高速点火レーザー核融合に向けた高輝度集束電子ビーム生成手法の確立

• 研究課題/領域番号: 23K22476
• 補助金の研究課題番号: 22H01205 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分14020:核融合学関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 羽原 英明 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (60397734)
• 研究分担者: 長友 英夫 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (10283813) ; 城崎 知至 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (10397680) ; 坂上 仁志 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (30254452)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円); 2025年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2024年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2023年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2022年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
• キーワード: 集束電子ビーム / レーザー核融合 / 超高強度場 / 抵抗率勾配 / 超高磁場 / 低効率勾配 / 自己生成磁場

研究開始時の研究の概要

高密度プラズマ中に形成する低密度プラズマチャンネルの先端付近のプラズマ密度の制御を行うことで、広がりの少ない集束されたメガ電子ボルト以上のエネルギーを持つ高エネルギー高輝度電子ビームを生成する。プラズマチャンネル周縁の磁場構造と生成する電子ビームの発散角との依存性を調べ、その生成メカニズムを明らかにし、最大輝度を得る条件を探索する。大型レーザー装置を用いた実験的手法と、実スケール計算を可能にする動的負荷分散をもつシミュレーションコードを開発し、実験およびシミュレーションによってその生成メカニズムを明らかにする。

研究実績の概要

本事業においては集束電子ビームを形成させるため、高強度レーザーと相互作用するプラズマの特異な形状、特に低密度プラズマチャンネルの計測が鍵となっている。その目的のために検討したピコ秒の時間分解能を持たせるためのプローブ計測手法の基礎実験を行う既存レーザー装置の欠損した結晶を取り替え、レーザー装置の調整を慎重に行って交換箇所では所定のエネルギーが得られていることを確認した。しかし後段の励起レーザーのパワーが所定の値よりも低くなっていることが判明し、最終段で必要なレーザーエネルギーが得られないことがわかり、来年度以降調整を行うこととした。
それとは別に昨年度検討していた高密度プラズマ中の抵抗率勾配によって形成する自己生成磁場を用いて電子ビームを集束する手法の基礎実験として、平板ターゲットを用いて高密度プラズマ中での電子ビーム集束実証実験を行った。実験は大阪大学レーザー科学研究所で行い、プラスチックの平板ターゲット表面近傍に直径25ミクロンメートル、長さ40ミクロンメートルのニッケルワイヤを埋め込み、ターゲット表面に激光12号の３ビームを照射して爆縮プラズマと同等のスケール長を持つ長尺プラズマを生成した。そのプラズマに高強度レーザーを照射し、高速電子流の集束をニッケルイオンとターゲット裏面に設置した銅イオンからの特性X線の発光比から調べた。その結果、ニッケルが十分プラズマ化して表面方向に膨張したタイミングで中央に局在するニッケル領域を通過する電子量が増大することがわかり、高密度プラズマ中でも抵抗率勾配にて電子ビームの集束を実証することに成功した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

プローブ計測手法の実証は遅れているが、新しい提案である抵抗率勾配による自己生成磁場で集束電子ビームを生成する手法において、平板ターゲットを用いた高密度プラズマ中での抵抗率勾配の形成と集束電子ビーム生成を実証することに成功し、国際会議にて成果発表を行い、現在論文としてまとめて投稿中である。

今後の研究の推進方策

抵抗率勾配による自己生成磁場で集束電子ビームを生成する手法をより推進し、球状ターゲットを用いた爆縮プラズマ中で同様の抵抗率勾配の形成と集束電子ビーム生成を実証することを目指していく。

研究成果

• [雑誌論文] Crack Formation Inside Plasma-Facing Materials Irradiated by Pulsed Laser to Simulate Heat Load in Inertial Confinement Fusion System (2022)
  • 著者名/発表者名: YONETA-OGAWA Koume、UCHIDA Yuki、HABARA Hideaki、SAITO Nobuo、SASAKI Toru、TAKAHASHI Kazumasa、KIKUCHI Takashi
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 17 号: 0 ページ: 2405108-2405108
  • DOI: 10.1585/pfr.17.2405108
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2022-12-09
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Luminous, relativistic, directional electron bunches from an intense laser driven grating plasma (2022)
  • 著者名/発表者名: Lad Amit D.、Mishima Y.、Singh Prashant Kumar、Li Boyuan、Adak Amitava、Chatterjee Gourab、Brijesh P.、Dalui Malay、Inoue M.、Jha J.、Tata Sheroy、Trivikram M.、Krishnamurthy M.、Chen Min、Sheng Z. M.、Tanaka K. A.、Kumar G. Ravindra、Habara H.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1038/s41598-022-21210-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Propagation of dipole structure in an inhomogeneous-density plasma using two-dimensional particle-in-cell simulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Y、Das A、Habara H、Kaw P K、Tanaka K A
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 64 号: 3 ページ: 035018-035018
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ac4e6b
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Predictive capability of material screening by fast neutron activation analysis using laser-driven neutron sources (2022)
  • 著者名/発表者名: Abe Y.、Nakao A.、Arikawa Y.、Morace A.、Mori T.、Lan Z.、Wei T.、Asano S.、Minami T.、Kuramitsu Y.、Habara H.、Shiraga H.、Fujioka S.、Nakai M.、Yogo A.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 号: 9 ページ: 093523-093523
  • DOI: 10.1063/5.0099217
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Robustness of large‐area suspended graphene under interaction with intense laser (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuramitsu, T. Minami, T. Hihara, K. Sakai, T. Nishimoto, S. Isayama, Y.T. Liao, K.T. Wu, W.Y. Woon, S.H. Chen, Y.L. Liu, S.M. He, C Y. Su, M. Ota, S. Egashira, A. Morace, Y. Sakawa, H. Habara, R. Kodama, L.N.K. Dohl, N. Woolsey, M. Koenig, M. Kanasaki, T. Asai, T. Yamauchi, K. Oda, Ko. Kondo, H. Kiriyama, Y. Fukuda
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 2346-2346
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06055-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] In-Target Proton-;Boron Nuclear Fusion Using a PW-Class Laser (2022)
  • 著者名/発表者名: Daniele Margarone, Julien Bonvalet, Lorenzo Giuffrida, Alessio Morace, Vasiliki Kantarelou, Marco Tosca, Didier Raffestin, Philippe Nicolai, Antonino Picciotto, Yuki Abe, Yasunobu Arikawa, Shinsuke Fujioka, Fukuda Yuji, Yasuhiro Kuramitsu, Hideaki Habara, Dimitri Batani
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 12 号: 3 ページ: 1444-1444
  • DOI: 10.3390/app12031444
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Stable creation of a single plasma channel and collimated fast electrons inside large-scale imploded plasmas using large-scale 3D PIC simulations (2023)
  • 著者名/発表者名: Hideaki HABARA
  • 学会等名: The 12th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • 国際学会
• [学会発表] Fast electron collimation by self-generated magnetic fields in fast-ignition targets (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Ueyama and Hideaki Habara
  • 学会等名: The 12th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • 国際学会
• [学会発表] 回折格子を用いた高強度レーザーの表面プラズモン共鳴と電場増強効果の検証 (2023)
  • 著者名/発表者名: 香川祐紀, 羽原英明
  • 学会等名: 第40回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 高強度レーザーと配向ナノワイヤターゲットの相互作用による高輝度ガンマ線生成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 花本 拓翔 ,羽原 英明
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第 43 回年次大会
• [学会発表] 高速点火方式のレーザー核融合における自己生成磁場による高速電子集束効果の検証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤域淳平、羽原英明
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会