運動論に基づく非線形高強度レーザー照射モデルを考慮した輻射流体シミュレーション

• 研究課題/領域番号: 17K05728
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: プラズマ科学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 長友 英夫 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (10283813)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2017年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 輻射流体シミュレーション / レーザープラズマ相互作用 / 高速電子輸送 / 運動論効果 / 運動論的効果 / 高エネルギー密度科学 / 計算物理 / レーザープラズマ / 輻射流体力学

研究成果の概要

比較的高強度なレーザーを固体に照射した場合の輻射流体シミュレーションの解析精度を改善するため、ミクロな非線形レーザープラズマ相互作用(LPI)による運動論効果のモデル化に取り組んだ。数多くのLPIのシミュレーションを通して密度スケール長が長い場合の誘導ラマン散乱、ブリリアン散乱等のデータベース化を行った。レーザー吸収、高速電子発生等の時間、スケール長依存性を示すとともにモデル化を行った。輻射流体シミュレーションコードに組み込まれていた拡散近似モデルを拡張し、非等方性の強い高速電子輸送を取り扱えるM1モデルの開発も行った。これによって、高エネルギー密度科学の応用研究にも展開可能になった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高エネルギー密度科学は様々な可能性を持っている。しかし、同分野の多くの実験は極限状態でであることから計測が難しく、科学的な解明の妨げになっている。一方、計算シミュレーションは比較的容易に数値実験を行うことができる。今回の成果は、流体シミュレーションに運動論的な効果をモデル化して組み込むことで極限状態のシミュレーションの精度を大きく向上させるものである。

研究成果

• [雑誌論文] Petapascal Pressure Driven by Fast Isochoric Heating with a Multipicosecond Intense Laser Pulse (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsuo Kazuki、Higashi Naoki、Iwata Natsumi、Sentoku Yasuhiko、Fujioka Shinsuke
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 3 ページ: 035001-035001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.035001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Experiments of forward THz emission from femtosecond laser created plasma with applied transverse electric field (2020)
  • 著者名/発表者名: Fukuda T., Otsuka T.P., Sentoku Y., Nagatomo H., Sakagami H., Kodama R., Yugami N.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: 20902-20902
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of fast ignition target design for ignition and burning experiments (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Johzaki, T. Asahina, M. Hata, Y. Sentoku, K. Mima, H. Sakagami
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 号: 10 ページ: 106055-106055
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab3a5d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electromagnetic field growth triggering super-ponderomotive electron acceleration during multi-picosecond laser-plasma interaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Kojima Sadaoki、Hata Masayasu、Iwata Natsumi、Sentoku Yasuhiko、Fujioka Shinsuke
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 2 号: 1 ページ: 99-99
  • DOI: 10.1038/s42005-019-0197-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct observation of imploded core heating via fast electrons with super-penetration scheme (2019)
  • 著者名/発表者名: Gong T.、Habara H.、Sumioka K.、Yoshimoto M.、Hayashi Y.、Kawazu S.、Otsuki T.、Matsumoto T.、Minami T.、Abe K.、Aizawa K.、Enmei Y.、Fujita Y.、Ikegami A.、Makiyama H.、Okazaki K.、Okida K.、Tsukamoto T.、Arikawa Y.、Fujioka S.、Iwasa Y.、Lee S.、Nagatomo H.、Shiraga H.、Yamanoi K.、Wei M. S.、Tanaka K. A.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 5614-5614
  • DOI: 10.1038/s41467-019-13574-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced heat transport in ablation plasma under transverse magnetic field by upper hybrid resonance heating (2019)
  • 著者名/発表者名: Asahina Takashi、Nagatomo Hideo、Sunahara Atsushi、Johzaki Tomoyuki、Hata Masayasu、Mima Kunioki、Sentoku Yasuhiko
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 30 ページ: 8-12
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2018.12.003
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient laser acceleration of deuteron ions through optimization of pre-plasma formation for neutron source development (2018)
  • 著者名/発表者名: Sunahara Atsushi、Asahina Takashi、Nagatomo Hideo、Hanayama Ryohei、Mima Kunioki、Tanaka Hiroki、Kato Yoshiaki、Nakai Sadao
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 61 号: 2 ページ: 025002-025002
  • DOI: 10.1088/1361-6587/aaeb7b
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of equation of state on laser imprinting by comparing diamond and polystyrene foils (2018)
  • 著者名/発表者名: Kato H.、Shigemori K.、Nagatomo H.、Nakai M.、Sakaiya T.、Ueda T.、Terasaki H.、Hironaka Y.、Shimizu K.、Azechi H.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 25 号: 3 ページ: 032706-032706
  • DOI: 10.1063/1.5018906
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] レーザー駆動中性子源のパルス幅評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 朝比奈 隆志，田中 浩基， 安部 勇輝，森 芳孝，余語 覚文，長友 英夫，花山 良平，早川 岳人
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 46 ページ: 594-598
  • 査読あり
• [雑誌論文] レーザー駆動中性子源の特徴 (2018)
  • 著者名/発表者名: 森 芳孝，安部 勇輝，田中 浩基， 花山 良平，鬼柳 善明，長友 英夫，砂原 淳
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 46 ページ: 564-570
  • NAID: 130007957767
  • 査読あり
• [雑誌論文] Compression and electron beam heating of solid target under the external magnetic field for fast ignition (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Johzaki, T. Asahina, M. Hata, K. Matsuo, S. Lee, A. Sunahara, H. Sakagami, K. Mima, K. Iwano, S. Fujioka, H. Shiraga, and H. Azechi
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 8 ページ: 086009-086009
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa74f0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetohydrodynamics of laser-produced high-energy-density plasma in a strong external magnetic field (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Matsuo, H. Nagatomo, Z. Zhang, P. Nicolai, T. Sano, S. Sakata, S. Kojima, S. Ho Lee, K.F.F. Law, Y. Arikawa, Y. Sakawa, T. Morita, Y. Kuramitsu, S. Fujioka, H. Azechi
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 95 号: 5 ページ: 053204-053204
  • DOI: 10.1103/physreve.95.053204
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Validation of thermal conductivity in magnetized plasmas using particle-in-cell simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Asahina, H. Nagatomo, A. Sunahara, T. Johzaki, M. Hata, K. Mima, Y. Sentoku
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 号: 4 ページ: 042117-042117
  • DOI: 10.1063/1.4981233
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Integrated simulation of magnetic-field-assist fast ignition laser fusion (2017)
  • 著者名/発表者名: T Johzaki, H Nagatomo, A Sunahara, Y Sentoku, H Sakagami, M Hata, T Taguchi, K Mima, Y Kai, D Ajimi, T Isoda, T Endo, A Yogo, Y Arikawa, S Fujioka, H Shiraga, H Azechi
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 59 号: 1 ページ: 014045-014045
  • DOI: 10.1088/0741-3335/59/1/014045
  • URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0741-3335/59/1/014045/meta
  • 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] Fast ion acceleration in a foil plasma heated by a multi-picosecond high intensity laser (2017)
  • 著者名/発表者名: Iwata Natsumi、Mima Kunioki、Sentoku Yasuhiko、Yogo Akifumi、Nagatomo Hideo、Nishimura Hiroaki、Azechi Hiroshi
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 号: 7
  • DOI: 10.1063/1.4990703
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Boosting laser-ion acceleration with multi-picosecond pulses (2017)
  • 著者名/発表者名: A Yogo, K Mima, N Iwata, S Tosaki, A Morace, Y Arikawa, S Fujioka, T Johzaki, Y Sentoku, H Nishimura, A Sagisaka, K Matsuo, N Kamitsukasa, S Kojima, H Nagatomo, M Nakai, H Shiraga, M Murakami, S Tokita, J Kawanaka, N Miyanaga, K Yamanoi, T Norimatsu, H Sakagami, SV Bulanov, K Kondo, H Azechi
  • 雑誌名: Scientific Report 巻: 7 号: 1 ページ: 42451-42451
  • DOI: 10.1038/srep42451
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] An optimum design of a cone-inserted target implosion for reactor scale Fast Ignition (2019)
  • 著者名/発表者名: Hideo NAGATOMO
  • 学会等名: 3rd Association of Asia-Pacific Physical Societies Division of Plasma Physics 2019
  • 招待講演
• [学会発表] Hydrodynamic simulation with the hot-electron transport model for shock ignition (2019)
  • 著者名/発表者名: Hideo Nagatomo, Takeru Hatanaka, Masayasu Hata
  • 学会等名: 61th Annual meeting of the American Physical Society meeting, Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of high intensity Laser Plasma Interaction on hydrodynamic simulations (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeru Hatanaka, Masayasu Hata, Hideo Nagatomo
  • 学会等名: 61th Annual meeting of the American Physical Society meeting, Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] レーザープラズマシミュレーションにおける高速電子熱流束の高精度化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫、畠中健
  • 学会等名: 第33回数値流体力学シンポジウム
• [学会発表] 運動論効果を考慮した高強度レーザーアブレーションの流体シミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫、朝比奈隆志, 畠中健，畑昌育, 千徳靖彦
  • 学会等名: 日本物理学会 第７４回年次大会
• [学会発表] Radiation hydrodynamic simulation with nonlocal electron thermal conduction model in external magnetic field (2018)
  • 著者名/発表者名: Hideo Nagatomo
  • 学会等名: The 3rd International Conference on Matter and Radiation at Extremes 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Target design study of fast ignition for ignition and burning experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: Hideo Nagatomo et al.
  • 学会等名: 27th Fusion Energy Conference, International Atomic Energy Agency
  • 国際学会
• [学会発表] Modeling of LPI and non-local electron transport for radiation hydrodynamic simulation (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Asahina, T. Hatanaka, Y. Sentoku, T. Johzaki
  • 学会等名: 60th Annual meeting of the APS/DPP, November 8 2018, Oregon Convention Center, Portland, Oregon, USA
  • 国際学会
• [学会発表] Simulation study of magneticfield effect on nonlocal heat transport in laser ablation plasma (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Asahina, H. Nagatomo, A. Sunahara, T. Johzaki, M. Hata, K. Mima, and Y. Sentoku
  • 学会等名: 12th International Conference on High Energy Density Laboratory Astrophysics (May 2018), P.01., Kurashiki, Japan.
  • 国際学会
• [学会発表] レーザープラズマ流体解析における 非局所電子熱伝導モデルの高精度化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫, 畠中健, 朝比奈隆志
  • 学会等名: 第32回 数値流体力学シンポジウム 2018年12月11日 機械振興会館
• [学会発表] レーザープラズマの流体シミュレーションへの運動論効果モデルの導入 (2018)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫, 畠中健, 朝比奈隆志, 畑昌育, 城崎知至, 千徳靖彦
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第35回年会
• [学会発表] レーザー爆縮における非局所電子熱伝導の影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫, 朝比奈隆志 城崎知至
  • 学会等名: 第12回 核融合エネルギー連合講演会
• [学会発表] High-rhoR target design relevant to Fast Ignition (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Johzaki, T. Asahina, M. Hata, H. Sakagami, K. Mima
  • 学会等名: International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Validation of non-local electron heat conduction model for radiation MHD simulation in magnetized laser plasma (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Asahina, K. Matsuo, S. Fujioka, Ph. Nicolai, T. Johzaki
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of external and self-generated magnetic field in formation of pre-plasma due to the pre-pulse of ultra-intense laser (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Asahina, A. Sunahara, K. Mima, R. Hanayama
  • 学会等名: OPIC/LANSA’17
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー核融合の爆縮シミュレーションにおける非局所電子熱伝導モデルの影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫，朝比奈隆志，砂原淳, 城崎知至
  • 学会等名: 72回日本物理学会年次大会
• [学会発表] 高速電子を考慮した電子熱伝導モデルの輻射流体シミュレーションへの導入 (2017)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫、朝比奈隆志、松尾一輝、藤岡慎介, 城﨑知至
  • 学会等名: PLASMA CONFERENCE 2017
  • 国際学会
• [学会発表] 磁場中の非局所電子熱伝導モデルを導入した輻射流体シミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 長友英夫，朝比奈隆志，城崎知至
  • 学会等名: 第31数値流体力学シンポジウム
• [図書] プラズマシミュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: プラズマ・核融合学会
  • 総ページ数: 404
  • 出版者: 京都大学学術出版会
  • ISBN: 9784814001835
• [備考]
  • URL: http://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research04/pif/index.html