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

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14J06592
• 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
• キーワード: 高速点火核融合 / 硬X線分光器 / 高速電子 / 較正

研究実績の概要

大阪大学レーザーエネルギー学研究センターでは、レーザー核融合の方式の一つである｢高速点火方式｣の研究に注力している。高速点火方式では重水素置換したプラスチックの燃料球にコーンを取り付けたターゲットを用いる。初めに燃料球を圧縮レーザーで初期密度の300倍程度まで圧縮し、最大圧縮時に超高強度レーザーによりコーンから発生させた相対論的電子(高速電子)を用いて燃料を追加熱し、核融合点火・燃焼を起こす。特に1-3MeVのエネルギー域に属する高速電子は燃料を加熱するのに最適な飛程(燃料にエネルギーを与えるのに費やす距離)を持ち、このエネルギー域の高速電子の発生量を把握し制御することが重要である。本研究では高速電子が燃料にエネルギーを輸送する際に放射する硬X線から高速電子を計測する手法を導入し、そのための新たな硬X線分光器を開発した。本分野での計測環境というのは数keVから数10MeVのエネルギー領域に及ぶ硬X線がわずかpsの間に発生するといった計測が極めて難しい環境である。このような環境は世界的にも珍しく、従来の手法は使用できない。計測方法として数MeVのX線の相互作用として支配的なコンプトン散乱に注目した新型分光器を開発した。コンプトン散乱は散乱の前後で光子と電子のエネルギーは保存則を満たすように分配されるため、反跳電子のエネルギーと反跳角を計測することで入射光子のエネルギーを一意に特定出来る。本年度は開発した分光器の性能評価を大阪大学にある線形加速器、放射線照射施設や企業が所有している線形加速器などを用いて評価した。その成果はReview of Scientific Instruments誌に掲載された。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当年度の上半期においては予定されていた分光器の性能評価を完了させ、その成果はReview of Scientific Instruments誌に投稿した。また米国アトランタで行われた国際学会(20th Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics )において成果発表を行い、本分野での周知を行った。それに加えて、開発した分光器を用いることで現状の実験における問題点が明らかとなった(燃料を加熱するはずの電子群が燃料を突き抜けている）。下半期においては燃料へのエネルギー付与の効率を向上させるために電子群のエネルギーを下げる(止まりやすくする)手法を導入し、開発した分光器を用いて成果を評価した。今回、導入した手法により電子群のエネルギー分布や総数が燃料を加熱するのにほぼ最適な値になった。実際に、燃料を加熱する実験は当年度にはまだ行えていないが、シミュレーションをもとに見積もると従来の10倍程度の加熱効率向上が期待される。

今後の研究の推進方策

ここまでの研究において追加熱レーザーを単独で照射した場合に発生する高速電子群は燃料の加熱を十分期待できるものであるということがわかった。今後の研究では、圧縮レーザー照射する状況下でも最適な電子群を発生できる条件を求める。最適な電子群の発生には追加熱レーザーが作用するターゲット表面を急峻に保つ必要である(プラズマ化させない)。今後は、ターゲット表面にできるプラズマの光学的観測と組み合わせて研究を推進していく。

研究成果

• [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 ページ: 11D634
  • DOI: 10.1063/1.4894447
  • 査読あり
• [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: Regular Articles 巻: 9 ページ: 4405109
  • DOI: 10.1585/pfr.9.4405109
  • 査読あり
• [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] 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