高品質ダイヤモンドカプセルの開発及び衝撃波点火レーザー核融合への適用

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22J22774
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 川崎 昂輝 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2022-04-22 – 2025-03-31
• キーワード: ナノ多結晶ダイヤモンド / レーザー核融合 / レーザープラズマ相互作用

研究実績の概要

ダイヤモンドカプセルの開発研究に関して，製作工程の改良，定量評価手法の開発・確立，そしてカプセルの爆縮実験を実施した．製作工程の改良としては，ダイヤモンド成膜の基板として用いるSi球がエッチング工程において溶け残る問題に取り組んだ．具体的には超音波振動や加熱・冷却等の加圧・減圧プロセスの導入によりエッチング性能が向上した．爆縮実験においては，定量評価したダイヤモンドカプセルに大阪大学レーザー科学研究所の所有する激光XII号レーザーを球状に照射し，アブレーション面のX線発光から爆縮軌跡を評価した．実験結果は，輻射流体シミュレーションとエラーバーの範囲内で一致し，製作したカプセルの品質，定量評価の精度が高いことが示された．またプラズマ物理に関する実験的研究として，ダイヤモンド多結晶の粒界に含有される水素成分がレーザープラズマ相互作用に及ぼす影響に着眼した実験を実施した．レーザープラズマ相互作用には，様々なエネルギーの吸収機構が存在する．その中でも，誘導ラマン散乱（SRS）及び二電子崩壊不安定性（TPD）は電子プラズマ波を生成することにより，高いエネルギーを有する高速電子を顕著に発生させるため，それらを制御することは非常に重要な課題である．基礎的なデータを得るために，水素含有率が高いポリエチレン（66 at%）と水素を含まない（無視できる）単結晶ダイヤモンドにレーザーを照射して，誘導ラマン散乱（SRS）及び二電子崩壊不安定性（TPD）の情報を散乱光計測により取得した．水素を含むポリエチレンにおいて，優位にSRS・TPDが顕著になることが明らかになった．詳細なメカニズムに関しては現在輻射流体シミュレーションを用いた解析を進めている．

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

ダイヤモンドカプセルの高品質化に関する研究に関しては，定量評価手法の開発・確立を完了したため，翌年度以降にカプセル高品質化のために，定量評価によるフィードバックをかけながら，合成パラメータの最適化を実施できる環境が整った．またSiエッチング問題に関しては既に加圧・減圧プロセスの有効性を確かめてることができた．レーザープラズマ相互作用に関する研究に関しては，水素の有無による優位な差を示す実験データを得ており，実験データの傾向を説明する訂正的な解釈はすでに得られている．翌年度以降はより定量的な議論を展開できる状況である．

今後の研究の推進方策

カプセル高品質化に関する研究に関しては，ダイヤモンド膜質と合成パラメータの依存性を実験的に得ることを計画している．合成パラメータのうち，ガス圧力，メタン濃度に関しては比較的容易にパラメータを走査でき，実際にすでに表面平滑性に対する依存性は得られている．今後は基板温度を独立に変更することを目指す．非ダイヤモンド成分の取込み量は基板温度に依存する．またレーザープラズマ相互作用に関する研究は，輻射流体シミュレーションを実施することで，実験のプラズマパラメータを再現し，それらを用いた議論を定量的に展開する予定である．

研究成果

• [国際共同研究] INO-CNR(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: INO-CNR
• [雑誌論文] Multibeam Laser Plasma Interaction at Gekko XII laser facility in conditions relevant for Direct-Drive Inertial Confinement Fusion (2023)
  • 著者名/発表者名: Cristoforetti G.、Koester P.、Atzeni S.、Batani D.、Fujioka S.、Hironaka Y.、H?ller S.、Idesaka T.、Katagiri K.、Kawasaki K.、Kodama R.、Mancelli D.、Nicolai Ph.、Ozaki N.、Schiavi A.、Shigemori K.、Takizawa R.、Tamagawa T.、Tanaka D.、Tentori A.、Umeda Y.、Yogo A.、Gizzi L.A.
  • 雑誌名: High Power Laser Science and Engineering 巻: - ページ: 1～11
  • DOI: 10.1017/hpl.2023.13
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fabrication of nanocrystalline diamond capsules by hot-filament chemical vapor deposition for direct-drive inertial confinement fusion experiments (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawasaki K.、Yamada H.、Nagatomo H.、Hironaka Y.、Yamanoi K.、Tanaka D.、Idesaka T.、Mokuno Y.、Chayahara A.、Shimaoka T.、Mima K.、Somekawa T.、Tsukamoto M.、Sato Y.、Iwamoto A.、Shigemori K.
  • 雑誌名: Diamond and Related Materials 巻: 135 ページ: 109896～109896
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2023.109896
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of an experimental platform for the investigation of laser?plasma interaction in conditions relevant to shock ignition regime (2022)
  • 著者名/発表者名: Tamagawa T.、Hironaka Y.、Kawasaki K.、Tanaka D.、Idesaka T.、Ozaki N.、Kodama R.、Takizawa R.、Fujioka S.、Yogo A.、Batani D.、Nicolai Ph.、Cristoforetti G.、Koester P.、Gizzi L. A.、Shigemori K.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 ページ: 063505～063505
  • DOI: 10.1063/5.0089969
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 直接照射型レーザー核融合のためのダイヤモンド燃料カプセルの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川﨑昂輝，山田英明，長友英夫，弘中陽一郎，山ノ井航平，田中大裕，井手坂朋之，杢野由明，茶谷原昭義，嶋岡毅紘，三間國昭，染川智弘，佐藤雄二，塚本雅裕，岩本晃史，重森啓介
  • 学会等名: 2023年レーザー学会第43回年次大会
• [学会発表] Ultrahigh Pressure Creation by Hot Electron-Assisted Laser Ablation (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Kawasaki, Y. Hironaka, D. Tanaka, T. Idesaka, K. Yamanoi, R. Takizawa, S. Fujioka, A. Yogo, H. Nagatomo, Y. Sentoku, Y. Arikawa, N. Ozaki, R. Kodama, K. Katagiri, K. Mima, Y. Mori, T. Jozaki, H. Yamada, D. Batani, G. Cristoforetti, and K. Shigemori
  • 学会等名: Optics and Photonics International Congress (OPIC) 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of Diamond Capsule and Implosion Experiments (2022)
  • 著者名/発表者名: K.Kawasaki, H.Yamada, Y.Mokuno, A.Chayahara, T.Shimaoka, Y.Sato, M.Tsukamoto, T.Somekawa, H. Nagatomo, K. Mima, Y.Hironaka, K.Yamanoi, D.Tanaka, T.Idesaka, and K.Shigemori
  • 学会等名: 15th International Conference on NDNC2022
  • 国際学会
• [学会発表] Dependence of Hot Electron Generation on Hydrogen Concentration of Target Materials for Shock Ignition Scheme of Direct-Drive Inertial Confinement Fusion (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Kawasaki, S. Matsuo, T. Idesaka, Y. Hironaka, D. Tanaka, H. Nagatomo, M. Hata, R. Takizawa, S. Fujioka, A. Yogo, Y. Sentoku, Y. Arikawa, N. Ozaki, R. Kodama, K. Katagiri, K. Mima, T. Mori, T. Jozaki, H. Yamada, D. Batani, G. Cristoforetti, and K. Shigemori
  • 学会等名: 64th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 衝撃波点火条件下における高速電子生成のターゲット材水素含有率依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川﨑昂輝，弘中陽一郎，田中大裕，井手坂朋幸，瀧澤龍之介，藤岡慎介，余語覚文，長友英夫，千徳靖彦，有川安信，尾崎典雅，兒玉了祐，片桐健登，三間圀興，城崎知至，森芳孝，山田英明，G. Cristoforetti，D. Batani，重森啓介
  • 学会等名: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [学会発表] 衝撃波点火レーザー核融合に向けたターゲット材の水素含有率による高速電子発生の制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川﨑昂輝，弘中陽一郎，田中大裕，井手坂朋幸，瀧澤龍之介，藤岡慎介，余語覚文，長友英夫，千徳靖彦，有川安信，尾崎典雅，兒玉了祐，片桐健登，三間圀興，城崎知至，森芳孝，山田英明，G. Cristoforetti，D. Batani，重森啓介
  • 学会等名: 2022年物理学会秋季大会
• [学会発表] 直接照射型レーザー核融合のためのダイヤモンドカプセルの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川﨑昂輝，山田英明，杢野由明，茶谷原昭義，嶋岡毅紘，大曲新矢，佐藤雄二，塚本雅裕，染川智弘，長友英夫，弘中陽一郎，山ノ井航平，田中大裕，井手坂朋之，重森啓介
  • 学会等名: Cat-CVD 研究会 第19回
  • 招待講演