大型レーザーを用いた相対論的磁気リコネクション実験

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H06202
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 坂和 洋一 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (70242881)
• 研究分担者: 福田 祐仁 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 上席研究員(定常) (30311327) ; 森田 太智 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (30726401) ; Morace Alessio 大阪大学, レーザー科学研究所, 助教 (70724326) ; 星野 真弘 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90241257)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• キーワード: 相対論的磁気リコネクション / レーザー宇宙物理学 / 粒子加速 / 協同トムソン散乱計測 / 高出力レーザー / X線自由電子レーザー / X線小角散乱

研究実績の概要

磁気リコネクションでは、プラズマアウトフローの流速度が磁場強度に比例するアルフベン速度vAまで加速され、強磁場プラズマ中ではvA がほぼ光速となるため、相対論的なリコネクションによる粒子加速がおこる。この相対論的磁気リコネクションの基礎実験として、2つのキャパシタコイルターゲット (CCT) に高出力激光XII号レーザーを照射する事によって得られるkT 級の反平行準定常強磁場を用いた磁気リコネクション実験を行ない、加速されたイオンのエネルギースペクトル解析を行った。また、PICシミュレーションコードを開発して、磁場強度やイオン密度の関数として加速イオンスペクトルの時間発展を求め、実験結果との比較・検討を行った。さらに、中国上海光机所の神光IIレーザーを用いて、激光XII号とレーザー照射配位やレーザーパラメータを変えてリコネクション実験を行なった。
相対論的臨界密度程度のプラズマに高強度レーザーを入射すると、励起されるワイベル不安定性によって数 10 kT の自己生成乱流磁気島が発生する。この乱流磁気島による荷電粒子の相対論的磁気リコネクション加速の予備実験として、ワイベル不安定性によって生成されるフィラメント構造（ワイベルフィラメント）の時間・空間発展を理化学研究所の自由電子レーザー（XFEL）を用いたX線小角散乱 (SAXS) によって計測するための基礎実験を行った。本年は、ワイベルフィラメントを模擬した直径 0.5 um、間隔 1.0 umのロッド集合体ターゲットにXFELを照射し、従来SAXS信号の0次光と低次の散乱光を遮断するために設置されていたビームストップを、3枚のアルミフィルターを組み合わせたステップフィルターに置き換えた。これにより、低次散乱光の時間発展が計測でき、長時間にわたるプラズマ膨張計測が可能となった。

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

激光XII号レーザーと2つのキャパシタコイルターゲットを用いたkT級の準定常強磁場中の磁気リコネクション実験では、PICシミュレーションコードを開発し、磁場や加速イオンスペクトルの時間発展を求め、実験結果との比較・検討を行った。
高強度レーザーを用いた乱流磁気島による磁気リコネクション加速実験では、高強度レーザーを用いてワイベル不安定性を励起し、生成される乱流フィラメント構造の時間・空間発展をXFELを用いたX線小角散乱 (SAXS) によって計測するための基礎実験を行っている。理化学研究所の高強度レーザーをロッド集合体ターゲットに照射し、SAXSによってプラズマ膨張にともなうスペクトルの時間発展を計測する予定であったが、高強度レーザーに予期せぬプレパルスが発生したため、高強度レーザーショットを行うことができなかった。そこで、従来SAXS信号の0次光を遮断するために設置されていたビームストップを、3枚のアルミフィルターを組み合わせたステップフィルターに置き換え、0次光を含むすべての散乱光スペクトルを計測するシステム構築に成功した。これにより、長時間にわたるプラズマ膨張計測が可能となった。

今後の研究の推進方策

kT級の準定常強磁場中の磁気リコネクション実験では、高出力nsパルスレーザーの激光XII号で生成された磁場構造を、高強度psパルスレーザーのLFEXを用いたプロトンバックライト計測で明らかにする。
高強度レーザーを用いた乱流磁気島による荷電粒子の磁気リコネクション加速実験ではインド　タタ基礎物理研究所のTIFR500TWレーザーを薄膜ターゲットに照射する事によってワイベル不安定性を励起する。生成される乱流磁場およびフィラメント構造の詳細な時間・空間発展を、プロープレーザーによるコットン・ムートン計測（TIFR500TW）によって明らかにする。

研究成果

• [国際共同研究] Helmholtz-Zentrum Dresden- Rossendorf/European XFEL(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Helmholtz-Zentrum Dresden- Rossendorf/European XFEL
• [国際共同研究] LULI, Ecole Polytechnique(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: LULI, Ecole Polytechnique
• [雑誌論文] Laboratory Observation of Radiative Shock Deceleration and Application to SN 1987A (2020)
  • 著者名/発表者名: Th. Michel, B. Albertazzi, P. Mabey, G. Rigon, F. Lefevre, L. Van Box Som, P. Barroso, S. Egashira, R. Kumar, C. Michaut, M. Ota, N. Ozaki, Y. Sakawa, T. Sano, E. Falize, and M. Koenig
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 888 ページ: 25-1-5
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab5956
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Supersonic Plasma Turbulence in the Laboratory (2019)
  • 著者名/発表者名: T. G. White, M. T. Oliver, P. Mabey, M. Kuhn-Kauffeldt, A. F. A. Bott, et al., Y. Sakawa, et al.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 ページ: 1758-1-6
  • DOI: 10.1038/s41467-019-09498-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Laboratory study of stationary accretion shock relevant to astrophysical system (2019)
  • 著者名/発表者名: P. Mabey, B. Albertazzi, E. Falize, Th. Michel, G. Rigon, L. Van Box Som, A. Pelka, F.-E. Brack, F. Kroll, E. Filippov, G. Gregori, Y. Kuramitsu, D. Q. Lamb, C. Li, N. Ozaki, S. Pikuz, Y. Sakawa, P. Tzeferacos & M. Koenig
  • 雑誌名: Scientific Report 巻: 9 ページ: 8157-1-9
  • DOI: 10.1038/s41598-019-44596-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Collective Thomson Scattering Measurements of Electron Feature Using Stimulated Brillouin Scattering in Laser-Produced Plasma (2019)
  • 著者名/発表者名: N Bolouki, K Sakai, TY Huang, S Isayama, YL Liu, CW Peng, CH Chen, N Khasanah, HH Chu, T Moritaka, K Tomita, Y Sato, K Uchino, T Morita, S Matsukiyo, Y Hara, H Shimogawara, Y Sakawa, S Sakata, S Kojima, S Fujioka, Y Shoji, S Tomiya, R Yamazaki, M Koenig, Y Kuramitsu
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 32 ページ: 82-88
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2019.06.002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhancing laser beam performance by interfering intense laser beamlets (2019)
  • 著者名/発表者名: A Morace, N Iwata, Y Sentoku, K Mima, Y Arikawa, A Yogo, A Andreev, S Tosaki, X Vaisseau, Y Abe, S Kojima, S Sakata, M Hata, S Lee, K Matsuo, N Kamitsukasa, T Norimatsu, J Kawanaka, S Tokita, N Miyanaga, H Shiraga, Y Sakawa, M Nakai, H Nishimura, H Azechi, S Fujioka, R Kodama
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 ページ: 2995-1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10997-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Collisionless Electrostatic Shock Acceleration of Proton using High Intensity Laser (2019)
  • 著者名/発表者名: M Ota, A Morace, R Kumar, S Kambayashi, S Egashira, M Kanasaki, Y Fukuda, Y Sakawa
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 33 ページ: 100697-1-4
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2019.100697
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Collisionless Shocks Driven by Supersonic Plasma Flows with Self-Generated Magnetic Fields (2019)
  • 著者名/発表者名: C.K. Li, V. T. Tikhonchuk, Q. Moreno, H. Sio, et al., Y. Sakawa, et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 123 ページ: 055002-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.055002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rayleigh-Taylor instability experiments on the LULI2000 laser in scaled conditions for young supernova remnants (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Rigon, A. Casner, B. Albertazzi, Th. Michel, P. Mabey, E. Falize, J. Ballet, L. Van Box Som, S. Pikuz, Y. Sakawa, T. Sano, A. Faenov, T. Pikuz, N. Ozaki, Y. Kuramitsu, M. P. Valdivia, P. Tzeferacos, D. Lamb, and M. Koenig
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 100 ページ: 021201(R)-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.100.021201
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalous plasma acceleration in colliding high-power laser-produced plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: T Morita, K Nagashima, M Edamoto, K Tomita, T Sano, Y Itadani, R Kumar, M Ota, S Egashira, R Yamazaki, SJ Tanaka, S Tomita, S Tomiya, H Toda, I Miyata, S Kakuchi, S Sei, N Ishizaka, S Matsukiyo, Y Kuramitsu, Y Ohira, M Hoshino, Y Sakawa
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 26 ページ: 090702-1-6
  • DOI: 10.1063/1.5100197
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] パワーレーザーとパルスパワー装置を用いた磁気リコネクション研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂和洋一
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 47 ページ: 542-547
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Small Angle X-ray Scattering on Rod Assembly Target at SACLA (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Ota, et al, Y. Sakawa
  • 学会等名: European XFEL Workshop 2020
  • 国際学会
• [学会発表] SAXS with sub-micron rod assembly target at SACLA (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Ota, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Winter school and workshop on “Matter in extreme conditions: from material science to plasmas for laboratory astrophysics” (MECMATPLA)
  • 国際学会
• [学会発表] Searching for turbulence in high energy density Rayleigh-Taylor instability experiments (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Casner, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: International Conference on High Energy Density (ICHED2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rayleigh-Taylor instabilities relevant to supernovae remnants (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Rigon, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: International Conference on High Energy Density (ICHED2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of the Atwood number and initial perturbation on the Rayleigh-Taylor instabilities (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Rigon, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: International Conference on High Energy Density (ICHED2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical 3D modelling of radiative accretion shock experiments on GEKKO XII facility (2019)
  • 著者名/発表者名: C. Busschaert, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: International Conference on High Energy Density (ICHED2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Resonant small angle x-ray scattering probing ultrashort pulse high-intensity laser-solid interactions (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Lennart, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Laser Acceleration of Electrons, Protons, and Ions V
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of Electrostatic Ion Two-stream Instability on the Collisionless Shock Accelerated Protons in Multi-ion Species Plasma (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Kumar, Y. Sakawa, L. N. K. Doehl, N. Woolsey, and A. Morace
  • 学会等名: International Conference on High Energy Density Sciences (HEDS 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] MAGNETIZED ACCRETINGWHITE DWARF : A LABORATORY TO TEST OUR MODELS OF ACCRETION PROCESSES (2019)
  • 著者名/発表者名: C. BUSSCHAERT, et al, Y. SAKAWA
  • 学会等名: European Week of Astronomy and Space Science (EWASS2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Energetic Ion Acceleration by Irradiating a Large-Area Suspended Graphene with Intense Lasers (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuramitsu, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: 9th East-Asia School and workshop on Laboratory, space, and Astrophysical Plasma
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effect of electrostatic ion two-stream instability on the laser-driven collisionless shock ion acceleration in multi-ion species plasma (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: the 13th symposium of the Hinode mission (Hinode13) with the 15th symposium of Interrelationship between Plasma Experiments in the Laboratory and in Space (IPELS2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Proton Acceleration by High-intensity Laser-Driven Electrostatic Collisionless Shock (2019)
  • 著者名/発表者名: Youichi Sakawa, Rajesh Kumar, Masato Ota, Shunsuke Egashira, Masato Kanasaki, Yuji Fukuda, Leonard N. K. Doehl, Nigel Woolsey
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] “Confinement” of High Energy Density Plasma Based on Structured Medium and initial Experiments Using SACLA X-Rays - A New Platform Studying MCF Plasmas Using Laser- (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Kishimoto, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Two-Dimensional Thomson Scattering Measurement for the Investigation of Electron and Ion Detachment from an External Magnetic Field (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Takagi, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Hugoniot Data of MgSiO3 under the Planetary Impact Conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Umeda, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental Study for Characterizing the Effect of a Strong Magnetic Field to Interfacial Instability (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Matsuo, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Double Plasma Mirror Systems for Repeatable High-Contrast (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Woolsey, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Monoenergetic Ion Acceleration with a Nanolayered Ultrathin Target Using Large-Area Suspended Graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuramitsu, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Proton-Induced Isochoric Heating in Mid-Z Material on LFEX Laser (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Morace, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic Reconnection in Self-Generated and Externally Applied Magnetic Fields in Laser-Produced Plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Morita, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Small angle X-Ray Scattering with Sub-Micron Rod-assembly Target at SACLA (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Ota, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Recent Results on Planetology in Laboratory (2019)
  • 著者名/発表者名: A. B. Mounaix, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of Ultra-High Energy Density State with X-Ray Free Electron Laser SACLA (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Maeda, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Large-area Suspended Graphene (LSG) as Target for Laser Ion Acceleration (LIA) (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu-Tzu Liao, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Laser Ion Acceleration by Irradiating Large-Area Suspended Graphene with Femtosecond Pulse Laser (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Minami, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic reconnection of strong field generated by capacitor-coil target (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Egashira, et al, Y. Sakawa
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of Quasi-monoenergetic Ion Acceleration by Collisionless Shock (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Izumi, et al, Y. Sakawa
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Presence and future of X-ray scattering techniques for the understanding of ultra-short pulse laser matter interactions (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Kluge, et al, Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: 61th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Power-laser driven collisionles shock generation and particle acceleration (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakawa
  • 学会等名: International Workshop on Laboratory Astrophysics (IWLA2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ion acceleration by high-intensity laser-driven electrostatic collisionless shock (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakawa, et al
  • 学会等名: 3rd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2019),
  • 国際学会 / 招待講演