Super-penetrationを用いた高速点火の加熱検証

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H05751
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 田中 和夫 大阪大学, 先導的学際研究機構, 特任教授(常勤) (70171741)
• 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) ; 坂上 仁志 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (30254452) ; 羽原 英明 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60397734)
• 研究期間 (年度): 2015-05-29 – 2020-03-31
• キーワード: Super-penetration / 爆縮プラズマ / 高強度レーザー / プラズマ加熱

研究実績の概要

昨年度までの平板ターゲットの実験成果をベースに、本年度は大型レーザー装置を用いた大規模爆縮球対称プラズマにおけるSP の実証を行った。実験は大阪大学レーザー科学研究所にて爆縮プラズマを用い、高強度レーザーを照射してSPにおける加熱の有効性の実証実験を行った。生成された高速電子によるプラズマの加熱を計測するため、ターゲットに少量の銅イオンを添付し、高速電子が銅イオンと衝突する際に放出する銅特性X線のイメージを計測した。高強度レーザーの照射タイミンを変化させることで、爆縮されたプラズマの大きさに依存したX線の発光領域の増減が見られた。特に最大爆縮時では形成されたと考えられるコア領域の大きさに等しい発光が見られ、本手法にて実際に高速電子がプラズマを加熱している様子を初めて計測することに成功した。
さらに大型レーザー装置を用いた実験期間は限られているため、実験で用いる大規模爆縮プラズマ（固体密度以上、ミリメートル空間スケール、数10ピコ秒）を取り扱うことが出来る粒子シミュレーションコードの開発を行っているが、本年度は超並列化技法である動的負荷分散手法を導入し、各ノード間の不可の均一化を図ることで従来手法より最大１０倍の高速化の実現に成功した。実際にミリメートルサイズで最大密度が数倍の臨界密度を持つプラズマ中の高強度レーザーの相互作用計算を行い、臨界密度を超えてレーザーが伝搬するSPモードの確認に成功した。

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

大阪大学での実験において、爆縮プラズマに対して時間をずらして高強度レーザーを照射し、コアの大きさに応じたX線発光が観測することに成功した。これはターゲットに金コーンのような真空ガイドをつけなくても、高強度レーザーがコアに向かって侵入し、変換されたレーザーエネルギーがコアまで到達することを示す結果であり、本手法の有効性を明確に示している。さらに昨年度来開発を続けていた大型粒子コードに新たに動的な負荷分散手法を導入することで、従来コードよりも最大１０倍の高速化に成功し、爆縮プラズマの実スケールで計算することが可能となり、実際の実験結果と直接比較することが可能となった。

今後の研究の推進方策

より一層のプラズマ加熱を起こさせるため、一つは現在大阪大学で形成出来る爆縮プラズマの密度・面密度より大きくするために爆縮プラズマを形成するレーザーパルス波形を整形する。これにより数倍の加熱が見込まれる予定である。さらに生成される高速電子の発散角を小さくし、加熱効率を高めるために、球状ターゲット内に金属片を挿入し、生成した高速電子を磁場により収束させることを試みる。そのための爆縮プラズマ中での金属片の形状と磁場生成に関してシミュレーションを行い、現在のところ中空シリンダー状の金属を埋め込むことで最大圧縮時においても電子伝搬と磁場形成を両立出来る構造が得られているので、長さ、厚み等を最適化していく。既に大阪大学において来年度の実験期間を確保しており、実験とシミュレーション双方によって検証していく。

研究成果

• [国際共同研究] ロチェスター大学/カルフォルニア大学サンディエゴ校(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ロチェスター大学/カルフォルニア大学サンディエゴ校
• [国際共同研究] オックスフォード大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: オックスフォード大学
• [国際共同研究] タタ基礎科学研究所/プラズマ研究所(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: タタ基礎科学研究所/プラズマ研究所
• [国際共同研究] エコール・ポリテクニーク(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: エコール・ポリテクニーク
• [雑誌論文] Transport and spatial energy deposition of relativistic electrons in copper-doped fast ignition plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: Jarrott L. C.、McGuffey C.、Beg F. N.、Solodov A. A.、Theobald W.、Qiao B.、Stoeckl C.、Betti R.、Chen H.、Delettrez J.、D?ppner T.、Giraldez E. M.、Glebov V. Y.、Habara H.、Iwawaki T.、Key M. H.、Luo R. W.、Marshall F. J.、McLean H. S. et al
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 102710～102710
  • DOI: 10.1063/1.4999108
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Confirmation of hot electron preheat with a Cu foam sphere on GEKKO-LFEX laser facility (2017)
  • 著者名/発表者名: Gong T.、Habara H.、Uematsu Y.、Hayashi Y.、Kawazu S.、Kubota Y.、Matsumoto T.、Nakaguchi S.、Noma S.、Otsuki T.、Tsujii A.、Yahata K.、Yoshida Y.、Arikawa Y.、Fujioka S.、Nagatomo H.、Shiraga H.、Mcguffey C.、Krauland C. M.、Wei M. S.、Tanaka K. A.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 112709～112709
  • DOI: 10.1063/1.4999975
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coherent X-ray beam metrology using 2D high-resolution Fresnel-diffraction analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Ruiz-Lopez, A. Faenov, T. Pikuz, N. Ozaki, A. Mitrofanov, B. Albertazzi, N. Hartley, T. Matsuoka, Y. Ochante, Y. Tange, T. Yabuuchi, T. Habara, K. A. Tanaka, Y. Inubushi, M. Yabashi, M. Nishikino, T. Kawachi, S. Pikuz, T. Ishikawa, R. Kodama and D. Bleiner
  • 雑誌名: J. Synchrotron Rad. 巻: 24 ページ: 196-204
  • DOI: 10.1107/S1600577516016568
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Visualizing the transport & deposition of fast electrons in an integrated super-penetration experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: Tao Gong, Hideaki Habara, Kohei Sumioka, Kazuo Tanaka
  • 学会等名: Direct-Drive & Fast-Ignition Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Niシリンダーを挿入したCuドープオレイン酸中実球を用いた高強度レーザー照射における自己生成磁場による高速電子の収束可能性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 住岡耕平、羽原英明、田中和夫
  • 学会等名: レーザー学会第38回年次大会
• [学会発表] Improvement of implosion performance by controlling preheat with a solid Cu foam sphere target (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Gong, H. Habara, K.A. Tanaka
  • 学会等名: Sixth International Conference on High Energy Density Physics (ICHED2017)
  • 国際学会
• [学会発表] eal-scale PIC simulation with dynamic load balance parallelization (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Kawazu, H. Habara, H. Sakagami, K.A. Tanaka,
  • 学会等名: Sixth International Conference on High Energy Density Physics (ICHED2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Direct irradiation of ultraintense laser light into imploded plasma (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Habara, K.A. Tanaka
  • 学会等名: Sixth International Conference on High Energy Density Physics (ICHED2017)
  • 国際学会