進する。
(1)理論・シミュレーション（課題1・2）：R6年度までの研究において、構造性媒質を用いることで、高エネルギー密度プラズマの生成と、プラズマを閉じ込める機能を有する準定常強磁場の生成が可能であることが示された。R7年度は、粒子コードにイオンの衝突断面積を計算する機能を実装することで、レーザー生成高エネルギー密度プラズマの核融合への応用可能性について検討する。
(2)構造性媒質の作製（課題3）：課題１・2、および、課題4より、生成磁場の高強度化には、微細構造がより小さいロッド集合体（構造性媒質）の開発が必要となることが分かった。R7年度は、プラズマエッチングにおける条件出しを実施し、直径100nmオーダで高さが数10uｍの高アスペクト比のロッド集合体の作製に挑戦する。さらに、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を可能にする新規ターゲットの設計・開発を行う。
(3)高強度レーザー照射実験（課題4）：構造性媒質の特性を優位に引き出すため、プラズマミラーを導入することでプレパルス成分を除去し、より精緻なレーザー照射を実施する。さらに、プローブ光を導入した密度計測などを取り入れることで、レーザー生成高エネルギー密度プラズマの特性を多角的に検証する。また、CNTをモデル化した粒子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の特性と役割を解明する研究を進め、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。
|
