高速点火核融合実験における高速電子計測による加熱効率の評価

• 研究課題/領域番号: 14J06592
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 核融合学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 小島 完興 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2014-04-25 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 3,200千円 (直接経費: 3,200千円); 2016年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2015年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2014年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
• キーワード: 高速点火核融合 / 高速電子 / 高強度レーザー / プラズマミラー / 硬X線分光器 / 較正

研究実績の概要

高速点火方式の慣性閉じ込めレーザー核融合では、予め圧縮した燃料球に加熱レーザーを照射し、レーザープラズマ相互作用によって加速した相対論的エネルギーを有する電子（以下、高速電子）で高密度燃料を加熱する。高速電子の飛程と燃料の面密度が等しいとき加熱効率は最大となる。そのため適切なレーザー集光強度を決定するために高速電子の平均エネルギーとレーザー集光強度の依存性が研究され、Ponderomotiveスケーリング則等が導出された。
近年の大規模計算の結果、上記のスケーリング則では考慮されていない加熱レーザーのパルス幅に対する高速電子の平均エネルギーの依存性が示された。電子の平均エネルギーとパルス幅の依存性は、高速点火レーザー核融合に適する加熱レーザーのパラメーターの決定に影響する。研究の最終年度にはこれまでの研究開発を用いてこの電子の平均エネルギーのパルス幅の依存性を実験的に初めて調べた。
プラズマミラーによる高コントラスト光とX線分光による電子エネルギー分析法を用いることで、1-4 psの範囲で、加熱レーザーのパルス幅が電子加速に与える影響を実験的に観測することに成功し、実験結果を2次元Particle-in-cellシミュレーションにより解析した。長パルス化による電子の平均エネルギー上昇は、主パルス自身が生成する長スケールのプラズマのみならず、プラズマ中で自己生成する準静的電場・磁場が強く寄与することを明らかにした。準静的電場が存在すると電子はレーザー電場による加速をより長時間受け、磁場は一度加速された電子をもう一度加速場に戻す作用がある。レーザーパルス幅と準静的電場と磁場の成長の時間スケールの関係について考察を行い、高速点火レーザー核融合に最適なレーザーパラメーターを決定するための指針を得た。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Development of Compton X-ray spectrometer for high energy resolution single-shot high-flux hard X-ray spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Sadaoki Kojima, Takahito Ikenouchi, Yasunobu Arikawa, Shohei Sakata, Zhe Zhang, Yuki Abe, Mitsuo Nakai, Hiroaki Nihsimura, Hiroyuki Shiraga, Tetsuo Ozaki, Shuji Miyamoto, Masashi Yamaguchi, Akinori Takemoto, Shinsuke Fujioka and Hiroshi Azechi
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 87 号: 4 ページ: 043502-043502
  • DOI: 10.1063/1.4944864
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Energy distribution of fast electrons accelerated by high intensity laser pulse depending on laser pulse duration (2016)
  • 著者名/発表者名: Sadaoki Kojima, Yasunobu Arikawa, Alessio Morace, Masayasu Hata, Hideo Nagatomo et al.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 717 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1088/1742-6596/717/1/012102
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ultrahigh-contrast kilojoule-class petawatt LFEX laser using a plasma mirror (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasunobu Arikawa, et al.,
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 55 号: 25 ページ: 6850-6857
  • DOI: 10.1364/ao.55.006850
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fast ignition realization experiment with high-contrast kilo-joule peta-watt LFEX laser and strong external magnetic field (2016)
  • 著者名/発表者名: Shinsuke Fujioka, Yasunobu Arikawa, et al.,
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 23 号: 5 ページ: 056308-056308
  • DOI: 10.1063/1.4948278
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Heating efficiency evaluation with mimicking plasma conditions of integrated fast-ignition experiment (2015)
  • 著者名/発表者名: Fujioka, S., Johzaki, T., Arikawa, K. Mima 他
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 91 号: 6 ページ: 063102-063102
  • DOI: 10.1103/physreve.91.063102
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Accuracy evaluation of a Compton X-ray spectrometer with bremsstrahlung X-rays generated by a 6 MeV electron bunch (2014)
  • 著者名/発表者名: Sadaoki Kojima, Yasunobu Arikawa, Yasuhiko Nishimura, Hiromi Togawa, Zhe Zhang, Takahito Ikenouchi, Tetsuo Ozaki, Alessio Morace, Takahiro Nagai, Yuki Abe, Shouhei Sakata, Hiroaki Inoue, Masaru Utsugi, Mitsuo Nakai, Hiroaki Nishimura, Hiroyuki Shiraga, Ryukou Kato, Shinsuke Fujioka and Hiroshi Azechi
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 85 号: 11
  • DOI: 10.1063/1.4894447
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Compton X-Ray Spectrometer for Fast Ignition Experiment (2014)
  • 著者名/発表者名: Sadaoki KOJIMA, Yasunobu ARIKAWA, Takahito IKENOUCHI, Takahiro NAGAI, Yuki ABE, Shouhei SAKATA, Hiroaki INOUE, Takuya NAMIMOTO, Shinsuke FUJIOKA, Mitsuo NAKAI, Hiroyuki SHIRAGA, GEKKO-XII&LFEX Team, Tetsuo OZAKI, Makoto R. ASAKAWA, Ryukou KATO and Hiroshi AZECHI
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 9 号: 0 ページ: 4405109-4405109
  • DOI: 10.1585/pfr.9.4405109
  • NAID: 130005252654
  • ISSN: 1880-6821
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 高速点火核融合における硬X線絶対分光と電子計測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 有川安信 Zhe Zhang 池之内孝仁 小島完興 坂田匠平 尾崎哲 藤岡慎介 西村博明
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 巻: 90 ページ: 665-671
• [学会発表] マルチピコ秒の高強度レーザープラズマ相互作用で発生する自己生成電場・磁場とその相対論的電子加速への影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小島 完興, 畑 昌育, 有川 安信, 岩田 夏弥, Alessio Morace et al.
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] プレプラズマが高強度レーザー生成高速電子のエネルギー分布及び発生効率に与える影響II (2016)
  • 著者名/発表者名: 小島完興 有川安信 藤岡慎介 Alessio Morace 坂田匠平 匂坂明人 余語覚文 Zhe Zhang 池之内孝仁 尾崎哲 長井隆浩 安部勇輝 宇津木卓 李昇浩 井上裕晶 側貴行 田口雄基 松尾一輝 戸崎翔太 小倉浩一 Alexander PIROZHKOV 錦野将元 近藤公伯 西村博明 白神宏之 中井光男 疇地宏 FIREX Team
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 日本 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-21
• [学会発表] OPTIMIZATION OF CONE WALL THICKNESS TO REDUCE HIGH ENERGY ELECTRON GENERATION FOR FAST-IGNITION SCHEME (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Kojima, Y.Arikawa, Y. Hironaka, K.Shigemori, S.Sakata, S. H. Lee, K. Matsuo, K.F.F. Law, S. Tosaki, A. Morace, X. Vaisseau, T. Ozaki, Z. Zhang, H. Sawada, A. Yogo, H. Shiraga, H. Nishimura, M. Nakai, M. Hata, T. Johzaki, A. Sunahara, H. Nagatomo, S. Fujioka and H.Azechi
  • 学会等名: 57th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: 米国ジュージア州
  • 年月日: 2015-11-20
  • 国際学会
• [学会発表] ENERGY DISTRIBUTION OF FAST ELECTRONS GENERATED WITH RELATIVISTIC INTENSITY LASER DEPENDING ON PULSE DURATION (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Kojima, Y. Arikawa, M. Hata, A. Morace, S. Fujioka, A. Yogo, S. Sakata, Z. Zhang, T. Ikenouchi, S. Tosaki, T. Gawa, Y. Taguchi, S.H. Lee, K. Matsuo, Y. Abe, H. Nagatomo, M. Nakai, H. Nishimura, H. Shiraga, A. Sunahara, T. Johzaki, T. Ozaki et al.
  • 学会等名: The 9th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2015)
  • 発表場所: 米国シアトル
  • 年月日: 2015-09-20
  • 国際学会
• [学会発表] プレプラズマが高強度レーザー生成高速電子のエネルギー分布及び発生効率に与える影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小島完興 有川安信 藤岡慎介 Alessio Morace 坂田匠平 匂坂明人 余語覚文 Zhe Zhang 池之内孝仁 尾崎哲 長井隆浩 安部勇輝 宇津木卓 李昇浩 井上裕晶 側貴行 田口雄基 松尾一輝 戸崎翔太 小倉浩一 Alexander PIROZHKOV 錦野将元 近藤公伯 西村博明 白神宏之 中井光男 疇地宏 FIREX Team
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 日本 関西大学
  • 年月日: 2015-09-19
• [学会発表] レーザーパルスコントラストの改善による高速電子の低温化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小島完興 有川安信 藤岡慎介 Alessio Morace 坂田匠平 匂坂明人 余語覚文 Zhe Zhang 池之内孝仁 尾崎哲 長井隆浩 安部勇輝 宇津木卓 李昇浩 井上裕晶 側貴行 田口雄基 松尾一輝 戸崎翔太 小倉浩一 Alexander PIROZHKOV 錦野将元 近藤公伯 西村博明 白神宏之 中井光男 疇地宏
  • 学会等名: 日本物理学会春季大会2015
  • 発表場所: 早稲田大学 早稲田キャンパス
  • 年月日: 2015-03-24
• [学会発表] Development of Compton X-ray Spectrometer for The Fast Ignition Experiment (2014)
  • 著者名/発表者名: Sadaoki Kojima, Yasunobu Arikawa, Yasuhiko Nishimura, Hiromi Togawa, Zhe Zhang, Takahito Ikenouchi, Tetsuo Ozaki, Alessio Morace, Takahiro Nagai, Yuki Abe, Shouhei Sakata, Hiroaki Inoue, Masaru Utsugi, Mitsuo Nakai, Hiroaki Nishimura, Hiroyuki Shiraga, Ryukou Kato, Shinsuke Fujioka and Hiroshi Azechi
  • 学会等名: 20th Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics
  • 発表場所: アメリカ ジョージア州 アトランタ
  • 年月日: 2014-06-02