高強度レーザー照射下の非平衡輻射プラズマ物理の研究

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K21767
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 千徳 靖彦 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 教授 (10322653)
• 研究分担者: 城﨑 知至 広島大学, 工学研究科, 准教授 (10397680)
• 研究期間 (年度): 2016 – 2018
• キーワード: 高エネルギー密度 / 超高強度レーザー / 非平衡プラズマ / X線輻射 / イオン加速 / 粒子シミュレーション

研究実績の概要

本研究は帰国発展研究として申請代表者の千徳が米国より帰国し、大阪大学レーザーエネルギー学研究センター教授に着任した後H28年8月より開始した。本研究の目的は高エネルギー密度科学、特に超高強度レーザー生成プラズマ中の非平衡輻射物理の解明である。そのために原子物理、X線輻射及びその輸送過程を含めたプラズマ電磁粒子コードPICLSを開発する。日本国内で先駆的な研究を行っている研究者と共同研究を行い、コードの高精度化及び高速化を行うと共に、実験研究者と理論シミュレーション研究者が緊密に連携し、輻射を伴う高エネルギー密度プラズマの非平衡物理を探求する。本年度は研究環境整備としてクラスター計算機システムを導入しシミュレーションコード開発環境を整備した。実施計画に従い、WDM領域での荷電粒子衝突モデル、イオン化及び再結合過程、K殻電離に関する物理モデルの開発を、広島大学城﨑准教授、米国ネバダ州立大学Mancini教授等とともに行った。
実験研究者との共同研究として、理研播磨研究所の犬伏氏・薮内氏(テーマ「高速電子励起のKα線の増幅」)、量子科学技術研究開発機構の西内氏・甲賀氏(テーマ「高Zイオン加速」と「プリパルス加熱物理」)、阪大レーザー研の余語准教授他(テーマ「ピコ秒パルスによる高効率プロトン加速」)などを展開した。余語准教授との共同研究は2月にScientific Reportsに掲載され、関連の理論研究(岩田夏弥氏他共著)をジャーナルに投稿している。また物理モデルに関してもPhysical Review(Ryan Royle他共著)に投稿中である。
研究成果は米国物理学会プラズマ分科会(10月加州サンノゼ)、日米ワークショップ(10月加州サンノゼ)、レーザー励起X線研究会(12月山形県天童市)、強磁場下のレーザープラズマ相互作用に関する研究会(3月岡山県玉野市)、物理学会(3月大阪豊中キャンパス)などの国内・国際会議で積極的に発表した。

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

研究環境の整備として導入したクラスター計算機が稼働し、申請者の開発したプラズマ粒子シミュレーションコードPICLSを用いたレーザープラズマ相互作用に関するシミュレーション研究が予定通り動き出した。早速、レーザーイオン加速の2次元シミュレーションの結果はScientific Reports(Boosting laser-ion acceleration with multi-picosecond pulses, A. Yogo, K. Mima, N. Iwata et al)で実験結果と一緒に発表した。H28年度実施計画として記載している輻射過程の2つの数値モデル(イオン化再結合・特性X線発生)の構築も順調に進み、さらにH29年度に予定していた光電離及びオージェ過程のモデル化も前倒しで完遂し、結果はPhysical Review E (Kinetic modeling of x-ray laser-driven solid Al plasmas viaparticle-in-cell simulation, R. Royle, Y. Sentoku, R. Mancini et al)で投稿中である。
研究実施計画に記載した実験との共同研究も積極的に展開し、帰国発展研究として国内及び国外の共同研究者との連携を強化し、非平衡輻射プラズマ物理の研究を進める研究基盤を整えることができた。

今後の研究の推進方策

H29年度は前年度に開発したイオン化・再結合過程、特性X線輻射、光電離・オージェ過程の数値モデルを、輻射輸送を考慮したプラズマ粒子シミュレーションPICLSで検証する。レーザー加熱におけるイオン化・再結合過程に関しては、プリパルスによる物質の加熱に関する研究に適用して、量子科学技術研究開発機構の西内氏・甲賀氏等と実験、流体計算との比較をしながら検証する。特性X線輻射や光電離過程に関しては、理研播磨研究所の犬伏氏・薮内氏等とともに、高速電子励起のKα線の増幅に関する研究を行い、モデルの検証及び実験データの理解を進めていく。その他の研究テーマとしては、ピコ秒高出力レーザーによるイオン加速・電子加速、XFELによる物質の加熱、超高強度レーザーによる重イオン加速などのテーマについてPICLSコードを援用して研究を進めていく。

次年度使用額が生じた理由

本年度の交付額の93%を使用し、残りの7%(1,045,561円)を次年度の繰越金として計上した。残金が生じた主な理由は、3月に前職場であるネバダ州立大学リノ校への出張を予定していたが、先方の受け入れ担当の教授(R. Mancini教授)のスケジュールの都合で、4月以降へ変更されたため、その海外渡航費用が使われなかったことが理由の一つである。

次年度使用額の使用計画

ネバダ大学リノ校への出張はH29年5月9日に再スケジュールされている。

研究成果

• [国際共同研究] ネバダ州立大学リノ校/リバモア国立研究所(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ネバダ州立大学リノ校/リバモア国立研究所
• [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. Yamaooi, T. Norimatsu, H. Sakagami, S. V. Bulanov, K. Kondo & H. Azechi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 42451
  • DOI: 10.1038
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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 Sumahara, 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 and H Azechi
  • 雑誌名: PlasmaPhysicsControlFusion 巻: 59 ページ: 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
• [学会発表] 超高強度レーザー生成非平衡プラズマ中のX線発生に関するシミュレーション研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 千徳靖彦
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス(大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] キロテスラ級磁場下での相対論的レーザープラズマ相互作用(Ⅰ)電子加速 (2017)
  • 著者名/発表者名: 城崎知至
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス(大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] キロテスラ級磁場下でのレーザー電子加速 (2016)
  • 著者名/発表者名: 城崎知至
  • 学会等名: 平成28年度レーザー励起X線源とその応用研究会&レーザー学会研究会短波長量子ビーム発生と応用
  • 発表場所: ほほえみの宿・滝の湯(山形県天童市)
  • 年月日: 2016-12-15 – 2016-12-16
• [学会発表] 超高強度レーザーによるX線発生に関するシミュレーション (2016)
  • 著者名/発表者名: 千徳靖彦
  • 学会等名: 平成28年度レーザー励起X線源とその応用研究会&レーザー学会研究会短波長量子ビーム発生と応用
  • 発表場所: ほほえみの宿・滝の湯(山形県天童市)
  • 年月日: 2016-12-15 – 2016-12-16
• [学会発表] 超高強度レーザーとクラスターとの相互作用における高エネルギー輻射発生と輻射減衰 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岩田夏弥
  • 学会等名: 平成28年度レーザー励起X線源とその応用研究会&レーザー学会研究会短波長量子ビーム発生と応用
  • 発表場所: ほほえみの宿・滝の湯(山形県天童市)
  • 年月日: 2016-12-15 – 2016-12-16
• [学会発表] 電子ビーム駆動高速点火レーザー核融合における核融合点火条件(Ⅰ) (2016)
  • 著者名/発表者名: 城崎知至
  • 学会等名: 第33回プラズマ・核融合学会年会(口頭)
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス(宮城県仙台市)
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [学会発表] Kinetic Modeling of Ultraintense x-ray laser-matter interactions (2016)
  • 著者名/発表者名: 千徳靖彦
  • 学会等名: US-Japan Workshop on laser-plasma interaction and high energy density physics
  • 発表場所: 米国加州サンノゼ
  • 年月日: 2016-11-04 – 2016-11-05
  • 国際学会
• [学会発表] Simulations study of core heating properties for recent FIREX-I experiments (2016)
  • 著者名/発表者名: 城崎知至
  • 学会等名: US-Japan Workshop on laser-plasma interaction and high energy density physics
  • 発表場所: 米国加州サンノゼ
  • 年月日: 2016-11-04 – 2016-11-05
  • 国際学会
• [学会発表] Kinetic Modeling of Ultraintense x-ray laser-matter interactions (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Royle, Y. Sentoku, R. Mancini
  • 学会等名: 58th Amual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: 米国加州サンノゼ
  • 年月日: 2016-10-31 – 2016-11-04
  • 国際学会