プラズマ手法に基づくクラスター媒質と光子場の非線形相互作用の研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14077221
• 研究機関: 特殊法人日本原子力研究所
• 研究代表者: 岸本 泰明 特殊法人日本原子力研究所, 那珂研究所・炉心プラズマ研究部・主任, 研究員・室長 (10344441)
• 研究分担者: 内海 隆行 特殊法人日本原子力研究所, 関西研究所・光量子科学研究センター, 参事 ; 田島 俊樹 特殊法人日本原子力研究所, 関西研究所・光量子科学研究センター, 研究主幹・グループリーダー (70354967) ; 森林 健悟 特殊法人日本原子力研究所, 関西研究所・光量子科学研究センター, 副主任研究員 (70354975) ; 福田 祐仁 特殊法人日本原子力研究所, 関西研究所・光量子科学研究センター, 博士研究員 ; 山川 考一 特殊法人日本原子力研究所, 関西研究所・光量子科学研究センター, 副主任研究員
• キーワード: レーザープラズマ / 極短パルス高強度レーザー / 非線形光学・非線形相互作用 / 電離過程・緩和過程 / 電子衝突電離 / クラスター媒質 / 分極波・プラズマ波動 / クーロン爆発

研究概要

目的:
クラスター相は、固体・液体などの凝集相と原子・分子の孤立相を結ぶ"少数多体系の科学"として物性分野で広く注目されてきたが、光子場との相互作用においても、通常の気体やプラズマとの相互作用には見られないアモルファスに類似した大きな揺らぎ効果や表面の存在による横方向の集団的分極効果等、多くの顕著な特性を示すことが知られている。またクラスター自身も、ガスジェットのみならず、ナノスケールの微細加工や微粒子技術の進展により、より広範囲の物質種やサイズ、形状や空間配置の選択が可能となっている。本研究では、このクラスター媒質を含む様々な物質状態(気体・プラズマ相、液層・固相等)と光子場とのメソ・マクロスケールの線形・非線形相互作用を記述する理論および数値モデルを開発することを目的とする。
研究内容・成果:
このため平成14年度は、衝突頻度の少ない高温プラズマ分野において広く採用され、メソ・マクロスケールの相互作用の記述に優れているPIC(Particle-In-Cell)手法を基礎に、Debye長内部の電磁場や電子衝突による物質の電離・再結合等の原子過程、さらに生成された荷電粒子間のクーロン衝突・緩和過程等の様々なミクロ過程をモデル的に導入した拡張型粒子モデルに関する理論的検討を行った。本検討に基づき、様々な媒質の電離過程や緩和過程等のミクロスケールの物理過程と長距離力によって支配されるメソ・マクロスケールの物理過程を自己無撞着に模擬することが可能な統合化コード(EM3D)の開発を行うとともに、並列化を行い超並列計算機上でのシミュレーションを可能にした。
開発したコードに基づいて、電離過程や生成されたプラズマの緩和過程が重要な役割を果たす亜相対論領域(10^<17>W/cm^2-10^<18>W/cm^2)の極短パルスレーザーとArクラスターの相互作用シミュレーションを行い、クラスター媒質による極短パルスレーザーの吸収特性や電離過程、それに伴う高エネルギー電子生成やクーロン爆発等のクラスターダイナミックスを解析した。特に、これまで指摘されていないクラスター媒質内におけるメソスケールのプラズマ波動や表面を介した分極効果等の集団運動が原子過程に係わるミクロスケールのダイナミックスと結合し、重要な役割を果たすことを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] Y.Kishimoto, T.Masaki, T.Tajima: "High energy ions and nucear fusion in laser-cluster interaction"Phys.Plasmas. 9巻・2号. 589-601 (2002)
• [文献書誌] Y.Kishimoto, T.Masaki, T.Tajima: "Laser-Cluster Interaction for Nuclear Fusion"AIP Conference Proceedings "Superstrong Field in Plasmas". 611. 264-275 (2002)
• [文献書誌] Y.Kishimoto, T.Masaki, T.Tajima: "Cluster Dynamics in Strong Fields and its Application to Fusion Science"AIP Conference Proceedings "Science of Superstrong Field Interactions". 634. 147-160 (2002)