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

2017 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: 千德 靖彦 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授
• 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。昨年度に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・H. Sawada助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。高強度レーザーによる異常侵入理論に関して(岩田夏弥氏他共著)はNature Communicationsに掲載された。またX線輻射モデルに関してもPhysical Review E(Ryan Royle他共著)に発表した。
研究成果はIFSA(招待講演・9月仏国サンマロ)、ICHED(和歌山県白浜町)プラズマカンファレンス(招待講演・兵庫県姫路市)、米国物理学会プラズマ分科会(10月ミルウォーキー)、日米ワークショップ(9月リバモア)、物理学会などの国内・国際会議で積極的に発表した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

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を用いた非平衡輻射プラズマに関するシミュレーション研究が予定通り展開している。H29度は帰国発展の研究においてNature Communications 2件、Physical Review E 2件、Physics of Plasmas 2件を含む計6件の学術論文を発表した。
特に、岩田夏弥特任研究員による、パルス幅ピコ秒超の相対論的レーザーとプラズマの相互作用に関する研究成果はNature Communicationsにプラズマ基礎理論研究として発表し、コミュニティー内で大変良い反響を得ることができた。
量子科学技術研究開発機構の西内氏・甲賀氏等と「高強度レーザーによる高Zイオン加速」に関する共同研究を進め、J-Karen-Pによる銀イオンの加速実験のデータに対する理論的解釈とPICLSシミュレーションに実験データの検証を終え、現在、論文投稿を準備している。理研SACRAの薮内氏や光産業創成大学院大学森准教授との共同研究も継続している。
国内・国際会議において、IFSA2017特別招待講演・APS-DPP2017招待講演など6件の招待講演を含む19件の発表を行った。
学生教育も開始し、H29年10月から博士課程後期学生への入学を目指す学生を研究員として指導した。彼はH30年4月より大阪大学理学研究科物理学専攻に入学し研究を継続している。

今後の研究の推進方策

帰国発展研究による支援により昨年度は論文も順調に発表することができた。最終年度も継続して学術論文の発表を行っていく。非平衡輻射プラズマ物理として、特にパルス幅ピコ秒超の相対論的レーザーによる物質の加熱・電子の統計的加速・イオン加速、また、対向照射による爆縮コア加熱、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。
4月から修士過程2名、後期博士課程1名の学生を研究指導する。また、特任研究員を2名雇用し積極的に研究を展開する。

次年度使用額が生じた理由

本年度は支給額の99.8%以上を使用した。そのため、次年度使用額は29,102円である。国内会議などへの学生の交通費として使用する予定である。

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] Plasma density limits for hole boring by intense laser pulses (2018)
  • 著者名/発表者名: Natsumi Iwata, Sadaoki Kojima, Yasuhiko Sentoku, Masayasu Hata & Kunioki Mima
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 ページ: 623(7)
  • DOI: 10.1038/s41467-018-02829-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Self-generated surface magnetic fields inhibit laser-driven sheath acceleration of high-energy protons (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Nakatsutsumi, Y. Sentoku, A. Korzhimanov, S. N. Chen, S. Buffechoux, A. Kon, B. Atherton, P. Audebert, M. Geissel, L. Hurd, M. Kimme, P. Rambo, M. Schollmeier, J. Schwarz, M. Starodubtsev, L. Gremillet, R. Kodama & J. Fuchs
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 ページ: 280(9)
  • DOI: 10.1038/s41467-017-02436-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Broadening of cyclotron resonance conditions in the relativistic interaction of an intense laser with overdense plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Sano, Yuki Tanaka, Natsumi Iwata, Masayasu Hata, Kunioki Mima, Masakatsu Murakami, and Yasuhiko Sentoku
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 96 ページ: 043209(8)
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.96.043209
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ponderomotive scaling in the radiative damping regime (2017)
  • 著者名/発表者名: Rishi R. Pandit, Edward Ackad, Emmanuel d'Humieres, and Yasuhiko Sentoku
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 103302(6)
  • DOI: 10.1063/1.4995256
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fast ion acceleration in a foil plasma heated by a multi-picosecond high intensity laser (2017)
  • 著者名/発表者名: Natsumi Iwata, Kunioki Mima, Yasuhiko Sentoku, Akifumi Yogo, Hideo Nagatomo, Hiroaki Nishimura, and Hiroshi Azechi
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 073111(12)
  • DOI: 10.1063/1.4990703
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Kinetic modeling of x-ray laser-driven solid Al plasmas via particle-in-cell simulation (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Royle, Y. Sentoku, R. C. Mancini, I. Paraschiv, and T. Johzaki
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 95 ページ: 06320(11)
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.95.063203
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Compression and electron beam heating of solid target under the external magnetic field for fast ignition (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nagatomo, T. Johzaki, T. Asahina, M. Hata, K. Matsuo, S. Lee, A. Sunahara, H. Sakagami, K. Mima, K. Iwano, S. Fujioka, H. Shiraga, H. Azechi
  • 雑誌名: NUCLEAR FUSION 巻: 57 ページ: 086009(6)
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa74f0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement in the heating efficiency of fast ignition inertial confinement fusion through suppression of the preformed plasma (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Arikawa, S. Kojima, A. Morace, M. Hata, S. Sakata, S. Fujioka, T. Kawashima, Y. Hironaka, K. Shigemori, Y. Abe, Z. Zhang, X. Vaisseau, S. Lee, T. Gawa, K. Matsuo, K. F. F. Law, Y. Kato, S. Matsubara, S. Tosaki, A. Yogo, H. Nagatomo, S. Tokita, Y. Nakata, T. Jitsuno, N. Miyanaga, J. Kawanaka, Y. Fujimoto, K. Yamanoi, T. Norimatsu, M. Nakai, H. Nishimura, H. Shiraga, H. Azechi, A. Sunahara, T. Johzaki, T. Ozaki, H. Sakagami
  • 雑誌名: NUCLEAR FUSION 巻: 57 ページ: 066022(8)
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa6781
  • 査読あり
• [学会発表] Ignition requirement for RPA C6+ beam driven fast ignition (2018)
  • 著者名/発表者名: 城崎知至
  • 学会等名: JIFT Japan-US workshop on Theory and simulation on the high field and high energy density physics
  • 年月日: 2018-03-27
• [学会発表] ピコ秒超高強度レーザーによる固体加熱の物理 (2018)
  • 著者名/発表者名: 千徳靖彦
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会(2018年)
  • 年月日: 2018-03-24
• [学会発表] ピコ秒超高強度レーザーによる電子の統計加速とべき乗エネルギー分布形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岩田夏弥
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会(2018年)
  • 年月日: 2018-03-23
• [学会発表] Demonstration of Effective Core Heating in Magnetized Fast Ignition Laser Fusion and Prospect for Ignition (2017)
  • 著者名/発表者名: 城﨑知至
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 年月日: 2017-11-23
  • 招待講演
• [学会発表] Plasma heating by multi-picosecond intense laser lights (2017)
  • 著者名/発表者名: 千徳靖彦
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 年月日: 2017-11-22
  • 招待講演
• [学会発表] Theoretical limit of plasma density for hole boring by intense lasers (2017)
  • 著者名/発表者名: 岩田夏弥
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 年月日: 2017-11-22
• [学会発表] Direct ion heating in overdense plasmas through the Brillouin instability driven by relativistic whistler waves (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐野孝好
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 年月日: 2017-10-26
  • 国際学会
• [学会発表] Demonstration of Efficient Core Heating of Magnetized Fast Ignition in FIREX project (2017)
  • 著者名/発表者名: 城崎知至
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 年月日: 2017-10-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Characterizing keV plasmas driven by nano-focused XFEL pulses in solid iron (2017)
  • 著者名/発表者名: 千徳靖彦
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 年月日: 2017-10-25
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma formation and target preheating by prepulse of PW laser light (2017)
  • 著者名/発表者名: 千徳靖彦
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 年月日: 2017-10-25
  • 国際学会
• [学会発表] Generation mechanism of power law energy distribution in an expanding thin-foil plasma irradiated by intense lasers (2017)
  • 著者名/発表者名: 岩田夏弥
  • 学会等名: 59th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 年月日: 2017-10-25
  • 国際学会
• [学会発表] Core heating dynamics in magnetized fast ignition (2017)
  • 著者名/発表者名: 城崎知至
  • 学会等名: Japan Technical Meeting on HEDS
  • 年月日: 2017-09-26
  • 国際学会
• [学会発表] Theoretical limit of hole boring and transition to plasma blowout in multi-picosecond laser-plasma interactions (2017)
  • 著者名/発表者名: 岩田夏弥
  • 学会等名: Japan Technical Meeting on HEDS
  • 年月日: 2017-09-26
  • 国際学会
• [学会発表] Intense Laser Plasma Interaction via Collisional PIC Simulation in Multi-picosecond Time Scale (2017)
  • 著者名/発表者名: 千徳靖彦
  • 学会等名: Japan Technical Meeting on HEDS
  • 年月日: 2017-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] Demonstration of REB Drive Fast Ignition with Assistance of External Magnetic Fields in FIREX Project (2017)
  • 著者名/発表者名: 千徳靖彦
  • 学会等名: 10th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA 2017) (特別講演Plenary talk)
  • 年月日: 2017-09-15
  • 国際学会
• [学会発表] Theoretical limit of hole boring and transition to plasma blowout in multi-picosecond laser-plasma interactions (2017)
  • 著者名/発表者名: 岩田夏弥
  • 学会等名: 10th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA 2017)
  • 年月日: 2017-09-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 光庄加速C6+ビーム駆動高速点火レーザー核融合の統合シミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 城崎知至
  • 学会等名: 10th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA 2017)
  • 年月日: 2017-09-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Kinetic modeling of x-ray laser-driven plasmas via particle- in-cell simulation (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryan Royle
  • 学会等名: 6th Int'l Conference on High Energy Density Physics
  • 年月日: 2017-06-06
  • 国際学会
• [学会発表] Transition from hole boring to plasma blowout in multi- picosecond laser-plasma interactions (2017)
  • 著者名/発表者名: 岩田夏弥
  • 学会等名: 6th Int'l Conference on High Energy Density Physics
  • 年月日: 2017-06-06
  • 国際学会