高出力レーザー生成プラズマを用いる磁気リコネクションの実験研究

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H01881
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 森田 太智 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (30726401)
• 研究分担者: 松清 修一 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (00380709) ; 有川 安信 大阪大学, レーザー科学研究所, 講師 (90624255) ; 竹崎 太智 富山大学, 学術研究部工学系, 助教 (90824326) ; 山崎 了 青山学院大学, 理工学部, 教授 (40420509)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 磁気リコネクション / レーザーアブレーション / 高強度レーザー / 磁化プラズマ

研究実績の概要

本研究では、レーザー生成プラズマ中で磁気リコネクション駆動し、リコネクション率とプラズマ加熱・加速との関係を明らかにする。2020年度は主に必要となる計測手法の開発、磁場発生装置の開発、シミュレーションコードの検証を行った。
1. 多次元レーザートムソン散乱計測法の準備・構築　多次元計測は現在準備中であるが、大型実験に1次元の計測システムを導入し、温度・密度等のプラズマパラメータ計測に成功した。またその結果、磁場の相互作用領域において局所的に大電流が流れていることを検出し、反平行磁場による電流シートが存在することを示した。
2. 強磁場発生装置の開発 リコネクション磁場に垂直な磁場(ガイド磁場)を与えることを目的として、磁場発生装置を作成した。プラズマ中の自発的生成磁場はおよそ10-20Tであることが計測から明らかとなり、作成した装置でそれに匹敵するおよそ5Tの磁場を印加できた。しかし、磁場による依存性の検証には、1で述べた検出器の分解能が不足しており、2021年度に再度計測を行う。
3. 数値シミュレーションコードの開発 輻射流体シミュレーションを行い、レーザーによるアブレーションプラズマと自己生成磁場の計算に成功した。今後、磁気リコネクション領域の計算と、プロトンバックライト計測の検証のため、粒子シミュレーションを準備している。
4. 大型レーザー実験 コロナウィルス感染拡大のため中国・上海での実験は延期となったが、大阪大学の大型レーザーを用いた実験を行った。そこで磁場・プラズマ計測両方に成功し、磁場変化による電流シートの生成を示すと思われるデータを取得した。また磁場計測から磁場構造の変化を計測することに成功した。今後、計測器の分解能を向上し、2021年度に再度実験を行う予定である。

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

局所プラズマ計測のための2次元レーザートムソン散乱計測は、計測器納品の遅れのため構築には至っていないが、1次元システムで実験を行い、これまでに得られなかったプラズマ中の電流構造や詳細なパラメータ計測に成功している。
また、ガイド磁場印加のための外部磁場発生装置はおよそ5Tの磁場を発生させ、大型実験でも正常動作した。今後さらに強磁場化し、再度実験を行う。
数値計算コードも正常動作して計算を開始しており、新たに粒子シミュレーションの準備も進めている。大型レーザー実験は、海外渡航が制限されたこともあるが、国内実験で十分なデータを取得できており、来年度の実験も可能となっている。

今後の研究の推進方策

プラズマパラメータの局所計測に必要なレーザートムソン散乱計測システムは、より高分解能の分光器を作成し、計測を高精度化する。
強磁場発生装置は、5T程度であればコンデンサバンクと電磁コイルによって発生可能であることは示したが、自己生成磁場(~10-20T)以上の磁場生成は難しいことがわかってきた。そこで、すでに実績のあるレーザー駆動キャパシタターゲットによる磁場発生を試み、10T以上の磁場生成を実証する。
輻射シミュレーションによるプラズマ計算は引き続き進め、大型レーザー実験を行う前に、最適なレーザー条件や照射ターゲットの設計を行う。また粒子シミュレーションも引き続き開発を続け、磁気リコネクションおよび粒子計測の再現を試みる。
大型レーザー実験は、大阪大学での実験がすでに内定しており、引き続き計測系を改良して実験を行う。また、海外渡航が可能となれば、上海でも実験を行い、主に磁気リコネクションによる粒子加速とプラズマ加熱を検証する。

研究成果

• [雑誌論文] Local plasma parameter measurements in colliding laser-produced plasmas for studying magnetic reconnection (2020)
  • 著者名/発表者名: T Morita, K Tomita, K Sakai, M Takagi, K Aihara, M Edamoto, S Egashira, T Higuchi, N Ishizaka, T Izumi, S Kakuchi, T Kojima, Y Kuramitsu, S Matsukiyo, Y Nakagawa, T Minami, H Murakami, Y Nishioka, M Ota, T Sano, S Sei, K Sugiyama, SJ Tanaka, R Yamazaki, Y Sakawa
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 36 ページ: 100754
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100754
  • 査読あり