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

2023 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) ; 安部 勇輝 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (70817543) ; Law KingFaiFarley 大阪大学, レーザー科学研究所, 特任助教(常勤) (50888427)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2026-03-31
• キーワード: スネイルターゲット / ペタワットレーザー / ホットエレクトロン生成

研究実績の概要

これまで発表した成果においては、超高強度磁場 生成にはkT級の種磁場が不可欠であったが、最近の研究で、ターゲット内部にタービン様の微細構造を持たせると、一定方向の相対論的エネルギーを持つ電子渦流(図3右)が中心部に起こり、結果として超高磁場生成プロセスを簡 単化できることがわかってきた。加えて、その特殊微細構造を持つマイクロチューブを円環 状にすることで、ファラデーの法則により誘起される超高電場が、荷電粒子 を円環平面に垂直な方向に沿って加速する。これら内外における全く新たな幾何構造の導入 が本コンセプトにおいて中心的役割を果たし、荷電粒子を加速する基本原理を成すことが明らかとなった。令和５年度の研究実績としては，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空間的に一様な種磁場の生成に成功したことである。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。

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５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、未だその実験値を凌駕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) 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１０から１００キロテスラ級の磁場生成 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] Laser-driven electrodynamic implosion of fast ions in a thin shell (2023)
  • 著者名/発表者名: Yu Gus'kov, Ph. Korniev, and M. Murakami
  • 雑誌名: Latter and Radiation at Extremes 巻: 8 ページ: 056602:pp.1-9
  • DOI: 10.1063/5.0156113
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ion acceleration from aluminum foil coated with a gold nanolayer irradiated by ultrashort laser pulses (2023)
  • 著者名/発表者名: D. Balusu, B. Ramakrishna, and M. Murakami
  • 雑誌名: Phys. Plasmas 巻: 31 ページ: 013107: pp.1-7
  • DOI: 10.1063/5.0185875
  • 査読あり
• [学会発表] Application of micro cavity implosion to fusion (2024)
  • 著者名/発表者名: M. Murakami
  • 学会等名: High Energy Density Physics
• [学会発表] Microcavity implosions for the generation of extreme electric fields and ultrahigh magnetic fields (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Murakami
  • 学会等名: PHFS国際会議
• [学会発表] マイクロノズルを使ったレーザープロトン加速 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村上匡且
  • 学会等名: プラズマ核融合・第４０回年会
• [学会発表] Generation of energetic proton beam by expanding nozzle acceleration (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Murakami
  • 学会等名: HPLSE国際会議