ペタワットレーザーによるメガテスラ級極超高磁場生成の原理実証

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04454
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 村上 匡且 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (80192772)
• 研究分担者: 藤岡 慎介 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (40372635) ; 余語 覚文 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (50421441) ; 安部 勇輝 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (70817543)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2026-03-31
• キーワード: メガテスラ / 粒子シミュレーション / ペタワットレーザー

研究実績の概要

本研究計画におけるユニークな原理は「周回電流による磁場の生成」という意味においてはよく知られた基本物理に即していると言えるが、この場合の周回電流は、既知の方法にみられるような「荷電粒子である電子が決められた軌道としての周回路上を流れることで作られる」のではなく、(1)イオンと電子がプラズマという相対論的高エネルギー粒子になった状態で組織的な全体運動する状況の中で、(2)中心部のわずか数10ナノメートルという微小な中心領域に最接近した時の粒子軌道の包絡線が円弧を描くことで磁場生成に寄与している、という点で、従来の理解とは大きく異なっている。令和４年度の研究実績としては，大阪大学レーザー科学研究所のペタワット・レーザーであるLFEXを二つのスネール・ターゲットに照射することで、2次元シミュレーション結果を実現するために必要な200テスラを越える、空間的に一様な種磁場の生成に成功したことがまず第一に挙げられる。スネールターゲットは，帯状の金属箔を円筒状に曲げたターゲットである。スネール・ターゲットの一部に高強度レーザーを集光照射すると、レーザーとプラズマの相互作用によって高エネルギーの電子が加速され、スネール・ターゲットの外に飛び出し、スネール・ターゲットの中で電荷分布の偏りが生じる.電荷分布の偏りが電流を駆動し、スネール・ターゲットの表面に沿って円筒形で１メガアンペア相当の電流が流れる。この電流が磁場がスネール・ターゲットの内部に磁場を生じさせる。また、レーザー照射前後でのダブル・スネール・ターゲットと円筒ターゲットのプロトン・ラジオグラフィの鮮明な画像も得られた。この場合のショット後に現れるリング状のパターンが磁場強度を表しており、二つのスネール・ターゲットの中央部で200テスラを越える磁場が確認できた。

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

令和４年度における主たる目標である「ターゲットの基本設計ならびにLFEXレーザーシステムを使った種磁場生成のための基礎ダイナミクスの調査」に関して、 当初の目的を達成している。

今後の研究の推進方策

高強度磁場生成に対する様々な試みが続けられているが、実験的に観測された磁場強度は1キロテスラから２キロテスラのレベルに留まり、未だその壁を打破できていないのが現状である。 今後のレーザー実験では (1)新原理の原理実証を行うとともに、(2) 100キロテスラから1メガテスラの極超高磁場生成を実現することが主目標となる。本研究では、世界最高クラスのパワーとエネルギーを有するペタワットレーザーLFEX(阪大レーザー研)を使い人類未踏のメガテスラ級磁場生成に挑む。

研究成果

• [雑誌論文] Laser-Driven Neutron Generation Realizing Single-Shot Resonance Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Yogo , Z. Lan, Y. Arikawa, Y. Abe, S. R. Mirfayzi , T. Wei , T. Mori, D. Golovin, T. Hayakawa, N. Iwata , S. Fujioka, M. Nakai, Y. Sentoku, K. Mima, M. Murakami, M. Koizumi, F. Ito, J. Lee, T. Takahashi, K. Hironaka, S. Kar, H. Nishimura, and R. Kodama
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 13 ページ: 011011: pp.1-12
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011011
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Picosecond snapshot imaging of electric fields induced on a cone guide target designed for fast ignition scenario (2022)
  • 著者名/発表者名: Shi Binghe、Yogo Akifumi、Okamoto Kazuki、Golovin Daniil、Mirfayzi Seyed Reza、Morace Alessio、Arikawa Yasunobu、Yamanoi Kohei、Abe Yuki、Murakami Masakatsu、Gu Yanjun、et al.
  • 雑誌名: Journal of Plasma Physics 巻: 88 ページ: 905880404
  • DOI: 10.1017/S0022377822000599
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ion Acoustic Shock Wave Formation and Ion Acceleration in the Interactions of Pair Jets with Electron?ion Plasmas (2022)
  • 著者名/発表者名: Huang Jian、Weng Su-Ming、Wang Xin、Zhong Jia-Yong、Zhu Xing-Long、Li Xiao-Feng、Chen Min、Murakami Masakatsu、Sheng Zheng-Ming
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 931 ページ: 36～36
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac66e1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Progress in relativistic laser?plasma interaction with kilotesla-level applied magnetic fields (2022)
  • 著者名/発表者名: Weichman K.、Robinson A. P. L.、Murakami M.、Santos J. J.、Fujioka S.、Toncian T.、Palastro J. P.、Arefiev A. V.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 29 ページ: 053104～053104
  • DOI: 10.1063/5.0089781
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Laser scaling for generation of megatesla magnetic fields by microtube implosions (2022)
  • 著者名/発表者名: D. Shokov and M. Murakami
  • 学会等名: OPIC 国際会議
  • 国際学会
• [学会発表] Ultra-high compression and ion acceleration in finite-sized hollow spherical targets via microbubble implosion (2022)
  • 著者名/発表者名: M-A. H. Zosa and M. Murakami
  • 学会等名: OPIC国際会議
  • 国際学会
• [学会発表] Laser scaling for generation of megatesla magnetic fields by microtube implosions (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Murakami and D. Shokov
  • 学会等名: COLA2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Microcavity Implosions for Generation of Ultrahigh Electric Fields and Megatesla Magnetic Fields (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Murakami et al.
  • 学会等名: AAPPS国際会議
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Vortex-driven ultrahigh magnetic field generation (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Murakami
  • 学会等名: APS会議
  • 国際学会