研究課題
本研究は、構造性媒質への高強度レーザー照射によって、高エネルギーイオンの発生および生成した高エネルギー密度プラズマの高い閉じ込めを目的として、平成29年度は以下の研究を推進した。(1)構造性ターゲットの作製（課題4）：電子線リソグラフィー技術と化学エッチング技術の併用によって、直径と間隔がミクロンメートルオーダで制御されたシリコン（Si）ロッド群作製の原理実証を行った。特に、ドライエッチング手法による実験において直径がアスペクト比10を超えるロッドターゲットの作製に成功した。(2)極限輻射プラズマの理論と数値モデル（課題2・3）：(a) ロッド群からなるターゲットにkTオーダの外部磁場を印加した構造性媒質に高強度レーザーを照射する拡張型粒子コード（EPIC3D）によるシミュレーションを行い、磁場乱流の自己組織化過程と通して磁気渦が生じることを見出し、高エネルギー密度プラズマの閉じ込めは可能であることを示した。一方、高強度外部磁場の印加は困難であることから、年次計画では予定していなかった背景ガス（水素）を導入したシミュレーションを実施した。その結果、ロッド集合体と背景高圧気体の相互作用を通してkTオーダの高強度の自己磁場がロッド周辺およびロッド間に生成するとともに、ベータ値がオーダ1の高エネルギー密度プラズマ生成とその慣性時間を超えての閉じ込めが成立する現象を発見した。(b) 高強度外部磁場を印加した単一ロッドに高強度レーザーを照射すると、ロッド中心の反磁性効果の結果、ミラー型の閉じ込め状態が実現することが分かった。周辺領域では、電子は磁化する一方、イオンは磁化しないため、強い径電場が生成され、磁場閉じ込めプラズマのHモードに対応する高い閉じ込め状態が実現することを見出した。
2: おおむね順調に進展している
慣性時間を越えての高エネルギー密度プラズマの閉じ込めの実現において構造性ターゲットの作製は不可欠の要素であるが、H29年度に、ナノ工学・電気化学分野の共同研究者の協力を得て、ミクロンメートルオーダで形状は位置が制御されたロッド状の構造体を作成することに成功し、予定のスケジュールでこれを実現した。特に、ドライエッチング手法が有効的であることを見出したことは、今後のターゲット実験につながる成果である。一方、レーザー照射によって生成された高エネルギー密度プラズマの慣性時間を越えての閉じ込めを実現する具体的な手法の開拓は本プロジェクトの実現において急務である。当初、これを実現する方法としてkTオーダの外部磁場の印加を考案し、シミュレーションを行い所定の成果を得た。しかし、kTオーダの外部磁場の印加は困難であることから、プラズマ自身が自律的に生成する磁場を利用することが必要であるとの着想に至り、ロッド集合体に背景ガスを導入した物理系を考案した。その結果、背景ガスの効果によってkTオーダの自己磁場の生成とそれによる閉じ込め状態を確認するに至った。H29年度に実施予定であった計画（磁場生成の理論の構築や実験環境化へのシミュレーション）の一部をH30年度に実施することになったが、これらについてもH30年度中に研究が進展し、一定の達成度は確保したと判断している。また、共同研究者が開発した特殊なノズルを使用することにより、ミクロンメートルサイズのクラスターの作製に成功するとともに、それを模擬するシミュレーションを実施するなど、当初計画を概ね達成している。
H29年度および一部H30年度に繰り越された成果に基づき、H31年度は、構造性媒質の実験研究に向けた研究を推進する。具体的には、H29年度に原理実証を行ったロッドの集合体を、制御された環境下でサブミクロンメートルサイズに縮小したり、アスペクト比を向上させたりする技術に注力する。特に、H31年度以降に、作製したロッド状の構造性ターゲットと高強度レーザー（QSTのJ-KARENを想定）の相互作用実験を実施するためのターゲットを製作するとともに、実験を想定したシミュレーションを進展させる。また、背景ガスを導入したロッドと高強度レーザーの相互作用シミュレーションに基づく、その素過程を同定・記述する理論研究を進展させる。特に、水素クラスターと高強度レーザーとの相互作用実験において、背景ガスイオンの加速現象や爆風波などの衝撃波の形成が確認されていることから、これらを記述する理論モデルの構築に向けた研究を行う。これらの研究を円滑に進めるには、拡張型粒子コード（EPIC）による実空間が2次元および3次元の大規模シミュレーションが必要になることから、EPICの並列化効率の向上を含むコード開発を進展させる。
すべて 2019 2018 2017
すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 8件、 招待講演 2件)
Plasma Physics and Controlled Fusion
巻: 60 ページ: 044021～044021
https://doi.org/10.1088/1361-6587/aaafa8
Optics Express
巻: 25 ページ: 18774～18774
https://doi.org/10.1364/OE.25.018774
Physics of Plasmas
巻: 24 ページ: 103105～103105
https://doi.org/10.1063/1.4986034
